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(1.中国船级社海工技术中心，天津 300451;2.天津新港船舶重工有限责任公司，天津 300452)

桩靴充水对自升式平台拖航稳性的影响

孙涛1，朱佐鑫2

(1.中国船级社海工技术中心，天津 300451;2.天津新港船舶重工有限责任公司，天津 300452)

综合考虑自升式钻井平台的完整稳性及破损稳性的衡准要求，以某自升式钻井平台为例，分别校核该平台在桩靴充水及不充水状态下拖航作业时的完整稳性及破损稳性，并对计算结果进行比较和分析，得出桩靴充水对自升式平台静水力、静稳性曲线以及许用重心高度曲线等方面的诸多影响，提出提高自升式平台拖航稳性的措施。

自升式平台；桩靴；充水；拖航稳性；许用重心高度

自升式平台拖航工况作业程序复杂，由于拖航过程中遭遇强风暴导致平台丧失水密完整性，最终倾覆沉没是自升式平台发生安全事故的主因。在进行自升式平台拖航稳性校核时，通常认为桩靴通海自由充水，其提供的浮力与桩靴中的压载水重量抵消，因此不建立桩靴模型；也有些计算保守起见，桩靴始终保持不充水，基于此状态建立桩靴模型并校核稳性。以某自升式平台为依托，利用ZenStab软件建立平台整体及舱室模型并进行稳性校核，通过汇总2个拖航工况多个吃水下桩靴充水及不充水时该平台的完整稳性及破损稳性计算结果，并开展分类对比，发现桩靴充水能够在很大程度上提升自升式平台稳性储备能力。同时，针对各拖航工况下桩靴是否充水以及桩靴充水状态的稳性校核方式给出具体建议。

1 稳性要求与衡准

平台的完整稳性是指漂浮的平台依靠倾斜后自身的复原力矩来抵抗外加倾侧力矩的能力。而平台的破损稳性是指平台破损进水后，依靠倾斜后自身的复原力矩，在规定的外加风压作用下仍能保持不再继续进水的能力[1]。自升式平台的稳性要求与衡准主要依据IMO MODU CODE 2009[2-3]、CCS 海上移动平台入级规范 2016以及ABS MODU[4]中相关规定进行校核。本文综合上述规定中最为严苛的衡准进行稳性校核。

1.1 稳性衡准

1.1.1 完整稳性衡准

考虑处于最不利位置的最大材料荷载以及舱柜内的自由液面影响，平台在每一种作业模式下的稳性，均应满足下列衡准。

1)稳性计算中覆盖全部作业吃水范围，包括拖航状况时的吃水，对有限航区拖航工况，选取风速为25.8 m/s；油田拖航工况，选取风速为36 m/s(70 kn)；远洋拖航工况，选取风速为51.5 m/s (100 kn)。

2)复原力矩和风压倾侧力矩曲线应为对应于最危险衡准轴的曲线，见图1。至第二交点或进水角(取其较小者)处复原力矩曲线下的面积，至少应比同一限制角处风压倾侧力矩曲线下的面积大40%。

图1 复原力矩和风压倾侧力矩曲线

3)复原力矩曲线从正浮至第二交点的全部角度范围内均应为正值。

4)在所有漂浮作业工况整个吃水范围内，经自由液面修正后的初稳性高度应不小于0.15 m；

1.1.2 破损稳性衡准

1)碰撞破损稳性。选取最坏的稳性状态进行破损稳性计算，并假定平台处于无系泊的漂浮状态，但如系泊约束对稳性有不利影响时，就应加以考虑。平台应具有足够的干舷、储备浮力和稳性，以便在任何作业或迁移工况下任何舱室受到破损，并在来自任何方向风速为25.8 m/s的风倾力矩作用下，计及下沉、纵倾和横倾的联合影响后，破损水线应低于可能导致发生继续进水的任何开口的下缘。

我国生产和消费的资本含量都非常高，均高于进出口的资本含量，这是由于这一阶段我国处于城市化发展的高潮，国内钢铁、水泥、化工等资产密集型重工产业占据很大比重。

2)剩余稳性。自升式平台在经受任何单个舱室浸水后的剩余稳性应满足下式要求：

RoS=θm-θs≥max{(7°+15θs)，10°}

式中，RoS为稳性范围，(°)；θm为稳性消失角，(°)；θs为单个舱室浸水后的静倾角，(°)。其中，稳性范围的确定与进水角无关。

1.2 许用重心高度曲线

许用重心高度曲线应是平台满足所需规范稳性要求的各极限重心高度曲线的下限包络线。为保证平台拖航的稳性及安全性，各拖航工况下吃水处的实际重心高度不能超过对应许用重心高度[5]。需指出的是，实际装载状态下的许用重心高度曲线均需经过自由液面修正后得到[6-8]。

2 工程计算实例

2.1 平台简介

本自升式平台最大作业水深为122 m，最大可变载荷为4 030 t，最大吃水为5.639 m。

主船体部分是三角形钢结构，主要参数见表1。平台设有3个四边形桁架式桩腿，其中平台艏部桩腿位于主船体中心线上，艉部两桩腿位于主船体中心线两侧，对称布置，每个桩腿下装置有桩靴。依据操船手册所述平台共有2个拖航工况，在典型压载工况中给出特定吃水处平台正浮时重心高度，见表2。

表1 平台主尺度/m

表2 平台拖航工况/m

2.2 计算方法

建立桩靴充水及不充水2种模型，除静水力模型不一致外，风载模型、进水点、各拖航工况、水密舱室划分及破损舱组等模型设置均一致。一般地，在桩靴充水模型中不建立桩靴，认为其通海自由充水不提供浮力；桩靴不充水模型中建立桩靴，认为桩靴提供浮力。

基于上述稳性模型，依照相应稳性衡准分别进行完整稳性及破舱稳性校核[9-11]。自升式平台在进行稳性计算时需要考虑从0°～360°的稳性轴，间距为30°，经过大量计算对比发现，各拖航工况下衡准轴为沿纵向中心线，即风沿横向垂直于平台中线入射时，完整稳性最差[12]，因此下述结果对比全部基于衡准轴沿纵向中心线进行：

1)桩靴充水与不充水模型的排水量。

2)桩靴充水与不充水状态下的复原力矩及倾侧力矩。

3)桩靴充水与不充水状态下的许用重心高度曲线。

许用重心高度曲线是平台稳性结果的直接反映。依次计算各拖航工况对应的各衡准轴下完整稳性及破损稳性，最终在满足稳性衡准的前提下，分别求得桩靴充水及不充水状态下各拖航工况对应的许用重心高度曲线并加以对比。

2.3 计算模型

本例计算使用ZenStab软件完成全部稳性校核。鉴于桩靴充水模型不建立桩靴，受风结构模型及其他设置与桩靴不充水模型一致，故图2只显示各拖航工况桩靴不充水模型。

图2 各拖航工况平台模型

2.4 桩靴充水与不充水计算结果对比

基于上述2种桩靴状态校核方法和模型，依据相关稳性衡准，分别校核2种桩靴状态下该自升式平台各拖航工况的完整稳性及破损稳性。在此基础上对排水量、复原力臂及风倾力臂、许用重心高度曲线进行分项对比。

2.4.1 排水量对比

基于桩靴充水及不充水2种模型进行静水力计算，表3中列出2种拖航工况对应的桩腿长度以及桩靴下放位置，表4中列出2种桩靴状态模型在相同吃水下对应的排水量。

由表4可见，将桩靴充水，认为其通海自由充水时，全船排水量减小。即相同排水量下，桩靴充水比桩靴不充水对应的吃水大。

2.4.2 复原力矩及风倾力矩曲线对比

按照油田拖航及远洋拖航2种工况，分别绘制桩靴充水及不充水状态下得到的复原力臂曲线及风倾力臂曲线，见图3和图4。

表3 不同工况对应桩靴下放位置 m

表4 两种桩靴状态下相同吃水对应排水量

图3 油田拖航工况复原力矩和风压倾侧力矩

图4 远洋拖航工况复原力矩和风压倾侧力矩

由图3、4可见，桩靴充水复原力臂曲线均在桩靴不充水复原力臂曲线上方，说明当平台横倾同样的角度时，桩靴充水时中线降低，复原力矩增大[12]，抵抗风压倾侧力矩能力强，稳性更好。桩靴充水时风压倾侧侧力臂曲线始终在桩靴不充水倾侧力臂曲线上方，这是因为桩靴不充水时作为浮体随着桩腿下放至船底以下不同深度，其排水体积虽然相对整船排水体积较小，但仍有效降低了平台的整体浮心；由此水面以上的受风面积减少，从而相同吃水下风倾力矩减小。

依据完整稳性衡准，至第2交点或进水角(取其较小者)处复原力矩曲线下的面积至少为同一限制角处风压倾侧力矩曲线下面积的1.4倍。由上述对比图能明显看出，桩靴充水后面积比远大于桩靴不充水的面积比,说明桩靴充水后有效提高了平台的完整稳性，增加了平台的抗风暴倾覆能力。

2.4.3 许用重心高度曲线对比

自升式平台在各种装载情况依照完整稳性及破损稳性要求，得到许用重心高度曲线。桩靴充水及不充水模型对应于各个拖航工况的许用重心高度曲线见图5。

图5 油田拖航许用重心高度曲线对比

由图5可见，各个拖航工况下桩靴充水后许用重心高度曲线均在桩靴不充水许用重心高度曲线之上。这是由于当桩靴不充水时，桩靴随桩腿下降一定深度，全船浮心降低；当平台横摇时，3个桩靴提供的浮力不利于平台回复到正浮的平衡位置，导致平台稳性变差，从而导致平台的稳性不能满足原稳性衡准要求。因此，为了保证平台稳性满足规范衡准要求，需要降低许用重心高度曲线。这说明，桩靴充水后，平台完整稳性及破舱稳性均有所提高，从而平台拖航操作稳性裕度更大，拖航安全性更高。

3 结论

1)桩靴充水在很大程度上提高自升式平台抗风压倾覆能力，对于提高许用重心高度有较大帮助。桩靴充水虽然会导致船体浮心升高，致使平台所受风力增大，但影响相对很小。因此，桩靴充水不仅可提高自升式平台拖航稳性，增加平台稳性储备能力，更可有效增加平台拖航安全保障。

2)前期设计阶段，应根据拖航水深、桩腿下放深度、桩靴容积以及桩靴结构强度等因素来确定各拖航工况能否充水。在有限航区或油田拖航作业时，为避免桩靴触底发生结构破坏，通常需要升起桩腿。考虑到桩腿重量及受风面积很大，起升桩腿易导致平台重心升高，风压倾侧力矩增大，平台拖航稳性相对减弱。因此在水深允许的情况下，可以选择将桩靴完全没入水中，并注满水降低全船重心，增加稳性储备。在远洋拖航作业时，采用下降部分桩腿或截断上部桩腿升起剩余桩腿的方式，以降低重心平台重心，减少受风面积。当桩腿下放深度较大时，向桩靴充水，降低平台重心，以增加平台拖航稳性。

3)在稳性校核时，应注意桩靴模型设置需与典型压载工况相对应。对于桩靴充水状态，常认为桩靴通海自由充水，其提供的浮力与桩靴中的压载水重量抵消，从而在典型压载工况中也不体现桩靴压载水一项，使用稳性计算软件建模时也不建立桩靴模型；如果典型压载工况中有桩靴压载水一项，则需要在稳性模型中建立桩靴结构，并以该典型工况配载后的浮态为初始浮态进行稳性计算。但由于桩靴是水密浮力空间，因此，在计算平台静水力参数时需要基于操船手册规定的桩靴完全回收位置建立桩靴模型。

4)风倾力矩对于平台拖航工况的稳性影响很大，在设计初期应进行详细的风倾力矩计算或者进行平台风洞试验，以确保稳性分析的准确性。

[1] 中国船级社.海上移动平台入级规范[S].北京：人民交通出报社，2016.

[2] IMO.Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units[S].IMO,2009.

[3] IMO.International Convention on Load Lines，1966，as Amended by the Protocol of 1988[S].IMO,1988.

[4] ABS.Rules for Building and Classing for Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS,2016.

[5] 盛振邦,刘应中.船舶原理[M].上海：上海交通大学出版社,2009.

[6] 孙明,那荣庆,戴挺,等.桩腿升降对自升式平台稳性的影响[J].中国造船,2015,56:201-205.

[7] 孙明,李在鹏,王志超.基于不同桩腿位置的自升式平台稳性研究[C].2014年全国船舶稳性学术研讨会文集,2014.

[8] 孙东昌,潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究[M].上海：上海交通大学出版社,2008.

[9] 尹艳,莫建.自升式钻井平台稳性计算方法研究[C]：2014年全国船舶稳性学术研讨会文集,2014.

[10] 吴晓莲.自升式钻井平台稳性分析[J].船舶设计通讯,2014(增刊1):8-11.

[11] 王思明,孙博文,程正华.箱型自升式平台破损后剩余稳性的研究[J].船海工程,2013，42(6):156-159.

[12] 杨涵婷,刘忠彦.中油海62自升式平台的拖航稳性计算分析[J].石油工程建设,2011，37(增刊1):34-37.

Influence of Flooding Spud Can upon the Transit Stability of Self-elevating Drilling Units

SUNTao1,ZHUZuo-xin2

(1.Offshore Engineering Technology Center of CCS, Tianjin 300451, China;2.Tianjin Xingang Shipbuilding Heavy Industry Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

The stability criteria of self-elevating drilling units were described. The intact stability and damage stability in various transit conditions for self-elevating drilling units were checked based on the condition of whether taking the flooding of spud can into consideration. The influence of the flooding spud can on the stability of self-elevating drilling units, such as hydrostatic, static stability curve and allowable gravity center curve were analyzed on the basis of stability comparison results, so as to propose measures of enhancing the stability for transit condition.

self-elevating; jack up; spud can; flooding; transit stability; AVOG

U661.2

A

1671-7953(2017)06-0169-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.038

2017-01-05

2017-05-09

孙涛(1982—)，女，硕士，工程师

研究方向：海洋设施结构设计、总体稳性研究