某海上钻井平台的重量重心控制研究

杨淅铭

摘    要：重量重心控制是海洋工程项目管理的重要内容，它关乎海工产品是否符合规范要求及达到额定性能。本文基于某海上钻井平台的实船项目为研究对象，阐述海上钻井平台在设计、建造过程中重量重心控制的重要性，分析重量重心控制的要点和方法。相比于船舶项目，钻井平台特殊的结构和设备在重量重心控制过程中将体现其差异性。

关键词：海洋工程;海上钻井平台;重量重心控制;设计和建造

中图分类号：TE37                                   文献标识码：A

Abstract： The weight and center of gravity control is an important part of the ocean engineering project management， and is is related to whether engineering products meet the requirements of the rules and achieve rated performance. Based on the actual project of an offshore drilling platform， this paper expounds the importance of weight and center of gravity control in the design and construction of the offshore drilling platform， and analyzes the key points and methods of weight and center of gravity control. Compared with ships， the special structure and equipment of the offshore platform will show its difference in the process of weight and center of gravity control.

Key words： Ocean engineering; Offshore drilling platform; Weight and center of gravity control; Design and construction

1     前言

豐富的海底能源（石油和天然气）需要先进的海洋工程装备去勘探和开采[1]，钻井平台是能源开发的重要硬件支持。钻井平台在海上作业时面临恶劣的环境和复杂的工况，其重量重心控制在项目周期内均显得尤为关键。平台重量变化会影响甲板载荷指数，该指数决定了影响钻井效率的钻杆堆放数量;同时，重量重心变化也会影响平台的漂浮稳性，以及插桩和升船时升降系统的工作状况。钻井平台对于空船的重量重心数据要求极为严苛，其数值的变化直接影响平台的性能和效率。

2     项目简介

“TS-CJ46”项目是XX钻井公司委托招商重工设计、建造的CJ46-X100-D型号自升式钻井平台，项目总工期为22个月，平台完工后如图1所示。该钻井平台是一艘用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业的钻井平台，适合于世界范围内15～114.3 m水深各种海域环境条件的钻井作业，是典型的三条桁架式桩腿形式，桩腿长度153.4 m、最大钻井深度9 144 m。

该平台基本参数为：总长65.25 m、型宽62.0 m、型深8.0～7.75 m、设计吃水4.5 m;钻台位于悬臂梁尾部，悬臂梁采用X-Y双方向可滑动式，最大纵向移动范围为21.34 m、横向移动范围为6.1m;该平台设有四层生活区，可提供120人的就餐、住宿、医疗、办公和娱乐空间;直升飞机平台位于钻井船轴线前部，可满足停靠Sikorsky S-61N型直升飞机要求。

X-Y型悬臂梁滑移范围较广，平台的三条桩腿与升降装置在升船工况下对全船稳定性要求极高，一旦重心偏中就会使得升级设备与齿条直接的受力不均衡，增加设备负荷、降低工作寿命。

本项目规定了空船重量重心以基本设计方估算结果为基准，建造方在详细设计及施工阶段参照该预估值对全船的材料、设备重量进行监测并对所有项目实施控制和调整;合同双方明确了空船重量的衡准增加值的控制目标为100 t以下，建造方要编制重量重心控制计划书，分项列出偏离情况及对重量和重心的影响程度;船东方对于本项目的重量重心控制极为关注，并将其列为验收程序的重要部分，超出规定重量控制范围之内的任何设备和材料都不能被送上船，除非调整空船的重量与船东认可的一致。

3    重量重心控制的意义

3.1   重量的构成

钻井平台重量划分为两大部分：一是空船重量，即平台建造完工时的重量，不含任何装载重量;二是变动重量，如装载的货物、燃油、淡水、人员等，这部分重量会随着装载工况的不同而发生变化。本文所述的平台重量为空船重量，包括船体钢结构、舾装、轮机设备、电气设备、通风设备和机器运转所需的液体燃料（燃油、润滑油、液压油），以及升降装置、钻井包、井架等特殊装备[2]。

3.2   重量重心控制的重要性

海工项目的重量重心控制，是指控制其空船的重量重心达到设计要求的目标范围[3]。空船重量与变动重量是相互关联的，若空船重量超出设计范围，变动重量就无法达到目标值;如空船重量高于设计上限值，则甲板载荷将无法达到设计要求，影响钻井作业的性能，使钻井能力降低、钻杆的堆放数量减少等。

若空船重量严重超标，则直接影响平台插桩和升船作业，轻则导致升降装置超负荷工作，严重影响其设备性能和寿命;重则平台无法正常起升，需要重新调整平台的结构和设备。

若重量重心严重超标，不僅影响平台的稳性，而且在升船和插桩的工况下，三条桩腿的受力均衡会被打破，导致个别桩腿局部受力过大，增加平台作业的风险，长期过载工况也会缩短升降系统的寿命。因此，钻井平台的空船重量重心指数决定了其性能指标，与项目的经济性、安全性息息相关，其重要性不言而喻。

4    影响重量重心变化的因素

项目在基本设计和详细设计阶段计算重量重心的理论值，在生产设计阶段通过建模可准确导出计算值，待项目建造完工通过倾斜试验数据计算出实际测量值。该数值与设计阶段的理论值很难完全一致，但只要在合理的偏差范围内即可满足平台的作业性能。

平台重量重心的变动，其产生原因可归纳为以下几点。

4.1   船级社审图意见的修改

船厂依据规格书和基本设计资料，进行详细设计并将图纸送审船级社;船级社依据相关规范审核图纸和计算报告，提出审图意见，其中有部分修改意见会引起空船重量重心的变动，例如船板厚度调整、增加加强结构和开孔补强等。

4.2   生产设计的修改

考虑钢板利用率和板材规格等因素，生产设计阶段在整板（甲板、底板和外板等）划分板缝环节上会与详细设计有所区别，体现为厚板有可能加大尺寸，导致重量重心随之变化;另外，生产设计会结合施工条件，进行结构工艺优化和管路、风道和电缆的布置调整，也会导致重量重心的改变。

4.3   船东要求的修改

钻井平台的特殊性在于其设备的复杂化、多样化，船东往往会全程参与到舱室综合布置的设计过程中，并会提出一些修改意见，布置的调整直接影响全船的重量重心数据。

4.4   材料、设备重量的偏差

船体的重量重心理论值是依据钢板厚度和型材规格计算而得，往往与实际采购的材料板厚存在误差（规范要求是正公差），板厚偏差将导致平台重量的增加。

钻井平台是一整套复杂机械、设备运转作业的装置，包括主辅机、泥浆泵、升降装置、钻井架等大型机械设备，其重量重心都是根据设备资料数据为基础统计得出，而实际到货设备的重量与资料数值往往存在一定的偏差，导致空船重量重心的变化。

4.5   倾斜试验的可靠性

空船重量重心实际值是通过倾斜试验的数据计算得出，倾斜试验数据的可靠性是决定重量重心控制成功与否的主要因素。

5    重量重心控制的方法

5.1   成立专项控制小组

重量重心控制涉及到项目设计、建造、监理等工序，必须成立专项的控制小组。重量重心控制流程如下：详细设计阶段提出空船重量重心的控制目标，生产设计阶段导出计算值，在建造过程中要根据现场反馈的修改信息重新进行重量重心的核算;专项组长收集各专业的计算值，汇总计算出全船重量重心并定期更新，提出下一阶段的控制方向和要求;施工方严格按照设计图纸和工艺执行，将现场的修改及时反馈设计部;船东监理方负责监督控制过程的执行，审核每期的重量重心报告。

5.2   评估设计修改的影响

设计修改是导致空船重量重心变化的主要因素，应对可能影响到其变化的设计修改进行评估，根据影响程度反推修改方案是否合理，才能起到有效的控制作用。但是，船级社提出的审图意见是必须执行的，在控制过程中应给予评估并记录在案，为后期的重量重心计算提供数据基础。

5.3   结构分段及设备称重

由于钢板板厚存在公差，以及建造过程的焊接、油漆等重量不稳定因素，所以分段钢结构在预舾装完工后的实际重量与理论值会有一定的偏差，要求分段报验后进行称重记录，以更新实船的重量重心;钻井平台的设备是多样化的，往往这些大宗设备的实际重量与理论重量存在偏差，所以设备到厂后应对中大型设备进行称重并记录。一旦发现较大偏差要记录在案，为倾斜试验测得的实船重量重心偏差提供依据，并向船东监理方作出合理的解释。

5.4   编制重量重心报告书

编制报告书是实时了解重量重心信息的重要途径。报告书应采用直观的文字和图表描述全船重量重心的分布、控制目标、当前状态、变化趋势、原因分析以及后续的控制方向和措施等;报告书应伴随设计、施工流程进行定期更新，以便负责人掌控项目状态，督促各方严格控制。

5.5   划分重点区域

钻井平台根据作业工况的不同特点，划分为主船体、桩靴和桩腿、悬臂梁和钻台三大区域：钻井工况下，平台长期处于升船状态，此刻桩靴和桩腿对于重量重心没有影响;反之，悬臂梁向外伸出主船体，钻杆由井架钻到海床下，钻台同时会受到很大的反作用力，所以悬臂梁及钻台的重量重心直接影响平台的作业性能[5];主船体的重量则会影响甲板的载荷能力，即平台装载钻杆的数量。总之，对于钻井平台作业性能和经济效益的影响，由高到低的结构区域依次为：悬臂梁和钻台→主船体→桩靴和桩腿，重量重心控制工作主次分配应按此顺序执行。

6    重量重心控制

平台项目按专业划分为：船体结构;轮机设备;电气设备;管系和舾装。各个专业重量重心控制目标汇总，如表1所列。

根据理论计算和倾斜试验得到的空船重量重心数据，如表2所列。由表2可知，空船重量重心实际值均低于计算值，且处于目标值的控制范围，故可判定本项目的重量重心控制是成功的，平台的经济和操纵性能均可满足设计要求。

7    总结

重量重心控制是海工项目设计、建造的一项重要工作，涉及面广、周期漫长，需要得到相关各方足够的重视。由于钻井平台的复杂性，引起重量重心变化的因素较多，其中主要因素是设计修改和施工修改，在设计和建造过程中要加强管控，及时反馈重量重心的变化，并采取有效的控制措施，确保项目的圆满完工。

参考文献

[1]  王运龙. 自升式钻井平台方案设计技术研究[D]. 大连理工大学，2008.

[2]  陶永宏. 我国海洋工程发展现状[J]. 中外船舶科技，2009（3）：16-25.

[3]  邵国良，王新，彭飞等. 舰船重量重心控制系统设计[J]. 船海工程，2007，36（1）：11-13.

[4]  龚闽，赵国良，彭震宇. “中海油62”平台性能特点及重量重心控制[J]. 船舶工程，2012（5）：86-88.

[5]  任宪刚，白勇，贾鲁生. 自升式钻井平台悬臂梁研究[J]. 船舶力学，2011，15（4）：402-409.