海洋平台稳性计算分析

2021-05-06尹艳徐岭峰张星杜玉春

船海工程 2021年2期

尹艳，徐岭峰，张星，杜玉春

(1.上海外高桥造船有限公司，上海200137；2.沪东中华造船(集团)有限公司，上海200129)

作为海洋油气开发生产的主力，浮式生产储油装置(FPSO)具有广阔的市场潜力[1]。确保FPSO的稳性是评估其能否在某一固定海域安全稳定工作的重要指标。分析多艘承建的自升式钻井平台及FPSO等海洋平台的设计和建造，发现每一种类型的海洋平台在计算稳性时，需要考虑的关键点有所不同。为了快速计算不同船型的稳性，同时为公司承建的海洋平台项目的顺利开展提供技术支持，明确不同海洋平台稳性计算方法显得尤为重要。有2型平台值得关注。首先，自升式钻井平台的船型比较特殊，长宽比接近1。而FPSO一方面是油气生产装置，另一方面具有船舶的特性，因此在计算稳性时，考虑的规范比较多元。为明确不同海洋平台稳性计算方法，以自升式平台和FPSO为例，对风模型的建立、风载荷计算及风向角等关键问题进行对比分析，找出共性和差异。

1 分析对象

通用型FPSO，除上部生产模块外的船体重量约为7.6万t，原油日处理能力为10万～25万bbl，储油能力200万bbl，满载排水量为46万t。FPSO平台的主尺度见表1，侧视图见图1，船体三维模型见图2。

表1 平台的主尺度 m

图1 侧视图

图2 船体三维模型

2 风载荷计算

无论是自升式钻井平台还是FPSO，在稳性计算中，都应该考虑风载荷的不利影响。对于自升式钻井平台而言，其结构型式比较特殊，长宽比接近1，在计算时，需要考虑360°全方位风载荷的影响。因此在建风模型时，水面以上需要全方位建模，见图3。

F=0.5CsChρV2A

(1)

式中：Cs为形状系数；Ch为高度系数。

图3 自升式钻井平台风模型

计算风载荷不仅需要考虑形状系数，还要考虑高度系数。对于一些特殊的结构，如平台的桁架式桩腿，可将其等效为圆柱进行计算[2]。

而对于FPSO而言，由于长宽比值较大，因此只需要考虑受风面积最大的一面，纵剖面受到稳定风压的作用，因此不需要考虑360°方向的风载荷，见图4。

图4 FPSO风模型

稳性衡准由风压倾侧力臂来衡量，力臂计算公式如下，从中可知，面积矩的值是关键。

稳定风：Lw1=P·A·Z/9810Δ

(2)

突风：Lw2=1.5·Lw1

(3)

式中：P为风压，Pa；Δ为排水量，t；A为水线以上的侧投影面积，m2；Z为面积A的中心到水下侧面积的中心的垂向距离，m。

采用NAPA软件进行建模，建立profile(侧面)，并计算FPSO的受风面积及面积矩，计算的吃水范围为7～12 m，见表2。

表2 FPSO受风面积及面积矩

3 开口定义

根据规范对水密完整性的定义，将船舶/平台上的开口分为3类，分别为非保护性开口、风雨密开口和水密开口[3]。在详细设计阶段，计算完整稳性时，需要对非保护的开口的高度进行假定，根据载重线公约规定，对于通风筒的高度有明确的最低高度要求，在“位置1”的通风筒，其围板应至少高出甲板以上4.5 m；而在“位置2”的通风筒，其围板应至少高出甲板以上2.3 m。等到了完工阶段，根据实际开口的位置再次进行稳性计算。其中无保护的开口主要包括，尾部消防泵间、机修间、集控室、中控室及变压器间等的鹅颈式通风口，推进器舱的通风口及相应舱室的百叶窗，总共27个非保护性开口。在破舱稳定性计算时，不仅考虑无保护开口，还需要考虑风雨密开口，但不需要考虑水密人孔盖与平舱口盖、遥控水密滑动门以及永闭式舷窗等可以水密关闭的开口。

4 完整稳性

4.1 校核衡准

自升式钻井平台，在拖航迁移过程中，通常需要把桩体升起，桩靴抬升至主船体内。这种状态下，平台的重心大幅度升高，受风面积显著增大。为校核这种漂浮状态下的平台温性，需要对风载荷进行准确的计算。根据规范要求，自升式钻井平台在拖航迁移过程中，需要考虑100 kn(近海拖航假定的风速为70 kn)风速，校核360°内不同风向的风载荷对平台稳性的不利影响。平台的稳性衡准参考《海上移动式钻井平台构造和设备规则 2009》( MODU Code 2009)[4]相关要求。

因FPSO兼有船舶特性海工产品特点，因此在计算稳性时，需要同时考虑MODU Code 2009、IS CODE 2008[5]以及MARPOL[6]规范要求。在NAPA软件中有相应的衡准代码，如下所示，具体的衡准要求应参考相应的规范，此处不具体展开。

1)IS CODE： V.AREA30， V.AREA40，V.AREA3040， V.GZ0.2，V.MAXG25，V.GM0.15，V.IMOWEATHER；

2)MODU Code 2009：MODU.WEATHER。

4.2 许用重心高计算

从许用重心高度曲线可以直接看出：在相应的工况下FPSO是否满足稳性要求。计算吃水范围为7.0～12.0 m，纵倾为-3～0 m的工况下，得到的许用重心高度曲线见图5。

图5 许用重心高

4.3 装载工况下计算结果

在计算完整稳性之前，需要计算风载荷、定义稳性横准及进水点定义，同时考虑空船、调试、拖航等工况[7]，采用NAPA软件进行配载，为稳性校核做准备。需要关注2种工况。

1)在FPSO拖航状态中，MARPOL第18条对FPSO压载舱的总容量也是有所规定，换言之对压载吃水有要求。

一是规定了最小的压载吃水Dm。

Dm=2+0.02Lf=

2.0+0.02×325.393=8.50 m。

二是规定了最大的纵倾值，也就是压载状态下纵倾值Tr不得大于以下计算结果。

Tr=0.015Lf=0.015×325.393=4.88 m。

其中Lf=96%×85%型深处的船体长度。但是压载舱的舱容也不宜过大，过大的舱容会增加建造成本。

2)MARPOL第27条，符合良好操作且在液货过驳作业的过程中的情况下，最恶劣装载工况下的任何营运吃水，也应满足完整稳性衡准要求。

不同装载条件下的纵倾和完整稳性计算结果见表3。由表3可见，所有加载条件均满足规则的完整稳定性准则。

表3 不同加载条件下的纵倾和完整稳定性的结果

5 破舱稳性

由于FPSO虽然是属于海工产品，但考虑到运输储存的是原油，因此在计算拖航过程中的破舱稳性时需要同时考虑MARPOL和MODU公约。

5.1 破损假定及破舱定义

MARPOL和MODU公约对破损假定的定义见表4、5。

表4 MARPOL对破损假定

根据破损假定，进行破舱组合，根据MODU Code要求，总共定义了14种组合。

根据MARPOL要求，定义了22种舷侧破损，10种底部破损，总共32种组合。

列举一种组合D32：C.O.T. 7(C), SLOP COFFERDAM (PS), AFT MACHINERY SPACE,

表5 IMO MODU CODE对破损假定

MGO STORAGE TANK 2(PS), FUEL DRAIN TANK, DB VOID 7 (PS), DB VOID 6 (C)，见图6。

图6 MARPOL要求下的破舱定义D32

5.2 残余衡准及渗透率

5.2.1 MARPOL

一旦舱室发生破损后，平台在浸水的最后阶段，此时所产生的横倾角不得超过25°；但如果这一角度增至30°(V.MAXHEEL.M)，那么甲板边缘无浸没现象。在这种状态下，复原力臂曲线在平衡点以外的范围至少为20°(V.RANG.M)；最大剩余复原力臂，至少为0.1 m(V.MINGZ.M)；并且在复原力臂曲线下围成的区域应不少于0.017 5 m·rad(V.MINAREA.M)，则该稳性可以认为是足够的。除非该开口所在处所是假定浸水的(V.PROGR.M)，否则在上述范围内无保护的开口不允许出现被浸水的情况。

由于舱室破损而导致相应处所浸水，其渗透率见表6。除了供装载物料的处所和机器处所，其他处所都定义为0.95。

5.2.2 IMO MODU CODE

上述破损情况下，考虑在51.5 m/s(100 kn)的风速下，平台应该具有足够的储备稳性承受风压倾侧力矩。同时满足以下衡准条件：进水后的最终水线应在任何向下进水的开口下缘以下(V.MODU.SURF)，亦即进水点应该在第一个交点之后，见图7。由破损处浸水的渗透率可知，除了机器处所0.85外，其他处所都定义为0.95。