自升式平臺的濕拖航安全性

CCS海工技術(shù)中心 李 凌

國際海事組織（IMO）在其出版的《2009年海上移動(dòng)式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(以下簡稱“MODU Code”)中新增了對自升式平臺破損殘余穩(wěn)性的要求(3.4.1)，已于2012年1月1日生效。就在新版MODU Code生效前十幾天，俄羅斯在役的最大自升式鉆井平臺之一Kolskaya于2011年12月18日中午在從西勘察加半島前往庫頁島Zyryanskaya海灣濕拖過程中遭遇風(fēng)暴，最終由于風(fēng)浪打破舷窗導(dǎo)致平臺中部艙室進(jìn)水沉沒。此次自升式平臺的傾覆沉沒事故再次引起世界范圍對自升式平臺破損穩(wěn)性不足所導(dǎo)致的拖航安全問題的高度關(guān)注。本文將以IMO新增要求為中心，介紹其產(chǎn)生的背景、特點(diǎn)及影響。

新要求的背景

截止目前，在全球已發(fā)生的所有海洋工程裝置事故中，自升式平臺所占比例最高。在這些事故中，因平臺在濕拖過程中遭遇強(qiáng)風(fēng)暴導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損、艙室進(jìn)水致使穩(wěn)性不足最終傾覆沉沒的例子占據(jù)了較大比例，例如：1976年的Ocean Express、1977年的Ocean Master II、1979年的渤海2號、1983年的Key Biscayne、1988年的Rowan Gorilla I、1989年的Interocean II、1990年的West Gamma、1998年的Mr.Bice以及2011年的Kolskaya等。

通過對這些事故的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)在自升式平臺濕拖過程中遭遇強(qiáng)風(fēng)暴的傾覆事故幾乎有著相同的發(fā)展模式，從拖纜斷裂喪失航向控制能力，到主甲板水密完整性喪志、艙室進(jìn)水最終傾覆。

自升式平臺傾覆事故發(fā)生的頻率之高，尤其是1988年至1990年連續(xù)三年共損失了三座平臺的慘痛教訓(xùn)，促成了平臺拖航安全技術(shù)工作組（JSIT）于1991年成立。該工作組由英國衛(wèi)生與安全管理局（UK HSE）、挪威海事局（NMD）、船級社、油公司、鉆井承包商、平臺業(yè)主、設(shè)計(jì)公司和船廠等組成。在1991年至1995年間，該工作組做了大量工作，主要包括對以往平臺在濕拖過程中發(fā)生傾覆事故的調(diào)查分析、對當(dāng)時(shí)業(yè)界穩(wěn)性規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究、及對自升式平臺適拖性及風(fēng)險(xiǎn)分析研究等。通過這些研究工作，工作組得到一些重要的結(jié)論，一是所有平臺在濕拖過程中遭遇風(fēng)暴導(dǎo)致傾覆均是在破損狀態(tài)下發(fā)生的，而保持完整狀態(tài)的平臺無一傾覆；二是現(xiàn)行完整穩(wěn)性的標(biāo)準(zhǔn)能使平臺很好地抵御強(qiáng)風(fēng)暴而不致傾覆；三是利用定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法確定了平臺在濕拖過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，提出了降低風(fēng)險(xiǎn)的具體方法，并指出導(dǎo)致設(shè)備和主體損壞的最大潛在危險(xiǎn)因素是惡劣天氣。

1990年，UK HSE提出對平臺所有艙室的分艙制定相應(yīng)要求是提高平臺濕拖安全性的有效方法?；赨K HSE提出的觀點(diǎn)，美國船級社開展了相關(guān)工作以制定出新的穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)，他們通過研究發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)只關(guān)注了因碰撞而導(dǎo)致的平臺外圍艙室破損的情況，卻忽視了導(dǎo)致平臺傾覆事故發(fā)生的實(shí)際直接原因。

統(tǒng)計(jì)資料顯示自升式平臺中部艙室進(jìn)水才是導(dǎo)致平臺穩(wěn)性急劇下降甚至最終傾覆的直接原因。為此，美國船級社邀請業(yè)界相關(guān)單位組成了一個(gè)委員會，旨在制定出新的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以彌補(bǔ)因?qū)Ψ峙撘蟛蛔愣鴮?dǎo)致的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)漏洞。委員會成員通過研究發(fā)現(xiàn)中部艙室的進(jìn)水源并非舷側(cè)或底部，而是在主甲板以上，且進(jìn)水艙室多為中間的操作性艙室而非液艙或空艙。

最終，以主要限制和指導(dǎo)自升式平臺中部艙室劃分為方向的新要求制定路線被確定下來。通過大量的研究、調(diào)查、計(jì)算、分析和實(shí)驗(yàn)，自升式平臺新的破損穩(wěn)性要求于2004年率先寫入美國船級社的移動(dòng)鉆井平臺規(guī)范，隨后于2009年納入IMO MODU Code。目前，該要求已寫入中國船級社、挪威船級社等全球各主要船級社的移動(dòng)平臺規(guī)范當(dāng)中，且均已生效。

新要求的特點(diǎn)

中國船級社《海上移動(dòng)平臺入級規(guī)范（2012）》（已于2012年7月1日正式生效）在對IMO新要求充分理解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對其在表達(dá)形式上做了更為精煉的總結(jié)：

自升式平臺在經(jīng)受任何單個(gè)艙室浸水后的剩余穩(wěn)性應(yīng)滿足下式要求，詳見圖1：公式中：

RoS——穩(wěn)性范圍，度；

θm——穩(wěn)性消失角，度；

θs——單個(gè)艙室浸水后的靜傾角，度。

其中，穩(wěn)性范圍的確定與進(jìn)水角無關(guān)。

圖1 新要求對應(yīng)靜穩(wěn)性曲線示意圖

新要求在形式上較簡單，但具有鮮明的特點(diǎn)，通過對這些特點(diǎn)的分析，可使我們更加深入地體會和理解新要求的內(nèi)涵及自升式平臺穩(wěn)性的特點(diǎn)。

新要求以對剩余穩(wěn)性最小要求的形式來對平臺艙室劃分提出了要求從而使平臺在艙室進(jìn)水后仍能有足夠的穩(wěn)性來抵抗傾覆。為何要以剩余穩(wěn)性的形式來做要求而非其他形式？除了剩余穩(wěn)性還有可以通過對其他因素提出要求來保證平臺進(jìn)水后的穩(wěn)性，比如：艙室大小、剩余浮力、進(jìn)水后的初穩(wěn)性高度等。

原因是這些因素都各自有弊端，單純地對平臺艙室的大小或儲備浮力加以限制或要求而不考慮艙室的位置是不科學(xué)的，因?yàn)榭蓪?dǎo)致平臺傾覆的進(jìn)水艙室體積隨著其型心距離平臺主體中心越遠(yuǎn)而越?。煌瑫r(shí)，對進(jìn)水后的最小初穩(wěn)性高度加以要求也不能保證平臺的安全，比如當(dāng)平臺中部一個(gè)較大艙室進(jìn)水，平臺主體表現(xiàn)出可無明顯地傾斜下沉至水面接近平臺干舷甲板的程度，由于平臺水線面并沒有降低而使得平臺的初穩(wěn)性高度很大，但此時(shí)平臺極易受到風(fēng)浪的影響而產(chǎn)生傾覆的危險(xiǎn)。而對平臺剩余穩(wěn)性加以要求則可以避免這些問題。

新要求中明確了不需要考慮風(fēng)的影響，這是因?yàn)榇罅康哪Ｐ驮囼?yàn)表明平臺傾覆通常朝向來波方向，風(fēng)傾力矩和平臺最終傾覆聯(lián)系很小，不考慮風(fēng)的影響還可大大簡化計(jì)算工作，使新要求更具操作性。

新要求中還明確了不需要考慮進(jìn)水的影響，這是因?yàn)橥ㄟ^水密和風(fēng)雨密開口進(jìn)水的情況已經(jīng)在完整穩(wěn)性和已有在50節(jié)風(fēng)速下的破損穩(wěn)性要求中考慮周全，且進(jìn)水角往往大于剩余穩(wěn)性的限制。

值得注意的是，新要求雖然主要用穩(wěn)性特性來限制平臺中部艙室的體積，但外圍艙室也應(yīng)滿足新要求，這是為了避免一些設(shè)計(jì)中出現(xiàn)中部艙室的艙壁成為平臺船體外壁的一部分的情況。

業(yè)界充分認(rèn)可了原有50節(jié)風(fēng)速下的破損穩(wěn)性要求對平臺主體外圍艙室的劃分要求，故新要求在對外圍艙室的要求方面不宜更加嚴(yán)格，這是一個(gè)基本原則，再通過分析對比大量模型試驗(yàn)結(jié)果，對試驗(yàn)的保守性和現(xiàn)役自升式平臺的使用情況等因素加以綜合考慮后，最終擬合出了新要求的最終數(shù)學(xué)表達(dá)式。

新要求的影響

新要求對自升式平臺的破損穩(wěn)性主要產(chǎn)生了兩方面的影響：其一，合理、有效、簡便地加強(qiáng)了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對自升式平臺中部艙室劃分的指導(dǎo)；其二，提高了對自升式平臺破損穩(wěn)性的要求。

新要求對自升式平臺破損穩(wěn)性要求的提高最直接的體現(xiàn)是在平臺的許用重心高度上，自升式平臺的許用重心高度是由完整狀態(tài)許用重心高度和破損狀態(tài)許用重心高度合并而成。下面將通過兩個(gè)實(shí)例來說明新要求對自升式平臺破損許用重心高度的影響。

在新要求生效后，平臺破損狀態(tài)許用重心高度同樣由兩部分合并而成，第一部分由原50節(jié)風(fēng)速下的要求確定，第二部分由新要求確定。下兩圖分別顯示了我國建成不久的兩座三角形自升式鉆井平臺（簡稱J1和J2）的破損許用重心高度曲線，可以看出新要求比原50節(jié)風(fēng)速破損要求所對應(yīng)的平臺許用重心高度在全部設(shè)計(jì)吃水范圍內(nèi)對于J1降低了2米左右，對于J2降低了2至6米。

圖2 J1破損穩(wěn)性許用重心高度曲線

圖4和圖5分別顯示了J1和J2在新要求下確定許用重心高度的艙室（陰影部分）所在位置示意圖，這兩個(gè)大艙均為中部機(jī)械艙室，有此可見新要求對自升式平臺中部艙室的劃分起到了很大的影響。如果能更加合理地減小這兩個(gè)艙室的體積，則其對應(yīng)平臺的破損穩(wěn)性許用重心高度將會有所提升，即在平臺實(shí)際重心高度不變的前提下，將提高平臺的抗傾覆能力。

圖3 J2破損穩(wěn)性許用重心高度曲線

圖4 J1基于新要求的破損狀態(tài)許用重心高度決定艙室

圖5 J2基于新要求的破損狀態(tài)許用重心高度的決定艙室

IMO對自升式平臺破損穩(wěn)性的新標(biāo)準(zhǔn)以簡單的形式和便于使用操作的特點(diǎn)，合理、有效地加強(qiáng)了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對自升式平臺中部艙室劃分的指導(dǎo)，也必將對今后自升式平臺的設(shè)計(jì)發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。