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（1.渤海裝備遼河重工有限公司 盤錦 124010；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱 150001）

自升式鉆井平臺傾斜試驗及參數(shù)敏感性研究

孫承猛1朱亞洲2林?；?趙云鶴1

（1.渤海裝備遼河重工有限公司 盤錦 124010；2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱 150001）

自升式鉆井平臺傾斜試驗是確定平臺建造完工后實船空船質量、重心的常規(guī)試驗方法。文章介紹了自升式鉆井平臺傾斜試驗的基本原理和方法，并針對常規(guī)的懸臂梁移動產(chǎn)生傾覆力矩的傾斜試驗方法，以某座自升式鉆井平臺傾斜試驗數(shù)據(jù)為例，分析了試驗過程中有關試驗數(shù)據(jù)讀取誤差對試驗結果的影響。通過對試驗相關參數(shù)的敏感性分析，得出參數(shù)間的敏感性，為試驗設計人員及現(xiàn)場數(shù)據(jù)讀取人員提供有意義的借鑒和參考。

自升式鉆井平臺；傾斜試驗；懸臂梁；敏感性

引 言

近年來，隨著海洋油氣資源的開發(fā)增長，國內外海洋工程裝備制造業(yè)如火如荼［1］。自升式鉆井平臺作為近淺海石油鉆探的重要裝備［2-3］，各大船廠、企業(yè)紛紛進入自升式平臺的設計建造領域。傾斜試驗是平臺建造完成后為確定其空船質量和重心位置所進行的一項重要試驗。目前，對船舶傾斜試驗技術所進行的研究較多［4-6］，已經(jīng)比較成熟，并形成了船舶標準［7］，而對海洋平臺的傾斜試驗方法和標準研究仍然較少。例如，有學者進行了半潛平臺傾斜試驗數(shù)據(jù)誤差研究［8］；有學者針對自升式鉆井平臺傾斜試驗，結合工程實際，給出了利用懸臂梁移動進行傾斜試驗的方法和過程［9］；也有學者采用軟件模擬試驗過程，提前分析試驗階段各相關參數(shù)選取的合理性，以避免盲目試驗帶來的結果偏差［10］。本文主要介紹自升式鉆井平臺傾斜試驗的基本原理和方法，并分析了該方法中相關試驗參數(shù)對試驗結果的敏感性影響，以期對設計和試驗人員有所警醒和幫助。

1 試驗基本原理

自升式鉆井平臺傾斜試驗的目的是通過試驗方法確定平臺空船質量及重心的實際位置。

1.1 空船質量

通過靜水力方法能夠方便而快捷地得到平臺的空船質量。具體方法為：在平臺滿足試驗的條件下，即滿足試驗大綱要求的初始縱橫傾角度、風力等級、海流條件等［7］，測量平臺首尾部在左右舷舷邊的四點吃水（常規(guī)船舶考慮到中拱或中垂，通常測量首中尾六點吃水），經(jīng)換算得到平臺的平均吃水；然后通過查靜水力曲線，可得此時平臺的排水量；最后計及平臺試驗時的多余質量和不足質量，即可得到平臺的空船質量。

1.2 空船重心

按照船舶靜力學［11］的基本原理，平臺在小角度傾斜時，其傾斜力矩與傾斜角度的正弦值之間呈線性關系，如式（1）所示：

式中：θ為橫傾角；?為船舶排水量；GM為初穩(wěn)性高，表示平臺重心與穩(wěn)心的距離，即：

式中：KM為橫穩(wěn)心高度；KG為重心高度。

假設移動重物或改變壓載水狀態(tài)，此時將產(chǎn)生一個傾斜力矩Mh，即：

由此可知，在小角度傾斜時，平臺穩(wěn)心高度KM和排水量?僅與平臺吃水和線型有關。因此，若移動一定質量的重物或壓載水產(chǎn)生傾斜力矩，并測得對應的船舶傾斜角度，則可依照式（4）得到平臺的重心高度ZG。

另外，平臺靜止漂浮條件下將滿足浮態(tài)平衡方程，如式（5）所示：

式中：笛卡爾坐標系下，（XG，YG，ZG）為重心坐標； （XB，YB，ZB）為浮心坐標（可查靜水力曲線或利用測量吃水軟件計算得到）；θ為橫傾角，ψ為縱傾角，二者可由測量吃水計算求得。

從而，平臺重心的縱向坐標XG和橫向坐標 YG可由式（6）求得：

2 試驗方法

式中：W為移動重物或改變壓載水的質量，l為移動的等效距離。

由式（1）、式 （2）、式 （3）可得：

2.1 傾斜力矩

傳統(tǒng)的船舶傾斜試驗是采用沿船寬方向移動鐵塊或壓載水等，使其產(chǎn)生橫傾，通過測定橫傾角，并結合前述方法得到其質量與重心位置的。然而，自升式鉆井平臺甲板設備布置密集，空間狹?。?0］，難以采用移動重物方式進行傾斜試驗；其常見的三角形外形及壓載艙室布局特點使移動壓載水方法也較難滿足試驗精度要求，對自升式鉆井平臺必須采用不同的試驗方法。自升式鉆井平臺一般采用懸臂梁縱向移動方式產(chǎn)生傾斜力矩，該方式具有以下三個優(yōu)點：

（1）可以較為精確測定懸臂梁移動時的質量。這是由于平臺對鉆井載荷控制嚴格［12］，需通過稱重試驗確定懸臂梁及鉆臺質量。

（2）懸臂梁具有便捷可靠的移動裝置，為試驗可行提供保證。

（3）平臺外形通常左右對稱，懸臂梁的縱向移動不會使平臺產(chǎn)生較大的橫傾。

2.2 傾角測量

通?？刹捎脙煞N方法測量平臺傾角。

一種方法是掛擺法，如圖1所示。設掛擺線的長度為λ，擺動幅度為a，則傾角θ可按式（7）求得：

圖1 掛擺法傾角測量示意圖

需注意的是，掛擺線長度應有足夠的長度（至少為3 m）；掛擺應沒入水槽或油槽中，且在最大傾角時掛擺不觸及槽壁。

另一種方法是U型玻璃管法，如圖2所示。假設玻璃管至水箱中心距離為λ，玻璃管讀數(shù)變化值為a，則傾角θ同樣可按式（7）求得。

圖2 U型玻璃管法傾角測量示意圖

需注意的是，玻璃管與水箱間距離應足夠大，且讀數(shù)范圍滿足最大傾角要求；水箱液面面積與玻璃管面積比應不小于1 000∶1。

3 參數(shù)敏感性分析

假設傾斜試驗時懸臂梁及鉆臺的質量為Wb，懸臂梁單次移動距離為s，采用U型玻璃管側傾角裝置（掛擺法類似），玻璃管單次讀數(shù)變化為x，試驗時平臺吃水為d，排水量為?和穩(wěn)心高度KM均為d的函數(shù)，則可由式（4）可求得平臺重心高度，如式（8）所示：

為便于直觀反映式（8）中的各參數(shù)對重心高度的影響敏感性，本文以某型自升式鉆井平臺傾斜試驗數(shù)據(jù)作為參考。

該平臺傾斜試驗時各參數(shù)為：d = 4.32 m，?= 9 890 t，KM=51.48 m，Wb=1 250 t，s=1.5 m，x=0.085 m，λ=16.0 m。

以下分別給出傾斜力矩參數(shù)、傾角測量參數(shù)和平臺吃水參數(shù)的敏感性分析結果。

3.1 傾斜力矩參數(shù)

3.1.1 懸臂梁質量

圖3 懸臂梁質量敏感性曲線

圖3為懸臂梁質量敏感性曲線。可見，隨著懸臂梁及鉆臺質量Wb的增大，平臺重心高度不斷減小，且下降速度均勻。在試驗數(shù)值1 250 t附近，Wb每增加1 t，將使重心高度下降約0.029 m，偏差百分比約為0.18%。

3.1.2 懸臂梁單次移動距離

圖4為懸臂梁單次移動距離敏感性曲線。可見，隨著懸臂梁單次移動距離s的增大，平臺重心高度不斷減小，且下降速度均勻。在試驗數(shù)值1.5 m附近，s每增加1 cm，將使重心高度下降0.238 m左右，偏差百分比約為1.5%。

圖4 懸臂梁單次移動距離敏感性曲線

3.2 傾角測量參數(shù)

3.2.1 玻璃管讀數(shù)變化值

圖5為玻璃管讀數(shù)變化值敏感性曲線。可見，隨著玻璃管讀數(shù)變化值x的增大，平臺重心高度不斷增大，但增加速度呈下降趨勢。在試驗數(shù)值0.085 m附近，x每增加1 mm，將使平臺重心高度增加約0.415 m，偏差百分比約為2.6%。

3.2.2 玻璃管與水箱中心距離

圖6為玻璃管與水箱中心距離敏感性曲線。可見，隨著玻璃管與水箱中心距離λ的增大，平臺重心高度不斷減小，且下降速度均勻。在試驗數(shù)值16.0 m附近，λ每增加1 cm，將使重心高度下降0.022 m左右，偏差百分比約為0.14%。

圖6 玻璃管與水箱中心距離敏感性曲線

3.3 平臺吃水參數(shù)

圖7為平臺吃水敏感性曲線?？梢姡S著平臺吃水d的增大，平臺重心高度不斷減小，且下降速度先較小后增大然后又減小。在試驗數(shù)值4.32 m附近，d每增加1 cm將使重心高度下降0.024 m左右，偏差百分比約為0.15%。

圖5 玻璃管讀數(shù)變化值敏感性曲線

圖7 平臺吃水敏感性曲線

上述對重心高度的敏感性分析都是基于傾斜試驗過程中各參數(shù)可能存在的測量誤差考慮的。重心高度偏差對比情況如下頁表1所示。

表1 參數(shù)敏感性分析對比

考慮到傾斜試驗過程中各有關參數(shù)的測量方法及精度，結合圖3 -圖7以及表1對比分析，可以看出：

（1）懸臂梁單次移動距離s和玻璃管讀數(shù)變化值x對重心高度敏感性最高， 較小的讀取誤差可能造成重心高度的較大差異。

（2）懸臂梁質量和玻璃管與水箱中心距離λ對重心高度敏感性較低，些許的測量誤差一般不會引起重心高度的較大變化。

（3）平臺吃水d與重心高度的敏感性與平臺型線有關，但敏感性較低，其測量誤差一般不會引起重心高度的較大變動。

4 結 論

通過上述介紹與分析可以知道，自升式鉆井平臺的傾斜試驗方法與常規(guī)船舶基本類似，僅受限于其布局及外形特點，大多采用懸臂梁縱向移動方式產(chǎn)生傾斜力矩。通過分析平臺傾斜試驗過程中相關參數(shù)對重心高度的敏感性，使我們了解了各參數(shù)讀取偏差對重心高度結果的影響程度。對于敏感性較高的參數(shù)，試驗人員需要采取多次測量、提高測量精度以及數(shù)據(jù)后處理等方法，使其對試驗結果的影響降至最?。?3-14］。

［ 1 ］ 苗玉坤，趙學峰. 我國海洋石油裝備現(xiàn)狀及市場前景［J］. 石油礦場機械， 2011（9）：29-32.

［ 2 ］ 陳紅，李春祥. 自升式鉆井平臺的發(fā)展綜述［J］. 中國海洋平臺，2007（6）：1-6.

［ 3 ］ 張用德，袁學強. 我國海洋鉆井平臺發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］. 石油礦場機械， 2008（9）：14-17.

［ 4 ］ 吳鳳輝. 艦船傾斜試驗的力矩產(chǎn)生探討［J］. 艦船科學技術， 2015（3）：36-38.

［ 5 ］ 宋峰，林慰. 船舶傾斜試驗中吃水讀數(shù)的影響因素［J］. 廣東造船， 2014（3）：45- 47.

［ 6 ］ 許曉玲. 提高船舶傾斜準確性和可靠性的一種方法［J］. 江蘇船舶， 2010（1）：43-44.

［ 7 ］ 楊存國，虞瑋. CB/T 3035-2005，船舶傾斜試驗［S］.北京：國防科學技術工業(yè)委員會，2005.

［ 8 ］ 陳書敏，肖元，張健效，等. 半潛平臺傾斜試驗數(shù)據(jù)誤差分析［J］. 船海工程，2015（2）：161-163.

［ 9 ］ 劉新寶，程龍，曹士峰，等. 懸臂梁式鉆井平臺傾斜試驗方法探索［J］. 中國造船，2011（z1）：148-152. ［10］ 顧恩凱，黃維平，孫銘遠. 自升式鉆井平臺傾斜試驗方法研究［J］. 中國造船， 2011（z1）：138-144.

［11］ 盛振邦，劉應中. 船舶原理［M］. 上海：上海交通大學出版社，2003.

［12］ 孫承猛，呂宏偉，戴克文，等. 自升式鉆井平臺懸臂梁載荷圖譜編制方法研究［J］. 石油礦場機械，2013 （11）：20-23.

［13］ 林金，羅素琴. 傾斜試驗中初穩(wěn)性高度最小二乘法計算方法解析與應用［J］. 造船技術，2011（1）：7-10.

［14］ 班業(yè)平. 淺談大型船舶傾斜試驗的控制要點［J］. 船舶，2014（2）：22-25.

On inclining test of jack-up and parameter sensitivity analysis

SUN Cheng-meng1ZHU Ya-zhou2LIN Hai-hua1ZHAO Yun-he1
(1. China Petroleum Liaohe Equipment Company, Panjin 124010, China; 2. College of shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The inclining test of a jack-up aims at the regular testing of the center of gravity of the built light weight ships. This paper introduces the basic theory and method of the inclining test of the jack-up. The inclining test of the inclining moment produced by a moving cantilever is performed based on the data of a jack-up to analyze the infl uence of the recording error of the relevant experimental data on the experimental results. It analyzes the sensitivity of the parameters in the experiments to obtain the highly sensitive factors， which can provide signifi cant reference for experiment designers and fi eldwork recorders.

jack-up； inclining test； cantilever； sensitivity

TE951

A

1001-9855（2015）06-0024-05

2015-06-28；

2015-07-15

孫承猛（1979-），男，博士，高級工程師，研究方向：船舶與海洋結構物總體設計。

朱亞洲（1982-），男，博士在讀，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構物總體設計及結構安全評估。

林?；ǎ?979-），女，博士，高級工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構物計算分析。

趙云鶴（1984-），男，工程師，研究方向：船舶與海洋工程結構物總體設計。