浮式平台稳性分析的风力计算方法应用.pdf

双月刊 / 总第 260 期25 力矩和风压倾侧力矩曲线应为对应于最危险轴的曲 线。舱柜内的自由液面应被考虑在内。 浮式海洋平台的稳性计算应对按下列公式求得 的风力绘制风压倾侧力矩曲线： 2 SH 0.5FC CV A= （1） 其中： F风力； CH 根据受风构件在海平面以上高度确定的 高度系数（见表 1） ； CS 根据受风构件形状确定的形状系数（见 表 2） ； 空气密度（1.222 kg/m3） ； V风速（m/s） ； A在直立或倾侧状态下所有暴露面的投影面 积（m2） 。 其中，公式（1）中的高度系数 CH和形状系数 CS取值见表 1 和表 2。 表 1 根据受风构件在海平面以上的高度 确定的高度系数 CH 海平面以上的面积中心高度 H CH H m H ft 0.0 15.30 501.00 15.3 30.550 1001.10 30.5 46100 1501.20 浮式平台稳性分析的风力计算方法应用 中船重工船舶设计研究中心有限公司 肖丽娜 摘 要：本文对 IMO MODU Code 2009 对浮性平台的稳性分析中关于风力计算的要求进行了分析， 并以一型作业在我国南海海域的半潜平台风倾力矩的计算作为计算实例，对浮式平台的稳性计算具有 一定的借鉴意义。 关键词：稳性 浮式 风倾力矩 引言 国际海事组织（IMO） 2009 年海上移动钻井平 台规则 （以下简称“IMO MODU Code 2009” ） ，用 于为海上移动式钻井平台提供设计标准、建造规范 以及其他安全标准，以将对该类设施、人员和环境 产生的危险降低到最低点。该规则涉及海上移动式 平台的构造强度、材料、机械设备、稳性干舷、无 线电通信等内容，适用于 2012 年 1 月 1 日或以后铺 设龙骨或处于类似建造阶段的海上移动式钻井平台。 本文主要结合 IMO MODU Code 2009 的相关 规定对浮式平台稳性方面的风倾力矩计算方法进行 研究。 1 复原力矩及倾覆曲线 浮式平台的稳性计算应绘制类似于图 1 中的复 原力矩和风压倾侧力矩曲线，并附有证明计算，覆 盖全部作业吃水范围，包括迁移状况时的吃水，同 时考虑处于最不利位置的最大材料荷载。这些复原 复原力矩 进水角 第二交叉点 倾斜角 力 矩 倾侧 力矩 图 1 复原力矩和倾侧力矩曲线 肖丽娜 浮式平台稳性分析的风力计算方法应用 海工装备 船舶标准化与质量 2015 年第 5 期 26 海平面以上的面积中心高度 H CH H m H ft 46.0 61.0150 2001.30 61.0 76.0200 2501.37 76.0 91.5250 3001.43 91.5 106.5300 3501.48 106.5 122.0350 4001.52 122.0 137.0400 4501.56 137.0 152.5450 5001.60 152.5 167.5500 5501.63 167.5 183.0550 6001.67 183.0 198.0600 6501.70 198.0 213.5650 7001.72 213.5 228.5700 7501.75 228.5 244.0750 8001.77 244.0 259.0800 8501.79 259.0 及以上850 及以上1.80 表 2 根据受风构件形状确定的形状系数 CS 构件形状 CS 球形 0.40 圆柱形 0.50 大的平面（壳体、甲板室、甲板下面的平滑面积）1.00 钻井架 1.25 钢索 1.2 甲板下暴露的梁和桁 1.3 小部件 1.4 孤立的结构形状（起重机、槽钢、横梁、角钢） 1.50 聚集的甲板室或类似结构物 1.1 在计算风力时，下列要求需要满足： 1） 对于具有立柱的平台，立柱所有的面积都要 包括，不考虑遮蔽影响； 2） 由于横倾暴露出的面积，需要采用适当的形 状系数来加以考虑； 3） 对于密集的甲板室，可以用整个投影面积来 续表代替计算每个甲板室的面积，此时形状系数可以取 1.1 ； 4） 对于孤立的建筑物，应选取合适的形状系数 分别计算； 5） 用作井架、吊杆等开式桁架结构受风面积可 取满实投影面积的 30%，或双面桁架单侧满实投影 面积的 60%。 2 海洋平台稳性分析风力计算实例 本文以一型半潜式平台的上部模块结构，按照 IMO MODU Code 2009 的稳性准则对平台的风力载 荷以及载荷系数进行计算。半潜式平台经过 30 多 年的发展，成为技术发展成熟、应用范围广泛的 海洋油气开发装备，具有适用的水深范围广（从 80 m 3 000 m） 、环境适应性强（从墨西哥湾到北 海） 、适合油气开发的各个阶段（勘探、钻井、生 产） 、定位方式灵活（系泊、动力定位或者两者组 合） 等特点，在海洋油气开发，特别是深海海域的 勘探和开采中成为最主要应用的开发装备，占全部 深海勘探和生产装备的二分之一以上。目标平台的 最大作业水深为 1 500 m，最大钻井深度为 10 000 m。 平台主船体总长 114.07 m，船宽 78.68 m，基线距主 甲板高度 38.6 m。采用 NAPA 软件建立平台的受风 面积3D模型如图2所示。模型建立考虑了平台主体、 立柱、甲板以上舱室、井架、吊机、生活楼、舷侧 以外构件等主要受风面积。 图 2 平台受风面积模型 双月刊 / 总第 260 期27 续表根据公式（1）和表 1、表 2 的参数，通过表 3 来确定水线面以上结构风载荷计算参数，浮式平台 计算稳性时只需计算生存无系泊工况。 表 3 水线面以上结构的风力计算参数 风向平台结构 自存工况 CHCS 受风面积 S m2 0 船体结构112 200.8 甲板室11880 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 井架0.75859.7 救生艇1.1198 火炬头1.481.2540 45 船体结构113 590.8 甲板室1.211 244 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 救生艇1.2143 火炬头1.481.2540 90 船体结构113 008.5 甲板室1.21880 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 火炬头1.481.2540 135 船体结构113 590.8 甲板室1.211 244 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 火炬头1.481.2540 180 船体结构112 200.8 甲板室1.21880 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 火炬头1.481.2540 225 船体结构113 590.8 甲板室1.211 244 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 救生艇1.2143 火炬头1.481.2540 风向平台结构 自存工况 CHCS 受风面积 S m2 270 船体结构113 008.5 甲板室1.21880 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 火炬头1.481.2540 315 船体结构113 590.8 甲板室1.211 244 吊车1.31.5120 停机坪1.3195 起重架1.481.580 火炬头1.481.2540 风作用于平台的定常力基于一小时的平均风速 计算。平台为在我国南海作业的平台，平台在南海 百年一遇的一小时平均风速为 40.9 m/s，为平台的生 存工况风速。 计算风倾力矩时，CH和 CS的选取如下： 1） 模拟了立柱和平台主体，通过计算圆角半径 和有效直径的比值，查阻力系数表确定形状系数， 平台主体和立柱的形状系数均为 1.0 ； 2） 主甲板以上到直升机平台的部分，房间布置 密集，采用房间组合的投影面积来替代计算每个独 立装置的面积。形状系数为 1.1 ； 3）井架、吊机应分成多个部分进行模拟，井 架，吊机臂形状系数取为 1.25，对吊机立柱等圆柱 形构件取形状系数为 0.5 ； 4） 对于吊机臂、井架开放式桁架结构取一面投 影阻挡面积的 60%； 5） 建立四个方体来模拟突出舷外的四个锚机， 形状系数取为 1.0 ； 6） 把艏艉两端的救生艇及支架作为一个整体考 虑，形状系数取为 1.0 ； 7） 风速随水线以上的高度增加而增加，选取适 当的高度系数； 8） 风向水平，未考虑因船体受风倾斜，直升机 平台等水平面的受力面积没有被计算。 肖丽娜 浮式平台稳性分析的风力计算方法应用 海工装备 船舶标准化与质量 2015 年第 5 期 28 3 结束语 浮式海洋平台的作业环境通常是深水环境，平 台还会受到百年一遇甚至千年一遇的恶劣环境条件， 浮式海洋平台的稳性计算就显得尤为重要。各船级 社和国际组织都颁布了浮式平台的稳性准则。本文 对 IMO MODU Code 2009 平台稳性准则的风力要求 进行了归纳，并以一型作业在我国南海的半潜平台 风倾力矩计算实例对 IMO 的稳性规则中的风力计算 部分进行了诠释，对浮式平台的稳性计算有一定的 借鉴意义。 半潜式平台在百年一遇自存状态的风倾力矩结 果见表 4。 表 4 半潜式平台在南海百年一遇工况下的风载荷 计算结果（风速 40.9 m/s） 风向 风载荷 kN 03 796.08 455 909.61 904 808.09 1355 856.52 1803 977.15 2255 909.61 2704 808.09 3155 856.52 图 3 是风倾力矩按平台受风角度的计算结果。 由于平台结构的对称性，从图 2 中可以看出平台风 倾力矩在 45以及 135的角度时最大，也就是最 大的受风面积导致此方向的风倾力矩最大。风倾力 矩直接影响平台稳性计算的计算结果，平台在此方 向上的风倾力矩越大，平台的稳性就越差。 600 550 500 450 400 0306090 风向角（） 百年一遇 风力（t） 120150180 图 3 平台在百年一遇海况下的风倾力矩 2015 年 9 月 16 日，国家标准委在北京组织召 开部分技术委员会秘书长座谈会，学习深化标准 化工作改革方案 和传达国务院标准化协调推进部 际联席会议第一次联席会议精神，讨论技术委员会 管理改革工作等，会议由国家标准委综合业务部国 焕新主任主持。 9 月 16 日上午，国家标准委综合业务部魏宏 处长首先传达了王勇国务委员在第一次部际联系 会议上对标准化工作存在的问题以及标准化工作 的重要性等讲话内容和会议精神，随后详细介绍 了贯彻实施深化标准化工作改革方案行动计 划（2015 2016 年） 主要内容。国家标准委综合业 务部于茜处长结合全国专业标准化技术委员会管 理办法 修订工作进展情况，介绍了修订工作的必 要性、总体思路、核心问题、较大修订内容等内容。 会上同时邀请了全国能源基础标技委、全国信息标 技委、全国休闲标技委的秘书长进行了工作介绍和 经验交流。 9 月 16 日下午，参会人员分组进行讨论，参会 代表就 TC 之间工作协调、团体标准编制过程如何 发挥 TC 作用、经费支撑、信息管理平台、TC 委员 组成比例、国家标准体系构建、标准立项审查等问 题进行了深入的交流。 国家标准委崔钢副主任出席会议，并参与到分 组讨论。崔钢强调，面对当前标准化工作改革新形 势，各技术委员会要认真落实各项改革决策部署， 提高标准制订效率和质量，拓宽服务范围，抓好能 力建设。崔钢要求，标准委各部门要切实抓好技术 委员会管理和服务，加强制度建设，做好服务，探 索多元投入机制。 消息 国家标准委在北京组织召开部分技术委员会秘书长座谈会