坐底式平台沉浮稳性研究

李亚军， 张文旭

(中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)



坐底式平台沉浮稳性研究

李亚军， 张文旭

(中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)

摘要运用SESAM软件对某坐底式平台进行了沉浮稳性的校核，并且为平台压载坐底过程设计了均匀下沉和倾斜下沉两种方案。经过对比分析后，推荐使用倾斜下沉作为该平台的压载坐底方案。

关键词坐底式平台沉浮稳性SESAM

0引言

坐底式平台是在浅水区域作业的一种移动式平台。坐底式平台通常由上体、支柱和下体三部分组成，如图1所示。上体又叫工作甲板，安置生活舱室和设备；下体是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，并提供移动时所需的浮力。甲板和沉垫间由立柱相连。平台在作业时，往沉垫内注入压载水，使其着底，但此时上体仍高出于水面。在完成作业后，则排出压载水，使下体上浮，再进行移位。坐底式平台具有构造比较简单，投资较少，建造周期较短等优点，适用于河流和海湾等30 m以下的浅水域以及海床平坦的浅海区域的油气勘探开发作业[1-3]。根据中国船级社颁发的《海上移动平台入级规范》2012版规定：平台的沉浮稳性是指平台通过压、卸载而引起的自身浮态的变化，以平稳而又有控制的由漂浮状态过渡到坐底状态，或由坐底状态过渡到漂浮状态的能力。对坐底式平台和要求进行坐底作业的柱稳式平台应校核沉浮稳性。

本文首先对坐底式平台的沉浮方案进行设计，然后应用SESAM软件建立坐底式平台模型，并针对平台的沉浮稳性进行计算，最后依据相应规范的规定进行沉浮稳性校核分析。

图1　坐底式平台

1环境条件及计算模型

1.1海洋环境条件

本文所针对的坐底式平台在各工况下的海洋环境条件如表1所示。

1.2土壤参数

由于本项目所针对的平台作业位置土壤参数不详，在平台的坐底稳性计算时采用了较为保守的方式，选用了土壤表层的粉质粘土，并把沉垫的入泥深度设为4 m。粉质粘土的水下容重为18.7 kN/m3，剪切强度22 kPa，摩擦角21.6°。

1.3计算模型

平台在空载情况下的质量控制如表2所示。

本项目中采用SESAM软件对坐底式平台的沉浮稳性进行计算。坐底式平台的实体建模部分由GeniE模块完成，稳性计算部分则由HydroD模块完成。平台的计算模型如图2所示。

“这次一共有十一位本派新生，你们有九个，”瑞克继续说，“第一关结束时会有四人被淘汰，其余的六人在终极考验时出局。”

表1　各工况下海洋环境条件

表2　平台在空载情况下的质量控制表

图2　平台的计算模型

2压载方案及计算工况

根据CCS颁发的规范《海上移动平台入级规范》(2012)，平台可采取两种不同的沉浮方式。第一种是在整个沉浮过程中，平台没有或仅出现微不足道可忽略不计的倾斜，这种沉浮方式称为均匀沉浮。第二种方式是在沉浮过程中，人为地使平台纵倾，故而在下沉时平台一端先接触地面，然后另一端再以接地端为支点慢慢下降直至平台坐底；反之，在起浮时也是先让一端绕着另一端转动，再让着地端抬起，然后调平平台。因为这种沉、浮方式使平台有明显的纵倾，所以叫作倾斜沉浮。本文将针对坐底式平台的下沉和起浮过程制定不同的压载和卸载方案，并对其中每一过程中平台的沉浮稳性进行计算和校核。

2.1均匀下沉

均匀下沉过程首先起始于平台由拖航工况吃水压载至沉垫完全入水，然后平台逐渐均匀下沉，最终压载至沉垫完全入泥，达到正常作业工况要求。根据平台不同的吃水设定不同的沉浮稳性计算工况，计算工况编号及说明如表3所示。对于表3中平台艏与艉的设定，如图3所示，下文提到的平台艏艉均与此设定相同。

图3　坐底式平台艏艉设定

表3　均匀下沉过程中沉浮稳性计算工况

根据以上工况来设定不同的压载情况。在平台的均匀下沉过程中，通过调节沉垫中各液舱的注入量(即满舱系数)来实现所要求的吃水和平衡[4]。不同吃水和平衡状态下各液舱的满舱系数可以通过软件计算得到。

2.2倾斜下沉

倾斜下沉过程首先起始于平台由拖航工况吃水压载至沉垫完全入水(倾斜下沉1、2工况)，然后调节压载使平台不断下沉，同时控制平台发生纵倾，直至艉端沉垫与海底接触(倾斜下沉3～8工况)，之后艏端再以艉端沉垫处为支点慢慢下降，平台姿态不断调整直至平台坐底，最终压载至沉垫完全入泥，达到正常作业工况要求(倾斜下沉9～13工况)。由于平台艏端设有直升机甲板，其面积较大且不可入水，因此在倾斜下沉过程中设定平台艉端沉垫先接触海底。根据倾斜下沉过程中的不同阶段确定适当的吃水和倾斜角度，并以此来设定倾斜下沉过程中的沉浮稳性计算工况，如表4所示。

2.3均匀起浮

均匀起浮过程首先起始于平台由正常作业工况卸载至沉垫完全出泥，然后平台逐渐均匀起浮，最终达到拖航工况吃水。设计均匀起浮为均匀下沉的逆过程。

2.4倾斜起浮

倾斜起浮过程首先起始于平台由正常作业工况卸载至沉垫完全出泥，然后调节压载使平台的艏端以艉端为支点慢慢起浮，再使艉端慢慢抬起，调平平台，最终达到拖航工况吃水。设计倾斜起浮为倾斜下沉的逆过程。

3稳性校核准则

根据CCS颁布的《海上移动平台入级规范》(2012)、《DNV-OS-C301_Stability and Watertight Integrity》等规范[5-7]，本项目中对于坐底式平台的沉浮稳性采取以下校核准则：

(1) 在整个下沉过程中，经自由液面修正后的初稳性高，对均匀沉浮应不小于0.15 m，对倾斜沉浮应不小于0.05 m；

(2) 如满足(1)的要求，则可同意采用下沉时压载程序的逆程序作为平台起浮时的卸载程序；

(3) 沉浮稳性计算中的计算水深应计入平台陷入海床的深度。

此外，在平台的倾斜下沉或起浮过程中，平台应具有足够的浮力和稳性，具体要求如图4所示：

(1) 平台的静倾角应不大于25°；

(2) 平台的复原力矩在静倾角与进水角或稳性消失角(取较小者)之间至少存在7°的正值范围。

4平台沉浮稳性分析

4.1均匀下沉

坐底式平台在均匀下沉过程中的沉浮稳性校核结果如表5所示。由于均匀下沉工况13为正常作业工况，沉垫已经完全入泥，故不校核其沉浮稳性。通过表5可以看出，在均匀下沉所有工况下，平台的沉浮稳性均符合规范要求。其中，最危险工况为均匀下沉7，即平台均匀下沉至吃水9 m时，此时平台的初稳性高为1.491 m。

4.2倾斜下沉

坐底式平台在倾斜下沉过程中的沉浮稳性校核结果如表6所示。通过表6可以看出，在倾斜下沉所有工况下，平台的沉浮稳性均符合规范要求。其中，最危险工况为倾斜下沉12，即平台平均吃水为15 m，静倾角为0°时，此时平台的初稳性高为1.791 m。复原力矩曲线如图5所示。

表6　倾斜下沉过程的沉浮稳性校核结果

图5　复原力矩曲线

4.3两种方案对比

现将均匀沉浮压载方案与倾斜沉浮压载方案中平台的初稳性高进行对比，以平台平均吃水为横坐标，各个工况下的初稳性高为纵坐标，将两种方案的十二种工况进行比较，如图6所示。可以看出，均匀下沉方案中，随着平台吃水不断增加，从3.2 m～4.0 m，平台初稳性高快速下降，这时主要是沉垫入水过程。由于沉垫横截面很大，故而平台稳性丧失较快。在之后的工况中，主要是平台立柱浸没过程，在这期间水线面为立柱的横截面且面积不大，故初稳性高缓慢下降。最后平台完全坐底。在倾斜下沉方案中，沉垫入水，平台开始压载并出现纵倾后，初稳性高曲线呈缓慢增长的趋势。至艉部沉垫与海底接触后，随着平台姿态的调整，初稳性高缓慢下降，直至平台完全坐底。

通过对比可以发现，倾斜下沉时平台的初稳性高始终大于均匀下沉时平台的初稳性高。并且均匀下沉时，在平台沉垫入水后，该平台的稳性始终处于一个较低的水平。倾斜下沉方案对于平台的稳性更有保障。因此，推荐选择倾斜沉浮压载方案作为平台最终的压载方案。但是倾斜下沉方案中平台将经历三个不同的下沉阶段，包括刚开始的均匀下沉、紧接着的倾斜下沉以及最后的着底调平。整个过程中对于压载的布置、平台姿态的监测与控制、现场的调度、人员的操作等方面提出了较高要求，在实际作业中需要加以注意。

图6　两种下沉方案的初稳性高比较

5结论

本文针对坐底式平台的沉浮稳性进行了校核，结果表明平台的设计可以满足沉浮稳性的规范要求。同时对于坐底式平台的下沉过程进行了分析，设计了均匀下沉和倾斜下沉两种压载方案。通过比较，倾斜下沉方案在平台稳性方面要优于均匀下沉方案。因此最终推荐倾斜下沉方案作为平台最终的压载方案，其逆过程作为平台上浮的方案。

参考文献

[1]潘斌,胡铁牛,苑金民. 坐底式平台沉浮稳性[J]. 中国海洋平台,1996(5):28-30.

[2]梁永超. 浅海坐底式平台设计中影响平台起浮的几个问题[J]. 中国海洋平台, 2003(1):42-43.

[3]田海庆. 浅海水域坐底式平台安全定位措施与监测技术[J]. 中国海洋平台, 2007(4):37-38.

[4]盛振邦.船舶静力学[M].北京：国防工业出版社, 1984.

[5]中国船级社.海上移动平台入级规范[S]. 北京：人民交通出版社，2012.

[6]IMO A649(16)．Code for the Construction and Equipment of Mobile Offshore Drilling Units[S]．1989．

[7]DN-OS-C301．Stability and Watertight Integrity[S]．2010．

作者简介：李亚军(1984-)，男，博士，工程师，从事海洋结构设计研究。

中图分类号P75

文献标志码A

Research on Sinking and Floating Stability of Bottom Supported Platform

LI Ya-jun, ZHANG Wen-xu

(China Ship Research & Design Center, Wuhan Hubei 430064, China)

AbstractThe sinkng and floating stability of a bottom supported platform is checked with the use of SESAM. Equable sinking scheme and inclined sinking scheme are designed for the sinking and sitting on the seabed of the platform. After comparision and analysis, inclined sinking scheme is recommended for the sinking and sitting on the seabed of the platform.

KeywordsBottom supported platformSinking and floating stabilitySESAM