某半潛船疊船系統(tǒng)下潛作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)性研究

王 輝，呂成飛，王秀娟，張玉明，李志勇

（1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，四川成都610095；2.中遠(yuǎn)海運(yùn)工程物流有限公司，遼寧大連116001）

0 引 言

隨著陸地已探明石油和近海石油儲(chǔ)量的逐步下降，深海油氣資源勘探開發(fā)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，與之相關(guān)的海上石油鉆井平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船等油氣開采設(shè)施相繼投入運(yùn)營(yíng)，這些設(shè)施大部分需長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)侥康牡?，相?yīng)地帶動(dòng)了半潛船，特別是大型半潛船的發(fā)展［1-2］。

半潛船作為一種用來(lái)運(yùn)輸海上大型結(jié)構(gòu)物的特種工程船，其載貨下潛作業(yè)的穩(wěn)性問(wèn)題一直備受關(guān)注。半潛船下潛作業(yè)時(shí)具有很高的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)完整穩(wěn)性有很高的要求。半潛船的完整穩(wěn)性分析工況主要有2 種，即：航行時(shí)的穩(wěn)性；下潛作業(yè)時(shí)的初穩(wěn)心高。針對(duì)半潛船半潛作業(yè)時(shí)的浮態(tài)和初穩(wěn)性，挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）和中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）等都給出了明確的規(guī)定［3-4］。半潛船的作業(yè)穩(wěn)性特點(diǎn)是當(dāng)主甲板剛完全浸沒(méi)時(shí)，船體水線面突然減小，初穩(wěn)心高驟減，已有文獻(xiàn)［5-8］研究了半潛船半潛作業(yè)過(guò)程中縱傾對(duì)其初穩(wěn)性的影響，但未考慮半潛船裝載貨物入水時(shí)產(chǎn)生的浮力對(duì)穩(wěn)性的影響。張泉［9］分析了箱型貨物對(duì)半潛船主甲板入水之后穩(wěn)性的改善，但僅對(duì)形狀規(guī)則且重量較小的貨物進(jìn)行了研究；劉旭等［10］分別對(duì)半潛船空載下潛和載貨下潛2 種狀態(tài)進(jìn)行了研究，并分別針對(duì)縱傾狀態(tài)和平吃水狀態(tài)繪制了橫穩(wěn)心高度hKM和初穩(wěn)心高度hGM等一系列特征曲線，但研究的荷載僅為鉆井平臺(tái)；張玉喜等［11］采用層次分析法研究了不同因素對(duì)半潛船潛裝作業(yè)的影響；陳偉等［12］針對(duì)半潛船的完整穩(wěn)性提出了很多改善穩(wěn)性的措施，并指出不能簡(jiǎn)單地將貨物作為載荷加到半潛船上，而應(yīng)考慮其對(duì)穩(wěn)性的貢獻(xiàn)，但未深入研究實(shí)際算例。

本文以某60 000 載重噸半潛船為例，基于Compass軟件建立半潛船及疊船模型，研究疊船工況下雙駁船的浮力對(duì)半潛船下潛作業(yè)時(shí)穩(wěn)性的影響。

1 某半潛船運(yùn)輸大件海洋結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)布置圖

以某60 000 載重噸半潛船為例，其主尺度見表1。該半潛船的作業(yè)工況為：在雙拖駁船上搭載井口平臺(tái)模塊，放置于半潛船甲板上（見圖1 和圖2），進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和在目的地下潛作業(yè)。

表1 某60 000 載重噸半潛船主尺度

圖1 疊船系統(tǒng)浮托安裝積載側(cè)視圖

圖2 疊船系統(tǒng)浮托安裝積載俯視圖

2 半潛船下潛穩(wěn)性衡準(zhǔn)

CCS對(duì)半潛船半潛作業(yè)時(shí)的穩(wěn)性［3］有詳細(xì)的規(guī)定，主要內(nèi)容如下：

1）半潛船滿載甲板貨物準(zhǔn)備下潛時(shí)，經(jīng)自由液面修正的初穩(wěn)心高度不小于1.00 m。

2）半潛船滿載甲板貨物在舉升甲板入水或出水過(guò)程中，其穩(wěn)性應(yīng)滿足下列衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。

（1）在基本無(wú)浪的平靜水域，當(dāng)蒲氏風(fēng)級(jí)不超過(guò)3 級(jí)時(shí)，經(jīng)自由液面修正的hGM不小于0.05 m；或當(dāng)蒲氏風(fēng)級(jí)不超過(guò)5 級(jí)時(shí)，經(jīng)自由液面修正的hGM不小于0.10 m。

（2）在蒲氏風(fēng)級(jí)不超過(guò)6 級(jí)、有義波高不超過(guò)0.5 m，或蒲氏風(fēng)級(jí)不超過(guò)4 級(jí)、有義波高不超過(guò)1.0 m的水域，經(jīng)自由液面修正的hGM不小于0.15 m。

3）當(dāng)半潛船下潛至最大沉深時(shí)，經(jīng)自由液面修正的hGM不小于0.50 m。

4）半潛船甲板上無(wú)承載物，在下潛或上浮的任何階段，經(jīng)自由液面修正的初穩(wěn)心高度均不應(yīng)小于0.15 m。

5）當(dāng)承載大型物件、船舶或海洋設(shè)施下潛作業(yè)時(shí)，可按承載物的實(shí)際位置和浮態(tài)計(jì)及其對(duì)穩(wěn)性的影響。

除了CCS對(duì)半潛船的穩(wěn)性有相關(guān)規(guī)定以外，DNV專門為半潛船和重吊船提供了重大件貨運(yùn)技術(shù)方案，并制定了一系列指導(dǎo)規(guī)范，要求船舶的hGM不能低于0.15 m［4］。

綜上，經(jīng)過(guò)對(duì)比CCS與DNV 關(guān)于半潛船下潛穩(wěn)性的標(biāo)準(zhǔn)，hGM＞0.15 m 是下潛穩(wěn)性衡準(zhǔn)的一個(gè)重要指標(biāo)［10］。

3 疊船系統(tǒng)下潛作業(yè)時(shí)的初穩(wěn)性

本文的研究對(duì)象是半潛船搭載2 層模型，重量大、重心高，若僅將其作為施加在半潛船上的載荷，則其在下潛過(guò)程中的初穩(wěn)性很小，會(huì)引發(fā)險(xiǎn)情，因此本文主要研究2 種情況，即不考慮駁船浮力和考慮駁船浮力，分別研究半潛船下潛過(guò)程中穩(wěn)性的變化規(guī)律。另外，若下潛過(guò)程中半潛船有一定的縱傾（艏傾），也可改善其初穩(wěn)性，因此分別考慮半潛船在平吃水下潛及艏傾2 m和艏傾4 m狀態(tài)下的穩(wěn)性。

3.1 不計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的穩(wěn)性規(guī)律

若不計(jì)入雙駁船的浮力，可簡(jiǎn)單地將雙駁船和井口平臺(tái)看作均布載荷。此時(shí)的計(jì)算工況和穩(wěn)性參數(shù)hKM、hGM的計(jì)算結(jié)果見表2，hGM和hKM曲線分別見圖3 和圖4。

表2 不計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的計(jì)算工況和hKM、hGM的計(jì)算結(jié)果

圖3 不計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的hGM曲線

圖4 不計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的hKM曲線

由表2、圖3 和圖4 可知，當(dāng)半潛船平吃水下潛時(shí)，在承載甲板入水之前，hGM值會(huì)隨hKM值的下降而大速率下降，但由于此時(shí)hKM值較大，hGM值在主甲板入水之前仍能保持較大的數(shù)值，例如該半潛船在吃水13.46 m處（主甲板高度為13.5 m，見表1）的hGM值能達(dá)到12.962 m。當(dāng)主甲板瞬間入水時(shí)，hKM值因水線面的大量丟失而驟減，而浮心距基線高度hKB幾乎沒(méi)有變化，此時(shí)船舶的初穩(wěn)性極差，hGM值在承載均布載荷情況下驟減至0.123 m。當(dāng)承載甲板入水之后，hGM值隨吃水的增加而緩慢增大。主甲板入水瞬間即為穩(wěn)性最差的時(shí)刻，主甲板入水前后浮態(tài)和穩(wěn)性參數(shù)見表3。

表3 不計(jì)入雙駁船浮力時(shí)主甲板入水前后浮態(tài)和穩(wěn)性參數(shù)（平吃水）

艏傾入水主要改善主甲板入水瞬間的hGM值，緩和平吃水時(shí)驟減的情況，且艏傾值越大，hGM值的改善情況越明顯。在貨物漂浮起來(lái)瞬間，由于此時(shí)的重量已完全由半潛船的壓載水艙提供，因此hGM值會(huì)有一個(gè)驟然增大的變化。

3.2 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的穩(wěn)性規(guī)律

由3.1 節(jié)的分析可知，僅將疊船系統(tǒng)看作半潛船的外載荷，hGM的最小值在平吃水時(shí)將達(dá)到0.123 m，在主甲板入水之后會(huì)在貨物漂浮之前維持0.500 m以下的水平，這是非常危險(xiǎn)的。在實(shí)際下潛過(guò)程中，駁船提供的浮力和水線面面積慣性矩都會(huì)使半潛船的下潛穩(wěn)性有所改善。因此，在建立雙駁船模型時(shí)，將雙駁船以附體的形式作為半潛船的一部分（視二者為一個(gè)整體）。同時(shí)，根據(jù)半潛船的靜水力表、駁船和井口平臺(tái)的重量數(shù)據(jù)，可反推出平臺(tái)和駁船的漂浮吃水為17.500 m，因此僅將駁船模型建立到4 m的高度。

計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的計(jì)算工況和hKM、hGM計(jì)算結(jié)果見表4，此時(shí)的hKM、hGM變化曲線相比未計(jì)入雙駁船浮力時(shí)平吃水情況下的hKM、hGM變化曲線見圖5 和圖6。

圖5 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的hKM曲線

圖6 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的hGM曲線

表4 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的計(jì)算工況和hKM、hGM計(jì)算結(jié)果

在主甲板入水瞬間，計(jì)入雙駁船浮力之后的hKM、hGM相比未計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的hKM、hGM有所減小，但減小幅度大大下降；同時(shí)，該駁船水線面面積隨吃水的增加而逐漸增加，因此hKM值會(huì)有一個(gè)逐漸增大的過(guò)程，hGM值增大的趨勢(shì)也非常明顯，不再有低于0.15 m的危險(xiǎn)值，直至疊船系統(tǒng)漂浮時(shí)，hGM值驟減至未計(jì)入雙駁船浮力時(shí)的數(shù)值。

仍以半潛船主甲板入水前后為主要觀察點(diǎn)，計(jì)入雙駁船浮力前后浮態(tài)和初穩(wěn)性參數(shù)見表5。

對(duì)比表4 與表5 可知，在平吃水狀態(tài)下，當(dāng)主甲板入水之后，駁船開始入水，提供了較大的水線面面積，此時(shí)hKB基本不變，排水體積略有增加，hGM仍在主甲板剛?cè)胨畷r(shí)驟減，但雙駁船對(duì)穩(wěn)性的貢獻(xiàn)效果明顯，hGM值由僅計(jì)載荷時(shí)的0.123 m增大到11.474 m。

表5 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)主甲板入水前后浮態(tài)和初穩(wěn)性參數(shù)（平吃水）

計(jì)入雙駁船浮力時(shí)艏傾下潛狀態(tài)下的hKM和hGM變化曲線分別見圖7 和圖8。

圖7 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)艏傾狀態(tài)下的hKM變化曲線

圖8 計(jì)入雙駁船浮力時(shí)艏傾狀態(tài)下的hGM變化曲線

從圖8 中可看出：在主甲板入水之前，艏傾使得半潛船的hGM值有所減?。辉谥骷装迦胨?，雙駁船對(duì)穩(wěn)性的貢獻(xiàn)非常明顯，主甲板入水瞬間的驟減趨勢(shì)大大緩和，隨著駁船2 主甲板入水，hGM值逐漸增大，駁船1的入水又使得半潛船的hGM值進(jìn)一步增大，這種增大趨勢(shì)一直持續(xù)到主甲板完全入水；在主甲板完全入水之后，hGM值的增大趨勢(shì)逐漸減緩；在貨物漂浮瞬間，hGM值驟減至僅計(jì)載荷時(shí)的水平。

4 結(jié) 語(yǔ)

半潛船載貨下潛作業(yè)時(shí)，在主甲板入水瞬間，其水線面瞬間大幅度損失，且其承載的駁船加井口平臺(tái)這樣的疊船模型的重心高度hKG非常高，在僅把所載海洋結(jié)構(gòu)物當(dāng)作載荷的情況下，hGM值極易低于規(guī)范要求值，甚至出現(xiàn)負(fù)值，從而引發(fā)險(xiǎn)情。本文主要研究了疊船模型下潛過(guò)程中穩(wěn)性的變化，主要得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)不計(jì)入雙駁船浮力時(shí)，平吃水狀態(tài)下主甲板入水瞬間的hGM出現(xiàn)極小值0.123 m；在主甲板入水瞬間，艏傾狀態(tài)下hGM值改善至6.857 m，但主甲板完全入水之后，艏傾對(duì)hGM值的改善效果不明顯，即便保持很大的艏傾，hGM也易出現(xiàn)極小值，且實(shí)際作業(yè)中艏傾不利于保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求和作業(yè)的安全性。

2）當(dāng)計(jì)入雙駁船浮力時(shí)，平吃水狀態(tài)下的hGM值增大，計(jì)入雙駁船的浮力可有效改善半潛船下潛過(guò)程中的穩(wěn)性，將hGM值由0.123 m增大至11.474 m。在縱傾狀態(tài)下，hGM繼續(xù)增大，當(dāng)駁船1 和駁船2 分別入水時(shí)，hGM值增大的趨勢(shì)非常明顯，表現(xiàn)出雙駁船分別對(duì)半潛船的整體穩(wěn)性做出貢獻(xiàn)。在實(shí)際作業(yè)時(shí)，保持平吃水下潛即可使半潛船有足夠的穩(wěn)性。