基于压载水法的半潜平台倾斜试验

刘钢东，周喜宁，李子凡

(1.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226000;2.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226000)

半潜钻井平台完工交付之前，为了验证平台的可变载荷是否满足合同设计要求，需要测量平台的空船重量及重心位置，以便在实际装载过程中得到一个准确的浮态。常规船舶或半潜平台倾斜试验通常采用压铁达到倾斜，对于大型散货船或者起重船，也有采用压载水作为配重，而对于半潜平台由于压载舱液位测量限制，基本都是采用压铁进行倾斜试验。且半潜平台在倾斜试验时，倘若码头水深不够，则需要在海上试验，采用压铁在海上试验时间长、风险大、成本高。为了提高试验效率，提出采用驳运压载水的方法进行半潜平台的倾斜试验。中国船级社《船舶倾斜试验与静水横摇试验实施指南》也同意在难以采用固体重量块的情况下，经主管机关同意，可采用压载水作为试验重量。以1艘半潜钻井平台为研究对象，实船试验分析各阶段参数的敏感性。

1 试验吃水

试验平台基本参数及试验仪器见表1。

表1 平台基本参数及试验仪器

(1)

(2)

那么，平台实际测量计算得到的重心高度与理论中心高度的偏差可通过下述公式计算得到：

(3)

平台在不同吃水下，由于摆锤测量误差1%引起的垂向重心高度变化见表2。

表2 不同吃水下垂向重心高度试验误差

由表2可知，倾斜试验因不同吃水导致的重心高度偏差随吃水增加而减少，在浮箱吃水(10 m以下)计算得到的重心高度误差约为立柱吃水(10 m以上)的10倍。由于在吃水11～13 m之间设有4根径为2 m的横撑，导致在该区域进行倾斜试验产生的误差较立柱其他吃水大。因此，本平台的试验吃水需在14 m以上，本次试验的吃水选取15 m。

2 试验准备

2.1 压载系统能力

平台设计初期，为了减少建造成本，减少管路布置，一般按照左右浮箱配置两套独立的压载系统。而倾斜试验为保证平台在试验期间排水量保持不变，压载系统不应与外界压载水进行交换，因此，在确定设计方案之前需确定平台压载水系统是否能够通过自身驳运压载水倾斜平台。本平台的压载系统原理见图1。

图1 压载系统原理示意

由图1可知：通过控制艏艉压载泵以及压载舱18P/S和25P/S的进水阀，可使平台艏艉倾斜，且倾斜角度满足试验要求。

2.2 驳运压载水自由液面影响

为了减少驳运压载水对垂向重心高度影响，驳运压载舱应尽量选择在倾斜方向上自由液面较小且形状规则的舱室。试验选取形状规则且纵向长度仅2 m的立柱压载舱WB18P/S和WB25P/S作为驳运压载舱。通过查询舱室测深表，每个压载舱的纵向自由液面FMSL对平台重心高度产生的影响见表3。

表3 驳运压载舱自由液面影响

由表3可知，选取的驳运压载舱总的最大自由液面对平台重心高度产生的影响不到0.1%，可以忽略不计。

2.3 压载舱液位测量

由于半潜平台作业时的稳性要求，平台的压载舱需要布置在浮箱和立柱区域，进而压载舱一般不能布置测试管，而船级社为了保证数据测量的准确性和可校验性，一般要求手动测量压载舱液位，将液位传感器则作为辅助工具进行校验。因此，选定的驳运压载舱除形状规则，自由液面影响小以外，在试验过程中，人员还需能够进入压载舱安全的测量驳运压载舱的液位。

试验选取的驳运压载舱结构形式见图2。

图2 驳运压载舱结构图

该舱内部设有3层平台，每层平台高度为2 m，每层平台之间通过交错布置的直梯上下，但是由于在每层平台直梯下端设有防止人员掉落的钢制格栅，且标尺穿过格栅孔保证标尺垂直与压载舱，因此人员不能直接对标尺进行读数。试验时，人员通过顶部人孔进入驳运压载舱，并在每层平台上采用工业内窥镜穿过平台格栅对准液位，通过视频信号读取每次驳运的压载水液位。

3 误差敏感性分析及实船试验

影响半潜平台倾斜试验垂向重心高度的因素有临时重量统计，摆锤读数，U形管读数等。采用单一变量法，保持其他参数不变，只改变其中一个变量来评估该变量对重心高度的影响。

3.1 临时重量影响

临时重量统计必要且繁重。

试验中的临时重量一般分为两类，一类是具有设备资料的重物，该类重物的重量可通过资料查询得到，在试验过程中默认这类重物的重量是1个准确值。第二类重量无法通过相关资料查询得到，一般通过经验估算得到，该类重量统计误差较大。

(4)

式中：为无设备资料临时重量总和；为单独的临时重量；为随机因子；为随机范围。

通过设定随机范围可计算得到无设备资料的临时重量总和，之后依据试验测量得到不同随机范围下的垂向重心高度。

以随机范围=0为参照组，设定随机范围分别为±5%、±10%、±15%，以不同随机范围下的无设备资料临时重量总和作为变量输入值(见图3)，计算得到空船状态下不同随机范围下的垂向重心高度，见表4。

图3 可变载荷误差计算流程

表4 不同随机范围下空船VCG变化差异

由表4可知，临时重量统计误差对平台重心高度影响很小。在称重不允许的情况下，可通过经验快速估算得到主甲板上临时重量。

3.2 摆锤读数影响

海上倾斜试验受环境条件的影响较大，为了降低环境条件对试验结果的影响，船级社要求试验期间风速不能大于蒲氏2级，如果条件不允许则可不大于蒲氏3级。可见试验期间，因为环境参数导致的摆锤读数误差范围波动不会太大，本试验吃水15 m，排水量=40 979.4 t，摆锤长度=11.585 m，无风条件下摆锤最大纵倾理论偏移量=0.292 2 m，考虑风以及读数误差影响，假设本试验摆锤理论读数与实际读数偏差分别为为±10、±20、±30 mm，分析平台垂向重心高度变化随摆锤读数误差的影响。

(5)

由表5可知，摆锤读数误差对平台重心高度较为敏感，特别是当读数误差超过30 mm时，其重心偏差达到0.7 m，因此，在试验期间应尽量控制摆锤读数在误差10 mm以内。

表5 摆锤读数误差引起的重心高度偏差

3.3 U形管读数影响

U形管数据测量一般受环境温度影响，如果试验期间温差变化较大，特别是采用软管作为U形管容易发生热涨冷缩现象，导致试验结果不准确，判断U形管是否发生热涨冷缩简单的方式是对每次驳运压载水后的U形管读数进行求和，如果试验期间，U形管每步读数总和基本保持不变，可忽略本次试验中热胀冷缩的影响。试验U形管布置在船中，长度=11.005 m，试验过程中U形管总读数基本不变，最大纵倾角时液位变化较初始值差mm，由于U型管读数仅受平台纵摇影响，其误差较小，假设读数误差在±5，±10 mm时，依据式(5)，其对重心高度的影响见表6。

表6 U形管读数误差引起的重心高度偏差

由表6可知，U形管读数误差引起的重量高度与摆锤影响基本一致，但是由于U形管读数受环境因素较小，其引起的重心高度绝对误差比摆锤小。

3.4 实船试验

为了提高试验效率和精度，采取以下措施。

1)对于主甲板上大型临时设备重量，通过查询设备资料得到，对于散装的临时重物通过经验估算得到。

2)摆锤位置布置在避风位置，且摆锤油槽内采用粘度较高的油品。

3)U形管中间的段采用浸湿的防火毯包裹，防止其与主甲板接触，减少热胀冷缩风险。

采用上述方法和措施，仅3 h便完成了海上倾斜试验，试验结果见表7，试验过程和试验结果均满足船级社规范要求。

表7 实船试验结果

4 结论

1)半潜平台倾斜试验吃水需在立柱区域。

在浮箱吃水测量得到的重心高度误差约为在立柱吃水的10倍左右。

2)半潜平台采用压载水进行试验的基本条件：压载水能够进行内部驳运，并且能够进行手动测量液位，同时该压载舱在倾斜方向上自由液面足够小。

3)半潜平台各测量设备中，摆锤读数对重心高度影响最大，临时重量统计对重心高度影响较小；在温差较大时，采用软管作为U形管需考虑热涨冷缩作用。

4)通过实船试验验证了半潜平台上采用压载水进行倾斜试验的可行性。