半潜式钻井辅助平台的稳性计算

刘小尧++颜萍++方林香++庄瑞民

摘要：半潜式钻井辅助平台，由浮箱、立柱和甲板箱组成。海上移动式钻井平台稳性规范要求不同于普通船舶，因其长宽比较小，需要计算横向、纵向稳性，故通过采用固定转轴法和自由扭曲法计算半潜式钻井辅助平台的稳性。同时，通过建立稳性模型和风力模型，考虑来自任何方向作用于平台的风力，计算各种复杂工况下的稳定性。

关键词：半潜式；稳性；长宽比；风载荷

中图分类号：U661.4 文献标识码：A

Stability Calculation of Semi-Submersible Tender Assist Drilling Rig

LIU Xiaoyao， YAN Ping， FANG Linxiang， ZHUANG Ruimin

（COSCO Guangdong Shipyard Co.， Ltd.，Dongguan 523146）

Abstract： The Semi-submersible tender assist drilling rig is composed of a pontoon， a column and a deck box. The rules and requirements for the stability of the rig are different from those for an ordinary ship， because the transverse and longitudinal stability needs to be calculated while the rigs length-width ratio is small. The constant direction method and the free twist method are used for stability calculation of the rig. By establishing stability model and wind model， taking into the consideration of wind from any direction onto the rig， we complete the stability calculation of the rig for various complex working conditions

Key words： Semi-Submersible； Stability； Length-width ratio； Wind load

1 前言

在造船技术高速发展的时代，只有与时俱进地使用先进的设计工具，才能高效率完成设计工作，降低劳动强度，提高设计水平。通过学习使用napa软件建模计算，研究海工平台稳性规范要求和装载工况，是船厂转型升级、提升核心竞争力、承接高附加值船舶订单的重大举措。

2 半潜式钻井辅助平台的技术特点

半潜式平台是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式平台，它从坐底式平台演变而来，由平台本体、立柱和浮箱组成，平台上设有吊机设备、器材和生活舱室等。半潜式平台具有更大的工作水深、更大的甲板可变载荷、更大的存储能力、简单的外形结构、良好的船体安全性和抗风暴能力及自持能力等优点，已经成为海洋钻井平台的主要发展方向，被许多国家所采用。但由于其设计、建造技术要求較高，世界上仅有少数国家能够设计，比较专业的设计公司主要分布在美国、瑞典、荷兰和挪威。

2.1某半潜平台主要参数（图1、图2）

2.2技术特点

（1）在设定的作业环境下具有优良的运动性能：

纵横摇小于±2°，垂荡小于正负1米1 m，漂移小于1/20水深。

（2）具有很强的抗风浪能力，能抵御百年一遇的恶劣海况。

（3）在深远海作业，具有巨大的可变载荷和作业面积；

（4）多用途：钻井平台（钻井、固井、测井、修井、试油）、生产平台等；

（5）作业水深范围广：从几百米到3千米以上。

半潜式平台的最大特点是半潜作业，在半潜状态下将大体积的浮箱潜于水下一定的深度，因此比浮船式平台所受的波浪力小。半潜式平台的另一个特点是利用立柱保证平台的稳定性：在半潜的时候，其水线面积主要是立柱的水线面面积，水线面积不大，但立柱间距比较大，因而平台的惯性矩较大，能获得较大初稳性高度。

3 半潜式钻井辅助平台的稳性计算

3.1操作状况

半潜式平台前往某一海区作业至完成作业后离开的全过程如下：

（1）移航；

（2）就位、抛锚、压载下潜、锚泊线预张紧；

（3）作业；

（4）风暴来袭时卸载减少吃水，平台处于自存状况，风暴过后复原为作业状态；

（5）完成作业卸载起浮；

（6）起锚；

（7）移航。

以上最基本的操作状况是：作业状况、自存状况和移航状况，其余操作状况是各基本操作状况的过渡状况。

3.1.1 作业状况

半潜式钻井平台的作业状况，是指平台在井位上钻井或进行其他操作时的状况。该状况下平台应能承受与规定的作业状况设计标准相应的环境载荷和作业载荷的组合载荷。

3.1.2自存状况

半潜式钻井平台的自存状况，是平台处于规定的自存状况设计标准相应的最恶劣环境条件中的状况。此时，钻井作业或类似作业已经中止，关闭防喷器和脱开隔水管，放松上风舷锚链，平台漂浮在水面上自存。

3.1.3移航状况

移航状况，即半潜式平台从一个地点转移到另一个地点的过程中所处的状况。移航的方式有自航和拖轮助航两种：前者与一般的自航船舶无异；后者需配备一艘拖轮（一般是多用途拖轮）相随，对无自航能力的平台移航便是拖航。endprint

3.2 稳性计算

3.2.1稳性计算方法

（1）固定转轴法：横倾过程中固定转轴的计算方法；

（2）自由扭曲法：即横倾过程引起纵倾变化而重新寻找无纵倾、只有横倾的转轴方法。

平台的稳性计算，包括完整稳性和破损稳性，主要是确定在一系列吃水下平台的极限重心高，保证各种工况下最终重心在极限重心高以下，使平台有足够的稳性以承受来自各个方向的风载荷作用。

3.2.2 稳性衡准

（1）完整稳性衡准

本船入级ABS船级社，完整稳性必须满足以下要求：

（A）如图3所示，至第2交点或进水角的复原力矩曲线下的面积中的较小者，应比至同一限定角处风倾力矩曲线下面积至少大30%，即面积A+面积B>1.3×（面积B+面积C）；

（B）复原力矩曲线从正浮至第2交点的所有角度范围内，均应为正值；

（C）所有漂浮作业工况的整个吃水范围内，经自由液面修正后的出初稳性高度应不小于0.15m。

（2）破舱稳性衡准

本船入级ABS船级社，在经受规定的破损后必须满足以下要求：

（A）如图4所示，在来自任何方向、风速为25.8m/s（50kn）的风倾力矩作用下，复原力矩曲线从第1交点至第一个非保护开口或第2交点（取较小者），应至少有7°的范围；

（B）在（A）的范围内于某同一角度量得的复原力矩，至少达到风倾力矩的2倍；

（C）破损水线以上4m范围和7°区域的开口应为风雨密。

3.2.3.风载荷计算

对无限作业区域的平台，正常作业及拖航工况时其最小设计风速36m/s（70kn），自存工况时最小风速51.5m/s（100kn）。作用于各个构件的风载荷F按下式计算：

F=0.5CsCHρV2A （1）

式中：F—作用在各个构件的风载荷；

Cs—受风构件形状系数（根据构件形状选取）；

Ch—受风构件高度系数；

ρ—空气密度；

V –风速；

A –平臺在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积。

确定了风载荷，根据受风面积压力中心至平台水下部分侧向阻力中心间的垂直距离，就可以得到风倾力矩值。

对于常规船，规范规定其纵剖面受稳定风压作用，相应地产生一个在所有横倾角下均为定值的风倾力矩；而半潜式钻井辅助平台则不同，由于平台的长宽比较小，所以需要考虑来自任何方向的风载荷对平台的影响。另外，由于平台甲板上有较多的钻井设备，还有桩腿、上层建筑等受风面积较大的处所，所以对应不同横倾角其受风面积不同，风倾力矩也不同。

3.2.4.极限重心高的计算

如图6所示。

4 结束语

半潜式钻井辅助平台由于其特殊的船体特征，稳性计算与常规船型区别较大，一般船体性能计算软件不适用。同时，半潜式钻井辅助平台稳性规范要求不同于普通船舶，需要计算横向、纵向稳性，并需考虑来自任何方向作用于平台的风力，计算工况繁多，因此必须由适用于半潜平台的计算软件来代替常规船舶计算软件。

通过用napa软件建模，可以完成半潜平台静水力计算、舱容计算、测深表、浮态计算、总强度计算、风载荷计算、完整稳性计算、破舱稳性计算等，是船厂转型升级、提升核心竞争力、承接高附加值船舶订单的强劲助力，具有一定的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]船舶设计实用手册（总体分册）[M].国防工业出版社，1997.

[2]IMO.海上人命安全公约[S].人民交通出版社，2009.

[3]海上移动平台入级规范ABS.endprint