平台稳性2.ppt

《平台稳性2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《平台稳性2.ppt（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第一节 稳性的概念澄清和稳性的定义及原理,稳性，在人们的常识里面是一个物体或装备的稳定程度，也就是说大多数人会认为摇摆少，慢就是稳性。比如说，站在地上稳稳当当的，在独木桥上就不稳当。在船舶科学里面，稳性的概念刚刚好和人们想像中的完全相反。船舶稳性中，摇摆得快的船或平台确是稳性好的船舶！ 平时人们常说的稳当，在船舶科学里面的定义是舒适性。比如，拖轮摇摆得比平台严重得多，大家可能会以为平台比拖轮稳性好。事实上，是拖轮比平台稳性好，拖轮摇摆频率快且幅度大，但最大的允许摇摆角度比平台大。而钻井平台，无论是自升式还是半潜式，它的摇摆都比拖轮缓慢，摇动到一定角度后就会直接倾覆，酿成灾难性事故。,因此，稳性

2、和舒适性是船舶科学上的一对矛盾。 在科学上的稳性定义是：船舶在使其倾斜的外力消除后能自行回到原来平衡位置的性能。 根据倾斜方向，船舶有横稳性和纵稳性，在常规船舶中，后者一般不危及船舶的安全，比如拖轮、货轮、油轮等。但是对于钻井平台来说，横稳性和纵稳性在有的时候是相差并不大的。平时计算时一样要校核到这两个方面的数据。,根据所受外力性质及是否计及倾斜时的角速度和惯性，有静稳性和动稳性之分。 静稳性船舶在外力矩逐渐作用下的稳性。船上重物移动或在一侧装载少量货物引起的倾斜力矩可认为是逐渐作用的外力矩。受外力矩逐渐作用时船舶倾斜较慢，倾斜角速度可以忽略不计。根据倾角大小，可分为初稳性和大倾角稳性。,初稳

3、性-船舶作倾角小于 10倾斜时的稳性，又称小倾角稳性。小角度倾斜是船在航行中经常发生的。此时，船舶有无稳性及稳性优劣决定于横稳心高度（又称初稳性高度），即从重心G到稳心M的垂直距离GM(下图)。稳心M为船舶倾斜时，浮心移动轨迹的曲率中心，在小角度倾斜时，可视作是一个固定点。具有初稳性的船舶，倾斜后浮力能够与重力W构成一个使船回复的力矩，其值Mr=GMsin。式中为船舶的排水量；为倾角。横稳心高为正值，稳心在重心之上，GM值大，船舶的复原能力也大。但过大的横稳心高会使船舶在风浪中剧烈摇荡，使适航性变坏。因此，要选择适当。一般上限值取决于对船舶横摇周期的要求，最低值为船舶安全要求所确定。,大倾角稳

4、性-船舶作倾角为 10以上倾斜时的稳性。此时，回复力矩以Mr=GZ来表示。式中GZ为重心到浮力作用线的垂直距离，称回复力臂。在同一装载情况下，其值随倾角由小到大再由大到小直至最后消失。回复力臂与倾角的关系曲线称静稳性曲线（图2）， 曲线最高点的竖坐标表示船在倾斜中所能产生的最大回复力臂，相应的横坐标为最大静倾角smax，回复力臂最后消失时的倾角为稳性消失角r。它们是衡量大倾角稳性优劣的主要指标，其值越大表示大倾角稳性越好，船舶越不易倾覆。,动稳性-船舶在外力矩突然作用下的稳性。阵风突然袭击和海浪冲击引起的倾斜力矩属于突然作用的外力矩。力的突然作用，使船舶倾斜很快，这就需要考虑倾斜时的角速度和惯

5、性。在静力作用下，外力矩不超过船舶的最大回复力矩，船舶就不会倾覆。但在动力作用下，由于惯性，即使达到回复力矩与外力矩相等，船舶还要继续倾斜，只有当外力矩所作的功被回复力矩所作的功抵消时才能停止倾斜。因此，衡量动稳性优劣的指标是回复力矩所作的功。船舶倾斜中最危险的情况是船舶摇摆到最大摆幅正要回复时，受到与回复方向一致的突加力矩作用，船舶在两个同方向力矩作用下倾斜加剧。此时能使船舶倾覆的最小突加外力矩称为最小倾覆力矩。,中国海船稳性规范规定，船舶最小倾覆力矩Mq与风压动倾力矩Mf之比K应不小于1，即。式中最小倾覆力距的数值与装载情况、船形、航区、波浪周期及摇摆程度有关。风压动倾力矩根据船舶的航区、

6、受风面积和面积中心来确定。船舶的受风面积越大，面积中心位置越高，航区中风浪越大，稳性问题就越严重。 公司所有的钻井平台，其总体受风面积都大，故稳性问题就比其他船舶严重，更需要认真对待。,第二节 钻井平台稳性计算原理,在实际的操作中，要求钻井平台人员根据原理来进行稳性的校核，是不太现实的。钻井平台的稳性，在其设计阶段已经经过了完成的全面校核和计算，甚至还进行了各种工作状况的典型模拟计算，而且整套计算已经获得权威机构船级社的审批认可才能进入建造新的钻井平台阶段。但是，在实际工作中仅仅套用设计公司提供的典型模拟计算，将会存在因对稳性低估而酿成事故的可能，也存在对稳性情况高估而浪费装备性能的可能。,实

7、际上，稳性校核的计算非常复杂，因此，设计公司为了简化船舶在实际操作中的稳性校核问题，经常是根据稳性原理给出各种公式，由船舶或钻井平台操作者进行简单的计算就能校核稳性。 在钻井平台实际操作中，计算稳性的工作其实是校核一些简单的参数，只要参数符合设计公司提供的并获得相应船级社批准的相关资料要求，那么我们就可以认为平台的稳性是符合要求的。,在实际钻井平台稳性计算中需要校验的几个数据： 可变负荷在钻井平台上的所有不属于固定装备而且没有列入静水力倾斜试验的货物、设备、人员甚至是结构的重量，包括油水灰等散装材料。可变负荷不允许超出设计公司提供的相应工况的最大可变负荷。,平台的航行吃水和倾斜度，航行吃水不能

8、大于设计公司提供的最大航行吃水，这个要求是根据船级社和国际海事公约相关条款要求的，所有航行中的船舶必需保证足够的干舷，就是保证足够的储备浮力以应对恶劣海况或意外事故造成的船舶破损。,平台的总体重心高度，这个也分横向重心高和纵向重心高。这是整个稳性计算中最关键的一个步骤。在设计公司提供的相关资料里面，提供跟平台吃水相对应的允许该平台拖航时最高的重心高度。要求是任何时候的工况，实际平台总体重心高度必需小于允许的重心高度，最好的是留有足够的安全预度。 在实际操作中，对于自升式钻井平台，也可以使用稳性计算手段去预测每个桩腿的受力、每个升降装置的受力、每个桩腿底部的压力等数据，以满足实际工作中的需要。,

9、简单的说，实际的稳性计算就是三个步骤： 估算货物重量重心数据统计，并校核可变负荷 计算平台的总体重心高度、吃水和其它需要校核的数据； 查设计公司提供的相关数据或曲线，校核所计算的数据是否符合要求。,一、第一步是估算货物重量重心,重量重心统计和计算有一个原则：要求货物必须被固定，重量和重心的位置不能改变，所以有了在拖航移位前的固定可移动货物的要求。这个要求一方面是进行稳性计算方面的技术要求，另外一方面是以往惨痛的历史案例总结出来的经验教训。,上面是一个简单的示意图。A表示一件货物，可以放在平台上的任何一个地方。如果我们需要计算出他们的总重量，那非常好计算，AB就行。那么重心如何计算呢？首先我们需

10、要确定已经知道的一些参数和需要通过计算求出来的参数。 已经知道：B的重量和重心位置，A的重量和重心位置。 需要计算的：A和B结合在一起的重心位置。,A货物,B平台轻船重量,重量重心计算的简单原理：,这样就需要首先有一个坐标系去确定。这个坐标系在船舶科学里面也有统一的要求：,这里我们以纵向坐标为例子。 B的重心位置距离船尾X米。A的重心位置距离船尾Y米。 B的重心可以查资料获取。A的重心就靠自己去测算：该货物的重心位置，然后摆放的位置距离船尾多少？两者结合就获得Y的数值。 然后就可计算综合体的纵向重心，其计算方法根据下面的假设和要求：,1、货物A并不能随着船舶的摆动和移动位置，也就是说在任何情况

11、下它的Y值是固定的。落实到操作上就是要对船舶上的货物进行固定 2、假设船体以一个位于任何假想的支点转动， 当平台平稳不动或匀速运动的时候，它受到的外力和外力距总和应该是0。这样就可以得到一个公式： AXBY（A+B）Z。 等式右边是作用在平台上的其它外力做的力 它们的力矩跟平台总重量所做的力矩是完全相 但方向刚好相反的。 这样就获得求重心的方法： 总体重心Z（AXBY）/（A+B）,如果利用EXCEL表格做计算就非常简单了。将所有的货物的重量汇总，将所有货物的力矩汇总，然后总力矩除去总重量就是新的总重心。 当然所有的货物包括油水。 实际上，为了定位平台的重心，其实我们需要对三个坐标的重心都单独

12、进行计算才能获得真正的重心位置。,二、第二步是将所获得的总重心和技术资料进行计算并校核,通过第一步的收集资料和计算以后，已经获得了可变负荷的总重量和平台的总重量。下一步就需要用一些船舶的稳性计算公式进行计算。,（1）关于在钻井平台的油水的问题 在前面的论述中，定义了一个假设或者说是要求，货物不能随着平台或船舶的摇摆而移动。但是在实际的操作中，我们并不能限制在油舱水舱的液体随着船舶的摆动而移动。而且，液体每次都会向倾斜一侧流动，从而促使船舶加大摇摆幅度，降低了其恢复平衡位置的能力。因此在船舶设计阶段就对这个不利因素进行处理，叫做自由液面力矩修正。根据计算重心位置的方法，力矩增加后，在总重量不增大

13、的条件下，就会导致计算出来的重心高度比只通过第一步方法测算的要高。,虽然船舶或钻井平台在设计阶段，就对自由液面修正力矩进行了计算。由于每个液体舱室的大小是在设计完成后就不可能改变的，因此设计公司能根据舱室里面装载的液体多少估算出每个舱室的自由液面力矩修正值的大小。 当液体比较少的时候，一般设定的限度是液体高度小于舱室内的纵横支架构件的高度时，通过计算发现自由液面被结构件分隔成非常小的区块，从而产生的力矩小到可以忽略不计。同样通过计算发现如果液体舱室内的液体是装满到一定程度的，那么它的影响也可以忽略不计。只有当液体的液位高度在一定范围内才会有自由液面力矩影响。经过计算，该范围内的自由液面力矩又收

14、到舱室的水平面积影响，如果舱室是不规则形状，比如下面小上面大，那么其自由液面也会跟随着变化。在这方面的数据，在船舶操作手册里面会提供一个表格。我们需要根据每个舱室的液体高度去查出每个舱室的自由液面修正力矩并列入到稳性计算里面。,如果利用EXCEL文件计算，我们只需要将所有自由液面修正力矩的表格输入到文件内，然后用一个查找条件函数就可以将数据找出来。在最后的漂浮计算表格上表达出来自由液面修正力矩总和。并利用这个数据对计算出来的重心高度进行校正。在实际使用中就是用重心高增加来表达自由液面力矩的影响。,（2）通过总重量计算相应的吃水，这是稳性计 算的第一个目的。 同样的，计算吃水也是从设计公司提供的

15、操作手册里面获取相关表格，名称叫做静水力曲线表。该表格可以按照每个厘米的吃水变化计算好相应的排水量（也就是平台的总重量）。在实际的计算中，需要反过来，根据总重量查相应的吃水。但是我们在这一个表格中查到的吃水是平台计算平均吃水。是根据估算的可变负荷和其它测算的油水灰重量、结构重量对照表格得来的，其中可能存在一定的误差。不过，可变符合估算中一两百吨误差对一个重量超过一万吨的平台来说，对吃水造成的影响并不大的。,（3） 稳心高度，这是稳性计算的核心内 容但是也是最简单的内容，一样是利用静水力曲线表，对应相应的排水量（总重量）有相应的稳心高度，包括横向稳心高度和纵向稳心高度。,（4） 对重心高度和稳心

16、高度进行校核 利用获得的从船底算起稳心高度和相应的重心高度（经过自由液面校正后数据）比较，条件是： 从船底算起稳心高度重心高度稳心高，要求稳心高符合每条船舶的操作手册要求的数据。,（5） 计算平台的倾斜度，需要符合拖航技术要求，同时也可以预测每个吃水标尺的吃水。 首先从静水力曲线表内根据总重量查到纵向浮心的数据。 （纵向浮心纵向重心）/纵向稳心高TAN（倾斜角） 利用反三角函数就可以求出倾斜角 同样的原理可以求出横向倾斜角度。 如果要继续计算船头和船尾的吃水，还需要根据总重量在静水力曲线表查询一个数据：纵向漂心数据。 在获得倾斜角和船头（或）船尾位置Y，平台总长L就可以计算出相应位置的吃水：,

17、首先求纵倾（船头船尾吃水差）： 纵倾总长L（纵向浮心到纵向重心的距离/ 纵稳心高） 船头吃水计算吃水（总长L纵向漂心） 纵倾/总长L 船尾吃水计算吃水纵向漂心纵倾/总长L 横向倾斜计算方法类似。 在平常的拖航中，船级社一般要平台处于轻度前后倾斜的状态，纵向倾斜不能大于0.5度左右。横向倾斜要求基本水平。,第三节 对桩脚负荷的预测和校核,在机械设计理论中，有一个易损件设计问题。人们要求设备各个零件不能同时损坏，因为不同部位零件的使用寿命不一样。比如外壳一般就比转动或摩擦零件更加耐用。但是同样的转动零件也需要有不同的使用寿命，而且要求使用寿命短的是容易更换和制造的。比如轴和轴承。在机械设计中轴承就

18、是一个容易更换并寿命最短的零件。,在一个平台上也是存在这样规律。桩脚和升降装置（系统）、平台主体结构中，在原始设计中，升降装置系统是三个环节中最弱的一个环节。虽然人们普遍认为升降装置最重要。实际上，桩脚和平台主体结构的修理难度或复杂程度比升降装置高多了。另外一个原因，就是升降装置的保护可以通过一系列的程序去实现。,因此，在平常实际操作中需要对桩脚负荷，升降系统的负荷进行校核，避免超出系统负载，出现损坏。 首先，根据前面一系列的核算，我们已经获得了详细的数据：平台的重心（横向和纵向）位置，平台的总重量。我们需要做的就是去将重量分配给各个桩脚。这里以三个桩脚的平台为例子。 平台重心坐标：纵向L，横

19、向T。 三个桩脚坐标（X1,Y1），（X2,Y2），（X3,Y3） 求每个桩脚负荷的原理是利用力矩相等原理。将其中两个桩脚中心连线看成一个可以转动的支撑点。那么平台重力力矩就必需和第三个桩脚的支撑力力矩相等，才能保持平台的稳定平衡。,因此，我们只要掌握了重心离两个桩脚连线距离和第三个桩脚离两个桩脚连线距离，就可以计算出第三个桩脚的受力。其它两个桩脚也可以用更换支撑点的方法获得。最后可以针对每一个平台求出一个公式，在实际计算中直接套用公式即可。 第三个桩脚和其它两个桩脚距离怎么计算？,利用它们的定位坐标或者在图纸上直接丈量就可以获得相应的距离数据。一般三个桩脚的数据都能在图纸上直接丈量。比如：

20、A桩距离BC桩连线：一般情况下BC桩的Y值是一致的，直接用Y1-Y2就是。 那么重心的位置距离BC桩连线呢？在这个情况下，其重心的横向定位并不影响它与BC桩连线距离，因此也就是L-Y2。 A桩的受力就出来了（G（L-Y2）/ （Y1-Y2） 由于桩脚的位置是不变的，其实真正变化的是L和G。因此我们可以把G去掉，直接计算出一个系数。以后每次用这个系数去乘上G，就是A桩的受力了。,B桩的计算就受到横向坐标的影响了。这个时候，由于用AC桩连线计算比较复杂，可以假定针对A桩为力矩支撑点，方便计算。 我们第一步先忽略横向重心位置的影响，那么： B(Y1-Y2)C(Y1-Y2)G(Y1-L) 第二步再以穿

21、过A桩的中轴线为支点，可以列一个平衡公式： TG+BX2=CX3 这两个公式，只有B和C这两个桩脚的受力是未知数自然可以求出相应的数值。一般情况下，X2和X3是相等的。 即B- C= - TG/X2,因此就获得： B=（G(Y1-L)/ (Y1-Y2)- TG/（X2）/2 针对每个平台，操作手册里面都有相关的资料，需要根据实际情况调整。在获得每个桩脚的负荷后，通过查阅操作手册里面的相关桩脚安全负荷来核对。也可以利用桩靴的面积来计算桩靴对海底的压力，用来核对海底地质情况是否符合插桩要求，甚至评估预测桩脚入泥的深度。,第四节 压载计算,一、 为什么要压载？ 1、 自升式平台的压载，与陆地建造高楼

22、打地基的原理一样，是为了获得一个稳定的基础。避免极限恶劣的环境条件造成平台的倾覆和损坏。 2、 压载方法是模拟恶劣环境造成的力作用在钻井平台上。有增加海水的方法（三个桩脚的平台）或者使用平台的自重单独作用到其中两个桩脚上（四个桩脚的平台）,3、 压载目的是检验在外力作用下是否会产生倾斜甚至倾覆。 恶劣的外界环境，包括：风，台风、季候风；海浪、涌、海流、海冰、地震、海啸。 压载中可能碰到的问题： （1）、 桩脚入泥过深，导致拔桩异常困难。 （2）、 压载过程中碰到某个桩脚突然下沉，造成平台大幅倾斜。 （3）、 压载完成后，在作业过程中出现平台下沉。,二、 压载如何计算 1、 常规做法 通常，压载

23、是由平台设计公司提供合适的程序进行计算，或者是提供典型的工况的典型压载数据而不必进行计算。 按程序进行计算，需要有一套模拟恶劣工况资料，包括了不同水深、不同风力、不同海流的数据。其优点是可以针对不同情况选择不同的压载量，缺点是需要人工计算，存在数据误差的风险。按典型数据压载则比较简单，但安全系数高，缺点是存在过量压载而导致桩脚入泥过深的可能。,设计公司如何确定环境参数-设计平台前，先根据业主和规范的要求，选择最恶劣的工况环境： 一般是依据中国船级社的规范，要求选择的环境载荷至少是年一遇。 对无限作业区域的平台，其最小设计风速应为： l 自存工况：51.5m/s(100kn) l 正常作业工况：

24、36m/s(70kn) 也可以让公认的实验室进行风洞试验获取准确数据。 波浪环境：根据预计使用海区的统计资料和一套复杂的计算理论，取得波浪的波高、周期，然后计算波浪给平台的受力。 海流环境：根据预计使用海区的统计资料获取最大流速，使用获得船级社认可的理论计算受力。如果业主有特别要求，设计公司还需要选取地震、海床承受能力、温度、污底、冰雪的环境参数并计算其载荷。,2、 环境载荷和平台结构设计 当根据选取的环境参数计算出环境载荷后，还需要根据业主要求的其他参数，比如可变负荷、作业水深、作业能力等参数进行结构设计。再利用计算机建立平台的数据模型，计算出各种工况、环境平台的受力，评估出安全系数。然后将建立模型的方法理论和各种数据提交给船级社审批，船级社则使用不同的方法进行计算，结果符合了才算是审核通过。,