半潜式钻井辅助平台的稳性研究

半潜式钻井辅助平台的稳性研究
摘要：半潜式钻井辅助平台，由浮箱、立柱和甲板箱组成。

海上移动式钻井平
台稳性规范要求不同于普通船舶，因其长宽比较小，需要计算横向、纵向稳性，
故通过采用固定转轴法和自由扭曲法计算半潜式钻井辅助平台的稳性。

同时，通
过建立稳性模型和风力模型，考虑来自任何方向作用于平台的风力，计算各种复
杂的工况。

关键词：半潜式；稳性；长宽比；风载荷
1 前言
在造船技术高速发展的时代，只有与时俱进地学习使用先进的设计工具，才能高效率完
成超负荷的设计工作，降低劳动强度、提高设计精度、提高设计水平。

通过学习使用napa
软件建模计算，研究海工平台稳性规范要求和装载工况，也是船厂转型升级，提升核心竞争力，承接高附加值船舶订单的重大举措。

2 半潜式钻井辅助平台的技术特点
半潜式平台是大部分浮体沉没于水中的一种小水线面的移动式平台，它从坐底式平台演
变而来，由平台本体、立柱和浮箱组成，平台上设有吊机设备、器材和生活舱室等，供钻井
工作用。

半潜式平台以更大的工作水深、更大的甲板可变载荷、更大的存储能力、简单的外
形结构、良好的船体安全性和抗风暴能力及自持能力等优点，已经成为海洋钻井平台的主要
发展方向，它已经被许多国家采用，但由于其设计、建造技术密集和资金密集，世界上仅有
少数国家设计，比较专业的设计公司主要分布在美国、瑞典、荷兰和挪威。

2.1主要参数
总长 101m 作业吃水 13m-18m
管架甲板宽 63m 自存吃水 11m
船员 170人移航吃水 7.2m
2.2技术特点
2.2.1在设定的作业环境下具有优良的运动性能：
纵横摇小于正负2度，垂荡小于正负1米，漂移小于1/20水深
2.2.2生存能力强，具有很强的抗风浪能力，能抵御百年一遇的恶劣海况
2.2.3在深远海作业：具有巨大的可变载荷和作业面积
2.2.4多用途：钻井平台（钻井、固井、测井、修井、试油）、生产平台等
2.2.5作业水深范围广：从几百米到3千米以上
半潜平台的最大特点是半潜作业，半潜状态下，将大体积的浮箱潜于水下一定的深度，
从而使波浪力大大减小，避开了海面的波浪的作用区，因此比浮船式平台所受的波浪力小。

半潜式平台的另一个特点就是柱稳性平台，即利用立柱保证平台的稳定性：它在半潜的时候，其水线面积主要是立柱的水线面面积，水线面积不大，但立柱间距比较大，因而平台的惯性
矩较大，让其获得较大初稳性高度。

3 半潜式钻井辅助平台的稳性计算
3.1半潜式平台的操作状况
半潜式平台前往某一海区作业至完成作业后离开的全过程，可用如下的操作程序说明：
a移航
b就位、抛锚、压载下潜、锚泊线预张紧
c作业
d风暴来袭时卸载减少吃水，平台处于自存状况，风暴过后复原为作业状态
e完成作业卸载起浮
f起锚
g移航
以上一系列的操作过程中，最基本的操作状况是：作业状况、自存状况和移航状况，其
余操作状况是各基本操作状况的过渡状况。

下面简单描述几种基本操作状况：作业状况（吃水13m-18m）
半潜式钻井平台的作业状况是指平台在井位上钻井或进行其他操作时的状况。

该状况下
平台应能承受与规定的作业状况设计标准相应的环境载荷和作业载荷的组合载荷。

自存状况（吃水11m）
自存状况即风暴状况。

半潜式钻井平台的自存状况是平台处于规定的自存状况设计标准
相应的最恶劣环境条件中的状况。

此时，钻井作业或类似作业已经中止，进一步的措施是关
闭防喷器和脱开隔水管，放松上风舷锚链，平台漂浮在水面上自存。

移航状况（吃水7.2m）
移航即半潜式平台从一个地点转移到另一个地点的过程中所处的状况。

移航的方式，对
具有自航能力的平台而言，有自航和拖轮助航两种。

前者与一般的自航船舶无异；后者配备
一艘拖轮（一般是多用途拖轮）相随备用，在坏天气到来以前连接上拖缆，对平台助航。

对
无自航能力的平台，移航便是拖航。

3.2半潜平台的稳性计算
3.2.1稳性计算方法
稳性模型所需资料：总布置图、型线图或形状图（Size and shape plan）、舱容图、保护
开口和非保护开口位置、破损范围以及破损舱室。

固定转轴法，横倾过程中固定转轴的计算方法
自由扭曲法，横倾过程引起纵倾变化而重新寻找无纵倾只有横倾的转轴方法。

平台的稳性计算，包括完整稳性和破损稳性，主要是确定在一系列吃水下平台的极限重
心高，保证各种工况下，最终重心在极限重心高下平台需要有足够的稳性以承受来自各个方
向的风载荷作用。

3.2.2半潜平台的稳性衡准
完整稳性衡准
本船入级ABS船级社，必须满足以下要求：
a至第2交点或进水角的复原力矩曲线下的面积中的较小者，至少应比至同一限定角处
风倾力矩曲线下面积大30%，即如图3所示：面积A+面积B>1.3×（面积B+面积C）；
b复原力矩曲线从正浮至第2交点的所有角度范围内，均应为正值；
c所有漂浮作业工况的整个吃水范围内，经自由液面修正后的出稳性高度应不小于0.15m。

破舱稳性衡准
本船入级ABS船级社，在经受规定的破损后，必须满足以下要求：
a在收到来自任何方向、风速为25.8m/s（50kn）的风倾力矩作用下，复原力矩曲线从第
1交点至第一个非保护开口或第2交点（取较小者），应至少有7度的范围；
b在a的范围内于某同一角度量得的复原力矩至少达到风倾力矩的2倍；
c破损水线以上4m范围和7度区域的开口应为风雨密。

图5 风力模型（Wind model）
对于常规船，规范规定其纵剖面受稳定风压作用，相应地产生一个在所有横倾角下均为
定值的风倾力矩；半潜式钻井辅助平台则不同，由于平台的长宽比较小，所以需要考虑来自
任何方向的风载荷对平台的影响，另外，由于平台甲板上有较多的钻井设备，还有桩腿，上
层建筑等受风面积较大的处所，所以对应不同横倾角，受风面积不同，风倾力矩也不同。

计算工况案例：
输出风倾力矩的计算：
4 结束语
半潜式钻井辅助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：一般船体
性能计算软件不适用，计算误差很大。

同时，半潜式钻井辅助平台稳性规范要求不同于普通
船舶，需要计算横向、纵向稳性，需要考虑来自任何方向作用于平台的风力，计算工况繁多，由软件来代替人工完成繁杂的计算工作是船舶与海洋工程发展的必然趋势。

通过用napa软件建模，可以完成静水力计算书、舱容计算书、测深表、浮态计算、总强度计算、风载荷计算、完整稳性计算、破舱稳性计算，是船厂转型升级，提升核心竞争力，承接高附加值船舶订单的强劲助力，在日益严峻的船舶海工建造市场的背景下，具有一定的经济效益和社会效益。

当然，利用软件进行理论计算，计算过程中总是存在一系列的简化，与实际情况相比，会存在一定的出入。

参考文献
[1]船舶设计实用手册（总体分册）[M].北京：国防工业出版社，1997.
[2]IMO.海上人命安全公约[S].北京：人民交通出版社，2009.
[3]海上移动平台入级规范ABS
作者简介：方林香（1966-），女，高级工程师。

主要从事船舶设计工作。

颜萍（1981-），男，工程师。

主要从事船舶设计工作。