移动式自安装井口平台拖航稳性分析

杨学利，严 明，王立志

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300452)

随着我国海洋石油工业的快速发展，渤海、东海及南海海域大量的边际断块油田成为开发热点。这些海上边际油田若采用传统的开发模式难以经济有效开发，亟需建立以新型海工装备为核心的全新开发模式，因此，具有自升式平台结构型式的移动式自安装井口平台应运而生。

根据平台作业的特点在建造场地至作业海域进行长距离迁航。平台拖航是比较危险的海上作业，中外海工史上都有过沉痛的教训。拖航时桩腿收起，高耸的桩腿会使受风面积增大，导致风倾力矩增加；同时，桩腿与桩靴的自重比较大，升桩会使平台的重心显著升高，给平台拖航稳性带来极为不利的影响。据文献统计，在平台海损事故中因稳性缺陷引发的事故占三成[1]。拖航稳性一直是设计、操作和检验部门重点关注的问题，本文以某型移动式自安装井口平台为研究对象，对平台拖航的完整稳性和破舱稳性进行分析，研究成果可为类似平台的稳性分析提供参考，为平台的安全拖航提供技术支持。

1 平台稳性规范要求

1.1 完整稳性

与船舶相类似，平台完整稳性主要是指平台未破损时在外力作用下偏离平衡位置而发生倾斜，当外力消失后其自行恢复到原来平衡位置的能力[2]。平台稳性会随装载情况的不同而发生变化，为保证在所有的装载状态下平台都具有足够的稳性就需要对几种典型的装载工况进行稳性校核。根据规范的要求，平台稳性计算的关键在于确定复原力矩(表示在最危险的情况下平台抵抗外力矩的极限能力)和风倾力矩(表示在恶劣海况下风对平台作用的动倾力矩)[2]，二者之比为稳性衡准数，其值大于或等于1时可满足稳性要求，即：

式中：K为稳性衡准数；Mz为复原力矩，kN·m；Mq为风倾力矩，kN·m；lz为复原力臂，m；lq为风倾力臂，m。

如图1所示，对于自升式平台，至第2交点或进水角处的复原力矩曲线下面积中的较小者至少应比至同一限定倾角范围内风倾力矩曲线下的面积大40%，即复原力矩与风倾力矩曲线面积之比大于或等于1.4 (面积比即稳性衡准数)；对应的倾角是第2交点或入水点(两者取较小者)，即满足(A+B)≥1.4(B+C)。

图1 完整稳性要求 Fig.1 Requirements for intact stability

1.2 破舱稳性

破舱稳性是指平台破损后依靠自身倾斜后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[3]。计算破舱稳性应选取最不利的稳定状态的工况，并考虑平台处于完全自由的漂浮状态，但如果拖带约束对稳性有不利影响时应加以考虑。计算破舱稳性时，各处所或一部分处所的渗透率应符合表1中给出的规范规定[3]。

表1 舱室渗透率 Tab.1 Cabin permeability

平台设计时应具有足够的干舷、储备浮力和稳性，以便在任何作业或迁移状况下任一舱室受到规范规定的破损后，并在来自任何方向、风速25.8m/s的风倾力矩作用下，考虑下沉、纵倾和横倾的联合影响后，最终水线应低于可能发生继续浸水的任何开口的下缘[4]，即满足(A+B)≥(B+C)，见图2。

图2 破舱稳性要求 Fig.2 Requirements for damaged stability

2 平台稳性计算工况

2.1 平台概况

本计算分析采用的对象是一座四桩腿自升式可移动井口平台，钢质非自航，设计最大作业水深为45m(含天文潮和风暴潮)。平台主体为长方体箱形结构，设有4根圆柱形桩腿，艉二艏二布置，桩腿下端设有桩靴，桩靴可完全收回平台体内。升降系统采用液压插销式，利用升降系统将平台主体支撑于指定高度。平台艉部设井口槽，槽内安装井口隔水套管支撑管架，可满足6根隔水管(井间距2.5m)的支撑要求。井口隔水套管支撑管架采用液压齿条升降系统调整管架的高度，井口槽两侧设修井模块纵向移动所需轨道。

平台型长57m，型宽44m，型深5.5m；轻载拖航吃水3.30m，重载拖航吃水3.44m；桩腿数量 4根，桩腿尺寸φ3.5m×82m，桩腿纵向间距39.5m，桩腿横向间距36m，桩靴(正八边形)对边长7.4m，高2.0m；艏部2层工程房，层高4.0m，1层生活楼，层高3.2m。

2.2 计算坐标系

计算坐标系取随船坐标系，如图3所示。稳性计算通过MOSES软件进行三维实体建模，模拟真实自安装井口平台的主要结构和重量分布，破舱稳性计算选取的舱室组合分布见图4。

图3 平台坐标系 Fig.3 Platform coordinate system

图4 破舱稳性计算选取的舱室组合 Fig.4 Cabin combination selected for damaged stability calculation

2.3 工况选择

在进行完整稳性分析时，远洋拖航选取满载工况(修井拖航工况)、轻载工况(采油拖航工况)和空船工况。平台计算模型见图5，平台荷载重量和重心分布情况见表2。

图5 平台拖航计算模型 Fig.5 Calculation model of platform towing

表2 各装载工况下平台重量重心 Tab.2 Platform weight center of gravity under various loading conditions

平台进水点的设置主要考虑了主甲板上的通风头、透气管和下舱梯道门的进水点等因素，参照了空气、测量、注入系统布置图，各破损状态最危险进水口坐标见表3。

表3 破舱状态及进水点 Tab.3 Damaged condition and water inlet point

2.4 风载荷计算

无论是完整稳性还是破舱稳性都需要考虑计算各工况下的风载荷。根据CCS《海上移动平台入级造规范(2020)》[3]：

作用在构件上的风载荷按下式计算：

式中：P为风压，kPa；V为设计风速，m/s；F为构件风荷载，kPa；Ch为受风构件的高度系数，根据构件高度选取；Cs为受风构件的形状系数；S为平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积，m2。

3 平台稳性计算结果分析

3.1 完整稳性

根据平台形状，计算校核横向90°、斜向42°、纵向0°受风时的完整稳性，根据规范取计算风速为51.5m/s。平台拖航时桩靴完全收回主船体内。平台采用湿式桩腿型式，与海水连通，桩腿在拖航时进水。桩腿的浮力只考虑桩腿壁厚产生的浮力，桩靴采用正八边形结构，外侧一圈不与海水连通，此部分计入至排水量。计算结果见表4。

表4 稳性计算结果 Tab.4 Stability calculation results

根据规范要求，拖航状态稳性衡准数K＞1.4，初稳心高GM＞0.15m，计算结果表明完整稳性满足规范要求。

3.2 破舱稳性

计算破舱稳性选取满载拖航、轻载拖航和空船拖航工况，并按照规范要求对各舱室或处所选取恰当的容积渗透率[5]。根据规范要求，假定垂向范围自底板向上无限制，水平贯入为1.5m，位于假定的水平贯入范围内的有效水密舱壁之间或其最近台阶部分之间的距离＞3.0m。各破损状态下进水点的角度均＞0°，破损水位低于可能发生继续进水的任何开口下缘，满足规范要求。

根据表5的计算结果可知，平台任意一舱破损情况下平台满载拖航破舱稳性均满足规范要求。平台轻载拖航与空船拖航相关稳性计算与上述方法相同，且计算结果均满足要求，表明某型移动式自安装井口平台的完整稳性与破舱稳性均满足规范要求。■

表5 满载拖航破损剩余稳性衡准表 Tab.5 Residual stability criteria for full load towing damage