深水半潜式生产平台整体倾斜试验技术研究及验证

李 勇， 王 嘉， 朱传超， 张庆营， 李长亮

(海洋石油工程(青岛)有限公司，青岛 266500)

0 引 言

陵水17-2深水半潜式生产平台是我国自主研发建造的全球首座十万吨级深水半潜式生产储油平台，用于开发我国首个1 500 m深水自营大气田——陵水17-2气田，为全球首创半潜平台立柱储油平台，最大储油量近2×104m3，实现了凝析油生产、储存和外输一体化功能[1]。倾斜试验是船舶/浮式装置交付之前需要进行的一项重要试验，是通过调整移动重量使船体产生横倾来求得该产品建造完工后实际重量和重心位置的一种有效方法，以便提供给作业者能在各种运营状态下迅速而又简便的方法校核平台稳性。深水半潜式生产平台作为一种海上浮式装置，同样需要采用倾斜试验的方式来确定平台的实际重量和重心位置，由于平台的结构形式不同于常规船舶，有其自身的特点，本文就深水半潜式生产平台倾斜试验的技术关键点、试验方案、试验实施、试验结果等方面进行了阐述。

1 技术关键点

1.1 试验水深要求

该平台由两部分组成，一是由底部浮箱和4个立柱组成的船体部分，二是包含生活楼、透平发电机组、预热回收装置、干/湿气压缩机组、三甘醇再生装置、乙二醇再生装置、火炬臂以及凝析油、水处理、公共系统等的上部组块，该平台主要尺寸如表1和图1所示。

表1 陵水17-2半潜式生产平台主要参数Tab.1 Main parameters of Lingshui 17-2 semi-submersible production platform

图1 陵水17-2半潜式生产平台Fig.1 Lingshui 17-2 semi-submersible production platform

船体与上部组块整体大合拢后，需要进行倾斜试验，以确定该平台的实际重量和重心位置。根据设计计算，本船的空船重量约为49 000 t，空船吃水为9 m，在不考虑其他因素的情况下，在保证船舶纵倾和横倾符合试验前提的条件下，倾斜试验应减少配载，降低自由液面对试验数据的影响，按照此种情况考虑，倾斜试验时吃水在9.5 m左右，试验水深11 m即可以满足要求。但该平台的底部浮箱顶部安装了6个SSIV阀门保护框架，尺寸较大，最大高度为4.8 m。这些保护框架的水线面面积将因船舶横倾角度的变化而变化，如果试验时框架处在水线面位置，由于试验时水线面面积变化，将对倾斜试验的数据产生很大影响。为消除该影响，只有增加该平台的试验吃水，将保护框架完全浸没在水中，为此，试验时所需要的平台吃水为

T=T1+H+h=9.0 m+4.8 m+1.5 m=15.3 m

式中，T1为浮箱吃水；H为保护框架最大高度；h为最大横倾角时，保护框架不露出水面，框架顶部距水面的距离，h=(49.5/2+18)m×tan 2°≈1.5 m，最大横倾角按照2°考虑。

根据CB/T 3035—2005《船舶倾斜实验》4.3条“船舶四周(包括水下)应有保证船舶在试验过程中处于自由漂浮与自由横倾状态。不致触及任何障碍物的空间”的要求，结合本船倾斜试验时的最大角度和安全裕量，要求试验时的最小水深为15.3 m+1.5 m=17.8 m。

1.2 多余和不足重量统计

多余和不足重量的统计数据将直接影响倾斜试验的结果，进而涉及倾斜试验的成败，因此在倾斜试验前期，多余和不足重量的统计是最重要的一项工作，也是倾斜试验的重要一环。

1.2.1 要求

根据各船级社以及船舶标准关于多余和不足重量的要求，试验时，难以达到空船状态时，可允许存在少部分的多余重量或不足重量，但均不应超过设计空船排水量的1%，试验所需移动的重量及必要的压载和试验人员不受上述多余重量的限制。

1.2.2 定义

根据中国船级社《海上移动平台入级规范》(2020年)，空船重量系指整个平台的结构重量连同永久安装于平台上的机械、设备和舾装件，包括固定压载、备件以及机械和系统中保持正常工作时的介质，但不包括贮存在液舱或备用供应舱内的液体、消耗品或可变载荷、贮存物品、人员及其个人物品的重量。空船重量包括平台上固定灭火系统中介质(如淡水、二氧化碳、干粉、泡沫浓缩液等)的重量。

多余重量是指超出上述空船重量要求的所有物体的总重量，比如施工用工机具、脚手架、临时施工用料等材料的重量[2]。尤其是舱室、各种罐体、工艺管道等内的残留液体，残留液体会产生自由液面，将对试验数据产生很大的影响，多余的液体若无法清除，则需要将该液体的详细数据进行统计，自由液面产生的结果统计到计算数据内。试验所需移动的重量及必要的压载和试验人员不受多余重量的限制，但需要进行详细的统计，用于压载的液体若有自由液面的存在，同样需要在计算时进行考虑。

不足重量是指属于船舶自身的设备/材料，但由于某种原因在倾斜试验时未进行安装的设备/材料的重量。倾斜试验一般选择在船舶完工状态或接近完工状态时进行，不足重量涉及的比较少，但也需要对照完工状态，把未安装或未施工的项目进行详细统计。

1.2.3 与常规船舶的区别

(1) 海洋油气平台与常规船舶的陆地建造完工状态是存在一些差别的，常规船舶完成码头系泊试验、试航后，就可以交付给船东，直接投入运营，完工状态较好。而海洋油气平台则有所不同，陆地交付后，在海上会有一些施工工作，这就造成海洋油气平台在陆地阶段无法完全达到“空船状态”，比如搭设的脚手架需要保留到海上施工完毕才能拆除等。

(2) 海洋油气平台上安装大量的罐体设备，在平台建造阶段，部分罐体基于调试的需要，需要注入介质，按照倾斜试验的要求，这部分介质属于“多余重量”部分。由于涉及的罐体比较多，罐体的存液状态统计不清楚的话，将对倾斜试验产生很大影响。

1.2.4 统计时的策略

多余重量和不足重量的统计是一项烦琐而又细致的工作，稍有差错，将对试验结果产生很大影响。根据多条船倾斜试验的经验，对于多余重量和不足重量的统计采取如下策略，将会事半功倍。

(1) 严格按照《倾斜试验大纲》给出的统计模板进行统计填写，并且将多余重量和不足重量分开进行统计。

(2) 分专业、分类别进行统计，并提前由建造板块各专业负责人进行初步统计。

(3) 每次进行现场状态检查时，有针对性地检查，而不是看到什么记录什么。

(4) 统计时“前松后紧”，空船状态检查一般在倾斜试验前3～4周开始进行，前期检查时，只需要进行粗略的记录和统计，并将检查结果通知相关方，并要求施工单位在倾斜试验前进行整理，该施工的进行施工，多余的物品进行清理。最后一周或最后两次的检查，则需要详细的记录多余或不足物品的位置、重量、重心等信息。最后一次的检查，是船东、第三方、设计、建造等各方的一次联合检查，检查完毕后，需要各方在统计表格上签字。

(5) 舱室、罐体内的多余残留液体的检查和清理，需要进行专项安排，该项工作宜提前进行。为减少残留液体的清理工作量，需要结合设备调试、舱室试验等调试项目的需求，统筹考虑，减少舱室、罐体进水的数量。

2 试验方案

2.1 重量转移方式

该试验采用水压载的重量作为试验的移动重量的方法，通过调载不同压载舱中的压载水，使平台产生横倾角并记录数据，进而计算出平台的重心位置[3]。压载水的调载使用平台自身的海水提升泵、排载泵、管线和阀门控制系统，因此在倾斜试验前，涉及调载的相关设备、管线等需要完成调试，具备使用状态。每次转移的压载水重量，根据需要达到的横倾角度计算得出，转移重量为100 t、 70 t……交替进行。

2.2 调平配载

该平台空载状态下的吃水为9 m，倾斜试验吃水为15.3 m，需要进行压载以满足试验吃水的要求。全船共28个压载舱，24个压载舱分布在底部环段，4个压载舱位于立柱内。为达到试验吃水及横倾要求，可通过配载计算，采用如下配载方案：

(1) 选取5个底部压载舱注满海水进行压载，舱室注满水的目的是避免试验时产生自由液面。

(2) 使用4个底部横面积较小的压载舱作为重量转移的舱室，结合每个舱室的最大转移重量以及排载泵的性能，4个舱室内加注同等重量的压载水。4个舱室压载水的自由液面产生的力矩在最终计算时需要考虑在内。

(3) 使用4个立柱内的压载舱作为调载舱室，舱室内的注水量一是满足平台吃水达到试验吃水的要求，二是平台横倾在试验要求的范围之内。4个舱室压载水的自由液面产生的力矩在最终计算时需要进行考虑。

2.3 测量工具

该试验测量工具采用摆锤+油槽的方式，共设置3套，分别布置于平台的前中后3个位置。摆锤悬线的长度应满足倾斜时摆锤至少向一边发生150 mm的位移，相关要求可以参见MSC.267(85)《2008年国际完整稳性规则》中关于倾斜实验的相关要求[4]。悬挂摆锤的摆线应使用不易伸缩的钢丝线，摆锤四周安装上翼板并完全浸没在介质中，另外，油槽中的介质最好使用黏度系数大的油品，其目的是平台横倾后摆锤能迅速停止摆动，便于读得精确位移值。调整摆线、油槽以及油槽上刻度尺的位置，确保在试验过程中，摆线不与刻度尺和油槽发生碰撞，摆锤不触底。另外，油槽、刻度尺、摆线的挂点进行适当的固定，确保在整个倾斜试验过程中均不能有任何移动。

2.4 试验水域及带缆方案

根据试验吃水的要求，倾斜试验水域要求水深至少17.8 m，且平台四周(包括水下)应留有充分的空间，保证在试验的过程中平台不触及任何障碍物。

为保证倾斜试验时的船舶稳定，不发生漂移，试验过程中需要进行系缆，并且需要拖轮进行全程协助。系泊缆的布置原则是在满足安全要求的情况下尽量减少缆绳数量，系泊缆的方向应沿着船长方向进行布置，同时系泊点应尽量靠近中纵剖面，缆绳高度尽量靠近水线面，该平台的系泊图如图2所示。为减少缆绳对试验数据读取的影响，在试验过程中的数据读取阶段，缆绳必须是松弛的，不能受力[5]。

图2 带缆示意图Fig.2 Platform with mooring line

图3 力矩曲线图Fig.3 Torque curve

3 试验过程及结果

在准备工作完毕后，空船检查状态符合倾斜试验的条件，在风力不超过三级的条件下进行倾斜试验。按照船级社批准的《倾斜试验大纲》要求的试验步骤进行该试验，主要过程如下：

(1) 组织业主、设计、船级社等各方对多余和不足重量进行现场检查和确认。

(2) 按照压排载方案将该半潜平台调载到要求的吃水，对于本平台而言，需要将吃水调载到15.3 m。

(3) 按照带缆方案进行系缆，将半潜平台拖至试验水域。每次读数时，必须在缆绳松弛、不受力的状态下读取；在压载水调载过程中，为保持半潜平台的位置，缆绳可以受力。

(4) 记录初始状态下摆锤的位置，以及读取半潜平台的四角吃水。

(5) 按照《倾斜试验大纲》要求的试验步骤进行压载水的调载及读取摆锤的数据，共8个阶段。每一步调载完毕后，待摆锤稳定后方可读取数据，数据读取完毕后，由技术人员进行计算，确定数据合理无误后方可进行下一步。

(6) 所有步骤完成以后，根据记录的数据进行初步计算，取得参与试验各方的认可后，倾斜试验结束。

通过该试验得到的移动重量力矩曲线图如图3所示，结合相关数据，进而得到该平台的实际重量和重心位置，试验结果满足设计要求。

4 结 语

深水半潜式平台与常规船舶的倾斜试验在试验原理、方法、计算等方面是一样的，本文通过对深水半潜式平台倾斜试验的研究和验证，在技术关键点、试验方案、实施时的关注点等方面对后续该类型平台的倾斜试验提供了参考，有利于我国海洋石油深水装备建造的顺利实施。