增刊１（总第１３７期） ２０１４年３月 船舶设计通讯 Ｅｘｔｒａ ｅｄｉｔｉｏｎ １（Ｓｅｎａ１ Ｎｏ．１３７） Ｍａｒｃｈ ２０ｌ４ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＩＰ ＤＥＳＩＧＮ 自升式钻井平台稳性计算分析 吴晓莲 （上海船舶研究设计院，上海２０１２０３） ［摘 要］自升式钻井平台由于其特殊的船体特征，稳性计算与常规船型区别较大，计算的关键在于确定完整和破损情况下的 极限重心高。在分析自升式钻井平台风倾力矩、完整稳性和破舱稳性计算要点的基础上，应用ＮＡＰＡ软件给出了某３５０英尺自 升式钻井平台的稳性计算过程，阐述了风模型的建立，吃水范围、风向角间隔以及初始重心高的取法等关键点。 ［关键词］自升式钻井平台；稳性；风倾力矩；ＮＡＰＡ；风模型 ［中图分类号】Ｕ６７４．３８ １ ［文献标志码］Ａ ［文章编号］１００１—４６２４（２０１４）增刊１－０００８—０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｌｆ－ｅｌｅｖａｔｉｎｇ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｒｉｇ Ｗｕ Ｘｉａｏ－ｌｉａｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍｅｒｃｈａｎｔ Ｓｈｉｐ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｌｆ－ｅｌｅｖａｔｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ ｗａｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｈｉｐｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｈｕｌｌ ｓｈａｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｇｒａｖｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｈｅｅｌｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔａｃｔ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｇａｖｅ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ３５０ ｆｔ Ｊａｃｋ－ｕｐ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＡＰＡ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｒｏｆｉｌｅ，ｄｒａｕｇｈｔ ｒａｎｇｅ，ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ ｒａｖｉｇｔｙ ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｌｆ－ｅｌｅｖａｔｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｇ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｗｉｎｄ ｈｅｅｌｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔｓ；ＮＡＰＡ；ｗｉｎｄ ｍｏｄｅｌ Ｏ前言 自升式钻井平台因其能够适用于不同的海底土 壤条件和百米的水深范围。在全球得到广泛应用。 １ 风倾力矩计算 自升式钻井平台的稳性计算主要考察复原力矩 和风倾力矩之间的关系。所以准确计算风倾力矩对 稳性计算结果具有重要的影响。对于常规货船，规 范规定其纵剖面受稳定风压的作用，相应地产生一 个在所有横倾角下均为定值的风倾力矩。自升式钻 井平台则不同，由于平台的长宽比接近于１，所以需 要考虑来自任何方向的风载荷对平台的影响（见图 １）。另外，由于平台甲板上有较多的钻井设备，还有 平台工作时，靠其桩腿支撑站立在海底，因而能够提 供稳定的钻井场地。这种平台具有机动灵活、移动 性能好等特点。平台拖航时的稳性对主尺度的确定 和优化，桩腿形式和高度的选取都有重要影响。国 际海事组织（ＩＭＯ）的《海上移动钻井平台的设备和 建造规则》以及各船级社的《海上移动平台的入级和 建造规范》都规定了自升式平台稳性计算的要求。 美国造船师协会（ＳＮＡＭＥ）编写的《自升式平台设计 桩腿、上层建筑等受风面积较大的处所，所以对应不 同的横倾角，受风面积不同，风倾力矩也不同。 在计算中，对无限作业区域的自升式平台．在正 指南》对稳性计算也给予了一定的指导。稳性计算 的要点是确定风倾力矩。在此基础上计算完整和破 损情况下的极限重心高。 常作业以及拖航工况，其最小设计风速３６ｍ／ｓ（７０ｋｎ）； 自存工况对应的最小设计风速则为５１．５ ｒｎ／ｓ（１００ｋｎ）。 ［收稿日期］２０１３—０７—０５；［修回日期】２０１４—０２—２８ ［作者简介］吴晓莲（１９８３一），女，工程师，从事船舶总体开发和设计工作。 ８ ３破舱稳性计算 一裹系麓 列吃水下，对一应不同破 时旺：球１＂ 一Ｉ／．Ａ － 效的 一系 ９ 增刊１（总第１３７期） ２０１４年３月 船舶设计通讯 Ｅｘｔｒａ ｅｄｉｔｉｏｎ １（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１３７） Ｍａｒｃｈ ２０ｌ４ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＩＰ ＤＥＳＩＧＮ １）水平穿透深度：１．５ ｍ；以及垂直范围：自底板 向上无限制。 ２）位于假定的水平穿透范围内的有效水密舱壁 下的不同破损情况的极限重心高。确定极限重心高 的方法与完整稳性一致。 之间或其最近台阶部分之间的距离．应不小于３．０ｍ： 否则，一个或几个相邻舱壁应假定不存在。 ３）如果小于１）中假定范围的破损会导致更为 严重的情况，则应考虑这种较小范围的破损。 ４算例 以某一３５０英尺（１英尺－－－０．３０４ ８ｍ）自升式钻井 平台为例，利用ＮＡＰＡ软件，给出了稳性计算的主要 ４）凡处于１）中所述破损范围内的管路、通风 系统、围壁通道等，应假定均遭破损。在水密限界处 应设有可靠的关闭设施，以防止预定为完整的其他 处所发生继续浸水。 在上述破损情况下。平台应有足够的储备稳性 来承受来自各个方向的风速为２５．８ ｍ／ｓ（５０ ｋｎ）的风 载荷的作用，同时满足以下衡准：进水后的最终水线 应在任何向下进水的开口下缘以下，即进水点必须 在复原力矩和风倾力矩的第一个交点之后（见图４）。 ／／—＼ ＼ 复原力矩 Ｖ Ｒ 风倾力矩 第— 交点 Ｉ／ ／ ／ ／ 进水角 ＼ 二个。 点 ０． 横倾角 ＼ 图４破舱稳性复原力矩和风倾力矩曲线 ＩＭ０于２０１２年１月１ Ｅｔ生效的２００９ ＭＯＤＵ ＣＯＤＥ对破损之后平台的残余稳性增加的要求按式 （２）计算。式（２）中的符号含义见图５。 ＲｏＳ＞￣７。＋（１．５０，） （２） 式中：冗ｏ．ｓ——稳性范围； 一 不小于１０。； ——最大正稳性角，（ｏ）；此处不考虑进水角。 ——破损后稳定倾斜角，（。） 图５残余稳性复原力矩曲线 计算破舱稳性时，ＮＡＰＡ软件会根据破损情况 判断最危险的风向，所以不需要分别计算各个角度 ｌ０ 过程。该平台的主要参数如表１所示。 表１ ３５０英尺自升式钻井平台主要参数 主船体型长 ６５．２５ ｍ ２１４英尺 主船体型宽 ６４．００ ｍ ２１０英尺 主船体型深 ８．ｏ０ ｍ ２６．３英尺 桩腿总长 １４３．３５ ｍ ４９０英尺 桩腿中心的横向距离 ４３－３０ｍ １４２英尺 桩腿中心的纵向距离 ３９．３０ｍ １２９英尺 桩靴高度 ３．９Ｏｍ ｌ２．８英尺 稳性计算的首要步骤是建立风倾力矩的计算模 型（见图６）。可以利用ＮＡＰＡ ＳＴＥＥＬ的结构布置表 格将主要构件的轮廓以面的形式给出。软件会根据 风向计算出各个构件的受风面积以及压力中心，然 后求和得到整体的风倾力矩。在建模过程中，建立 主要构件，比如主体、井架、悬臂梁、桩腿、吊机以及 上层建筑等的模型就可以满足计算要求，像绞车、通 风筒、储藏室等可以忽略。 图６风倾力矩的计算模型 完整稳性极限重心高曲线的确定首先需要给出 一系列吃水，最小吃水通常取为空船重量对应的吃 水附近，最大吃水通常取为设计吃水以上１．０ ｍ左 右，该平台的吃水范围定在３．０ｍ～５．５ ｍ之间。该平 台左右舷几乎完全对称，所以风向角只需考虑 ０～１８０。。在初步的试算中，可以给定一个吃水，比如 ４．０ ｒｎ。风向角分别以５ｏ和１５。为一个间隔进行计 昊晓莲：自升式钻井平台稳性计算分析 算．结果显示两个间隔对应的极限重心高相差仅为 Ｏ．Ｏ１ ｍ，所以在实际计算中可以直接以ｌ５。为一个间 隔，在保证计算精度的同时节省计算时间。利用二 分法寻找极限重心高时。初始状态最小和最大重 心高的选取也很关键。通常可以取最小的重心高为 １．０ ｍ，最大的重心高为平台的总高，这个范围基本 包含了满足规范要求的极限重心高。表２和表３分 别给出了油田拖航和远洋拖航对应不同吃水的极限 重心高。从表２和表３中可以看到，对应不同的吃 水，最危险的风向角有所不同。 表２油田拖航对应的极限重心高 吃水／ｍ 风向角，（。） 极限重心高／ｍ ３．０ ７５ ５５．５４ ３．５ ｌ０５ ５１．１５ ４．Ｏ １２Ｏ ４５．２５ ４．５ １２０ ３９．７９ ５．Ｏ １２０ ３４．２３ ５．５ ｌ２０ ２９．０４ 表３远洋拖航对应的极限重心高 吃水／ｍ 风向角，（。） 极限重心高，ｍ 、 ３．０ ７５ ４４．６Ｏ ３．５ ｌｏ５ ４１．８４ ４．０ １２０ ３７．７２ ４．５ １２０ ３２．６５ ５．０ １２０ ２７－２５ ５．５ １２０ ２２．１５ 破舱稳性的计算类似于普通货船的确定性方 法，需要根据不同吃水（吃水范围同完整稳性计算） 给出初始工况，根据破损范围确定破损情况。对应 不同破损情况的最危险风向角的确定。ＮＡＰＡ提供 了几种不同的方法，对自升式钻井平台，可以选用风 向为与对应的破损情况产生的横倾垂直的方向 （ＨＤＩＲ）。ＩＭＯ的规范只规定了边舱破损的情况．但 ＡＢＳ的规范附加了底部舱室破损和机器处所破损 的情况，不过计算表明，对破舱稳性极限重心高起决 定性作用的一般都是边舱破损的情况 表４和表５分别给出了油田拖航和远洋拖航对 应的破舱稳性和残余稳性的极限重心高，从表４和 表５中可以看到，由于在油田拖航和远洋拖航过程 中破舱稳性的计算都是基于２５．８ ｍ／ｓ的风速进行 表４油田拖航破舱稳性和残余稳性对应的 极限重心高 ｍ 吃水 破舱稳性对应的 残余稳性对应的 极限重心高 极限重心高 ３．０ ６７．１２ ６０．１０ ３．５ ５７．６２ ５０．６６ ４．０ ４８．５８ ４３．２２ ４．５ ４０．６３ ３６．９８ ５．０ ３３．７２ ３１．４６ ５．５ ２７．２８ ２６．２７ 表５远洋拖航破舱稳性和残余稳性对应的 极限重心高 ｍ 吃水 破舱稳性对应的 残余稳性对应的 极限重心高 极限重心高 ３．０ ６９．９５ ６０．１Ｏ ３．５ ５９．８６ ５０．６６ ４．０ ５０．６６ ４３．２２ ４．５ ４２．７ｌ ３６．９８ ５．Ｏ ３５．８３ ３１．４６ ５．５ ２９．５６ ２６．２７ 的，理论上极限重心高应该一致，但远洋拖航过程 中，桩腿锯掉了３０．５ ｍ，受风面积减小，所以远洋拖 航的极限重心高要大一些。残余稳性只与平台自身 破损后的抗倾覆能力有关，与风倾力矩无关，所以两 种情况对应的极限重心高一致。 ５ 结语 自升式钻井平台的稳性计算主要是确定完整和 破损情况下的极限重心高，可以利用ＮＡＰＡ软件来实 现。风倾力矩的计算需要确定主要受风构件及其形状 系数；完整稳性的计算则应确定吃水范围、进水角、风 向角间隔以及初始重心高位置。对应不同的吃水。最 危险的风向角有所不同：破舱稳性的计算则需要确定 初始工况、破损工况以及进水点，对破舱稳性极限重 心高起决定性作用的一般都是边舱破损的情况。 ［参考文献］ ［１］ＩＭＯ．Ｃｏｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｏｆｆ－ ｓｈｏｒｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｕｎｉｔ［Ｓ］．２００９． ［２］ＳＮＡＭＥ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｏｆｒ Ｓｉｔｅ Ｓｐｅｃｉｉｆｃ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｏｂｉｌｅ Ｊａｃｋ－Ｕｐ Ｕｎｉｔｓ［Ｓ］．２００２． １１
