半潜式起重拆解平台吊载丢失后的稳性研究

刘钢东，陈伶翔，朱见华

(招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226100)

0 引言

近年来，海工行业竞争压力不断加大，海工装备市场仍处于低迷状态，而海洋装置拆解市场则具有广阔的市场前景，因此半潜起重拆解平台的需求日益增长。半潜起重拆解平台具有作业海域广、起吊能力强、稳定性和抗风浪性好、起吊速度快且具备居住人数多等优势[1]。但是，半潜起重拆解平台要在极短的时间内起吊、卸载数千吨的重物会导致进排水量急剧变化。高达数千吨的排进水落差必然造成船舶重心(除吊物重量)发生偏移，对半潜起重船本身的稳性极其不利[2]。

本文根据半潜起重拆解平台参数特征和压载舱系统特征，按照美国船级社要求对半潜起重船平台的船体结构和压载舱布置进行改进，并提供吊物丢失后快速恢复平衡的最佳方法。

1 半潜起重拆解平台特点

1.1 半潜起重拆解平台参数特征

本项目中半潜起重拆解平台是一艘集自航、居住、吊载功能于一体，并且具备DP-3系统的起重生活平台。在工作时,该平台通过自身压载水的调整及自身船型的特点(左右非对称)，可在吊载过程中提供良好的稳性。具体参数如下：

(1)主浮筒：长度137.75 m，宽度19.5 m，高度12 m。小浮筒：长度122 m，宽度13.5 m，高度12 m。

(2)大立柱：长度22.5 m，宽度19.5 m，高度18 m。小立柱：长度16.5 m，宽度13.5 m，高度18 m。

(3)主甲板：长度81 m，宽度81 m，高度42.8 m。

(4)吃水：居住吃水20.0 m，最大工作吃水26.4 m，风暴自存吃水17.0 m，航行吃水11.3 m。

1.2 半潜起重拆解平台吊机系统

本拆解平台配备的22 000 kN起重机由静态和旋转两部分组成，基座和桅杆是静态的。在桅杆周围安装一个回转平台，吊臂连接到回转平台上。吊臂由钢丝绳支撑，钢丝绳从吊臂首端连接桅杆顶端再连接到绞车上。吊机主钩的起重能力曲线见图1。从图中可以看出，当回转半径为22 m时，吊机主钩的起重能力为22 000 kN；当回转半径增大时，吊机主钩的起重能力逐渐减小。吊机的最小回转半径为14 m，此时吊机休息臂的仰角为81°；当最大操作半径为62 m时，吊机的仰角约为15°。

图1 吊机主钩起重能力

1.3 半潜起重拆解平台压载舱系统特征

本半潜起重拆解平台的压载舱系统由普通压载舱、浮筒快速压载舱、立柱快速压载舱三部分组成，每一个压载舱都配备单独的进/排水管[3]。舱室的具体分布及数量如下：

(1)普通压载舱。普通压载舱分布在大小浮筒中。在小浮筒中配备2台压载泵，在大浮筒中配备4台压载泵，通过压载泵进行进/排水工作。

(2)浮筒快速压载舱。浮筒快速压载舱位于大小浮筒内部，主要目的用来快速进水。浮筒快速压载舱进水可靠重力通过大口径管快速注水，也可通过泵普通注水；排水只能靠泵(因水压太高，无法启用空气压缩系统来排水)。

(3)立柱压载舱。立柱压载舱只有在起重机吊载重物时才需启用，进水采用重力进水。当压载舱内水面高于海平面时，便不可再靠重力进水，但可以利用压载泵来进水。在排载时由压载泵或者空气压缩机进行排水。当压载舱内水面与海平面高度相差26 m以上时，便不可用空气压缩机系统排水(空气压缩机最大工作气压值为0.26 MPa)[4]。立柱压载舱主要分布于4个立柱内，按照4个独立象限进行设计，分别位于左前、左后、右前、右后，即在每一个浮筒的前后都设置了压载舱。立柱压载舱布置分别见图2和图3。

图2 小立柱快速压载舱布置

图3 大立柱快速压载舱布置

2 规范要求

美国船级社(ABS)《GUIDE FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE UNITS(2008)》规范中的第8章第1节要求如下：

对于任何一种装载条件，(在对应的稳性曲线图上)风倾力矩与回复力矩的第一个交点(即力平衡点)必须保证在船甲板入水角的前面(即在图的左侧或小于后者)。此外，吊船在最大允许垂心位置作业时，还必须满足下面的2个条件：

(1)在稳性图上(见图4)，从第一个交点到θf(舱壁进水角度或横倾力臂与复原力臂交点或30°角，取最小值)之间的剩余面积定义为A1，从第一交点到θc(吊物丢失前的横倾力臂与复原力臂相交时的角度)的剩余面积定义为A2，此时需确保A1面积至少大于A2面积的30%以上。

(2)重物失落时，回复力矩曲线与船舶最大允许横倾力矩曲线的第一个交点处的角度，即重物失落平衡角，确保不能超过15°。

图4 ABS规范对于吊物丢失衡准要求

3 半潜起重拆解平台的改进

半潜起重拆解平台相较普通半潜平台的船体结构和压载舱的布置做了一些改进。

(1) 普通的半潜起重平台是由两个相同对称的浮筒、4个立柱和上部主船体组成，见图5(a)；半潜起重拆解平台是由两个不同大小的浮筒、两两不同的立柱和上部主船体组成,见图5 (b)。普通半潜起重平台的重心是在2个浮筒之间，处于中间部位，吊物到两浮筒的直线中心距离假设为A(横倾力臂)；而半潜起重拆解平台的重心由于不对称结构，重心靠近结构大的一侧，重心到吊物的距离假设为B(横倾力臂)；当吊物突然丢失时，船体会向吊物的另一边倾斜，此时的倾覆力矩就是吊物重量与横倾力臂的乘积。在吊重相等的情况下，拆解平台的横倾力臂比普通半潜起重平台的小，所以拆解平台在吊物丢失后的倾覆力矩也会比普通半潜平台的小。横倾力矩的减小可以有效降低平台的横倾角，因此半潜起重拆解平台不对称的船体结构设计在一定程度上提高了平台的稳性。

(2)将浮筒中快速压载舱布置在大小浮筒的中间区域，而不是布置在浮筒的艉部或者艏部，其原因是为了能使注入/排出的压载水靠吊物更近(吊物处于船中位置)。一旦吊物突然丢失，船体会向重物的另一边倾斜，此时则需要以最快的速度增加靠近吊物这边浮筒的压载水量和快速排出远离吊物且位于船中处的压载水，而快速压载水舱能够在短时间内迅速进水。

图5 半潜起重拆解平台组成

4 重物丢失后稳性及平衡方案研究

4.1 重物丢失后的稳性

拆解平台两吊机在联合吊载42 000 kN重物调平时的稳性曲线见图6。在本作业工况时吊重较大，为了保证平台能够有足够的压载水进行调平，将吃水调至26.4 m左右，风速根据相关规范要求设为20 kn。根据计算所得平台的稳性高约为2.1 m。由于在计算时，风倾力臂约为0.05 m，复原力臂最大达到17 m，所以此工况下平台无横纵倾，即平台在吊物丢失前处于平衡状态。

图6 吊载42 000 kN调平时稳性曲线

平台两吊机在吊载42 000 kN重物丢失后的稳性曲线见图7，此工况下平台的横倾力臂约为3.4 m，静横倾角约为14.72°，稳性高约为5.84 m。与吊物丢失前相比，平台由于吊物的丢失发生严重的倾斜，但倾斜角度在规范要求范围内。由于吊物丢失导致平台重心发生改变，复原力臂与稳性高均有所增大，平台恢复至平衡状态的能力被提高。根据软件计算得出的A1与A2面积的比值约为2.94，符合规范要求的稳性衡准值，即平台在42 000 kN吊物丢失后的稳性满足规范要求。

图7 吊物丢失后的稳性曲线

4.2 重物丢失后的快速平衡方案

4.2.1 重物丢失时平台浮态变化

工况设计：以半潜式起重拆解平台为例，位于主浮筒上的起重机吊载一重物(42 000 kN)，突然吊物丢失，倾斜角度将达到14.72°(静止状态)。

第1阶段：吊起重物稳定后的船体水平吃水为26.4 m，船的重心在靠近主浮筒的位置；小浮筒一侧注水多，而主浮筒一侧注水少。

第2阶段：吊起重物突然掉落，短时间内船体会向吊重物的另一边发生一定程度上的倾斜，见图8。主浮筒和小浮筒的吃水发生明显变化，船体中心处吃水线高为24.104 m(静止状态)，左侧小浮筒的最外边缘吃水为34.746 m，右侧的主浮筒的最外边缘吃水为13.465 m；此时，整个船的重心向小浮筒那边倾斜，则需要把重心再转回到靠近主浮筒的位置，才能使船体回转到水平状态。

第3阶段：调节各个压载舱的压载量来减小船体的横倾，使船体逐渐趋向于平衡状态。

4.2.2 重物丢失后的调平方案

吊物丢失后通过对小立柱压载舱 1&2和大立柱压载舱 1&2 进行压载水的调节，将平台进行快速调平。具体压载水调节方案如下：

图8 吊物丢失时平台状态

(1) 为了能够使平台尽快地恢复到平衡状态，根据本拆解平台的压载系统的布置，采用空气压缩方式和重力方式的进排水方式，能够更节省时间。

(2)吊机位于平台右舷。当吊物丢失时，平台发生左倾，此时将大立柱压载舱 1&2的进水阀门打开，让海水通过重力快速注入。

(3)在大立柱压载舱 1&2注水的同时，也可以通过空气压缩方式将小立柱压载舱 1&2的压载水迅速排出。这可以缩短平台调平所需要的总时间。

(4)小立柱压载舱 1&2采用空气压缩方式进行排水，大立柱压载舱1&2采用重力方式进行注水，将平台调节到接近平衡时，改用压载泵进行最后的调平工作。这主要是因为空气压缩方式和重力方式进水速度较快，不利于最终的调平。

平台在吊物丢失前后压载水量对比见表1。通过对大立柱压载舱 1&2和小立柱压载舱 1&2的压载水量进行调节，平台趋向平衡状态。在调载的整个过程中，通过压载水将平台调平所用的时间如下：

大立柱压载舱 1&2用时约为3 636 s；小立柱压载舱1&2用时约为3 658 s，即平台从吊物丢失到恢复平衡状态总用时约为3 658 s。

表1 吊物丢失后平台调平前后压载水量对比表

5 结论

本文分析对比了半潜起重拆解平台与普通拆解平台的船体结构，并提出了起重拆解平台吊物丢失后的调平方案。具体结论如下：

(1) 不对称的船体结构，能减少空船重量、提高结构利用率、降低建造成本，还有利于减小半潜起重船平台吊物丢失后平台横倾角。

(2)在吊物丢失的过程中，通过软件进行模拟，并与规范中的稳性衡准对比，得出此工况下平台的稳性符合规范要求，即吊机可以进行42 000 kN的联合吊载作业。

(3) 在吊载丢失的过程中，平台会发生较严重的倾斜，影响平台的稳性；而半潜起重拆解平台利用空气压缩方式和重力方式这2种快速压载的设计优势，将平台快速调至平衡状态。