移动式海洋平台破舱稳性优化分析

柏 健，诸俊楷，蒙占彬

（1. 中石化胜利石油工程公司 钻井工艺研究院，山东东营 257000；2. 上海惠生海洋工程有限公司，上海201210；3. 北部湾大学 机械与船舶海洋工程学院，广西钦州 535011）

0 引言

移动式海洋石油平台在海上主要靠拖航来进行移位，海上气候瞬息万变，有时候会出现恶劣工况，这对平台的漂浮稳性带来了很大考验。在破舱进水工况下，平台有可能会单舱或者多舱进水，这使得平台有沉没的危险。破舱有很多原因，外因主要为操作不当发生碰撞、遇到海中障碍物等；内因主要为船厂施工质量等。

在海洋平台设计中，若能提前采取提高破舱稳性的措施，在不影响平台生产性能的前提下提高平台的破舱稳性。

海上安全生产和拖航是各个海上油田一直高度重视的问题。从之前的事故中吸取教训，在海上平台遇到险情后及时采取补救措施，使个别舱室的险情不至于加剧，这对提高海洋平台的拖航安全非常重要。

本文对海上石油平台拖航时的的破舱稳性原理和计算衡准进行阐述，基于MOSES 程序进行精细舱室建模和分析，并提出提高破舱稳性的改良优化措施和平台发生破舱后的补救措施，以期改善平台拖航的安全性。

1 破舱稳性模型

本文的计算模型为胜利油田海上某平台，采用MOSES 稳性计算程序进行建模计算。该平台为4桩腿自升式修井平台，主要用于油田试油和修井。平台主体为长方体箱形结构，设有4 根圆柱形桩腿，艏部和艉部各布置2 根，桩腿下端设有桩靴，桩靴可完全收回平台体内。在MOSES 稳性分析软件中建立平台主体模型和各舱室模型，见图1。

图1 平台破舱稳性MOSES 计算模型图

按中国船级社（China Classification Society，CCS）《海上移动平台入级规范》（2020）的衡准对拖航状态的破舱稳性进行计算。

自升式平台在来自任何方向，风速为25.8 m/s的风倾力矩作用下，破损水线应低于可能发生继续进水的任何开口下缘。

自升式平台在经受任何单个舱室进水后的剩余稳性应满足式（1）要求[1]：

式中：Ros为稳性范围；θm为稳性消失角；θs为单个舱室进水后的静倾角。

剩余稳性的衡准是关于各个方向的，对舱室的要求较高。

2 在平台设计中提高破舱稳性的新方法

2.1 增设电动隔舱

对于海洋平台来说，平台主体边角处大面积舱室的破舱稳性一般比较差，目前船级社对剩余稳性的要求非常严格，要求对各个方向的剩余稳性都要合格。国内对于移动平台稳性的分析较多采用NAPA 和MAXSURF 软件，而MOSES 软件的应用相对较少，且研究对象大都为自升式移动平台和半潜式移动平台[2]，但MOSES 软件的的优势在于破舱稳性建模的程序比较灵活。大边舱破损后破舱剩余稳性曲线见图2，破损剩余稳性衡准表见表1。经计算，270°的剩余稳性满足要求，180°和225°的剩余稳性不满足要求。

为保证平台满足破舱稳性，通常做法是将该压载舱进行分隔，也就是分成2 个水密舱室。这样即使满足破舱稳性，但也会给后期使用带来诸多不便。在采用该方式分隔后，压载舱不得不增加一些压载管线和吸口，而油舱、淡水舱、污液舱等舱室会存在计量、抽吸等方面的麻烦。

因此，在进行总布置设计时，对这种破舱稳性比较差的舱室增设活动隔舱，在舱底增加可伸缩的电驱动垂直可伸缩隔板，利用密封件使隔板和舱壁之间达到水密状态。在拖航时，通电驱动隔板上升到主甲板高度，即可有效分隔为2 个水密舱，显著改善破舱稳性。在站立工况时，通电驱动隔板下降到平台底部，不影响舱室的正常使用。电动隔舱示意图见图3。

图3 电动隔舱示意图

2.2 透气管的集成化

当平台破损时，进水口一般是位于平台主甲板四周一圈的透气管，透气管高度不到1 m，在平台破损后倾斜到该位置时会发生进水。由于透气管一般在舷侧，只要水漫过主甲板就很容易达到进水口。为提高破舱稳性，可在设计时使进水点离开舷侧危险位置。如果平台主甲板有合适的空间，可将各个舱的透气管集成到一个透气管模块中，集中进行舱室换气。为提高破舱稳性，该模块应尽可能布置在平台主甲板靠近中心的位置。此外，为保护模块不进水，要进行除集中透气孔外的水密设计。透气管集成模块示意图见图4。

图4 透气管集成模块示意图

2.3 舱室布置设计

为提高破舱稳性，主机舱、泵舱、油气外输舱等面积较大的机械舱室要尽可能布置在平台中部。对于确实无法在中部布置的舱室，要采取在舱室的舷侧方向增加空舱分隔、底部增加双层底等方法提高剩余稳性。对于设备高度和尺寸较小的机械舱室，可通过增设二层台对设备进行叠加。双层底、空舱和二层台设计方案见图5。在计算破舱稳性时，对开口、渗透率和破损范围等进行定义，需要重点关注靠舷边的通风筒、机舱泵露天甲板的舱口围，以及风雨密外开门门槛等容易忽视的风雨密开口[3]。

图5 双层底、空舱和二层台设计方案

2.4 穿舱管系优化设计

在平台舱室破损后，舱内管系也会有损坏的可能。特别是对于舱室底部的管系，在破舱后如果遇到一些障碍物的挤压，很可能发生连续破损。很多管系都是穿舱的，如果因为舱底的管系损坏造成相邻舱室进水，这对破舱稳性非常不利。在穿舱管系的设计和施工布置中，若穿舱管系相连的2 个舱室间没有关闭阀，则管子不得穿透连接舱室的纵向边界，也不得越过舱室的最外边界。

3 破舱事故后的补救方法

在平台舱室进水后，一般会发生倾斜，当舱室进水严重时，平台有可能发生沉没事故。然而，平台沉没往往是个缓慢的过程，在破舱后采取一些补救措施，可以最大限度的延缓沉没的过程，争取救援的宝贵时间。

3.1 增加碎波装置

平台在海上发生破舱后，主体进水倾斜，这时候如果遇到大风浪，不但会加剧平台的摇摆，还很有可能会增加破损程度。必须考虑波浪力的影响，波浪力会对破舱后的平台产生倾覆力，特别是在恶劣海况下，由波浪和平台共同产生的惯性力，会导致很大的倾覆力矩威胁平台的安全。

波浪力的大小随波高的增大呈现几何级数增长。根据这一规律，在平台上预备若干个电驱动喷射装置（见图6），在受波浪影响较大的位置对波浪进行喷射，降低实际作用于平台的有义波高，减少平台的倾斜风险。如果多个电驱动喷射装置一起启动喷射，碎波效果会更为明显。

图6 碎波装置示意图

3.2 增加支撑装置

对于平台发生破舱的位置水深较浅或离码头很近的情况，可以在平台上预备一些可连接的支撑杆，类似钻杆有接头。在平台破损后，可根据平台破舱进水后的倾斜方向，在进水舱上方的主甲板上临时安装伸出平台的固定架，固定架上有槽，利用平台吊机吊起支撑杆，下放到固定架的槽中。根据水深和支撑架的倾斜角度，连接多个支撑杆，一直到支撑杆稳定的支撑到海底为止。随后，将支撑杆和固定架刚性连接，使支撑力传递到平台。这种方法虽然繁琐，但对平台破舱后的支撑有显著效果，可有效防止平台沉没和持久不断进水等问题。支撑装置示意图见图7。

图7 支撑装置示意图

3.3 增加临时浮箱

参考多体船增加破舱稳性的原理，多储备一些充气浮箱。在平台发生破舱进水后，为及时防止平台倾斜的继续增大，对破损位置临时焊接一些固定支架，将充气浮箱充气后放到水中，将其和固定支架相连。该方法简单实用，适合用于平台沉没速度较慢的破舱事故。这些浮箱的浮力支撑可有效的=增加惯性矩，延缓甚至停止平台的继续倾斜，防止事故的发生。

4 结论

海洋平台总体设计是平台安全保障的第一站，至关重要，如能在设计时尽可能的考虑提高破舱稳性，对平台的后续使用会产生良好的安全效果。本文提出的一些改善破舱稳性的设计思路，是在参照稳性基本原理和破舱稳性衡准的基础上总结而成。平台破舱后采取的补救方法也有多种，本文列举的方法可根据实际海况和水深条件选用。在平台总布置设计中可以考虑增加功能舱室或者房间，对补救设备进行专门存放。本文的研究成果可为移动式海洋平台设计和应急预案制作提供一定参考。