某海上鉆井平臺(tái)的重量重心控制研究

楊淅銘

摘? ? 要：重量重心控制是海洋工程項(xiàng)目管理的重要內(nèi)容，它關(guān)乎海工產(chǎn)品是否符合規(guī)范要求及達(dá)到額定性能。本文基于某海上鉆井平臺(tái)的實(shí)船項(xiàng)目為研究對(duì)象，闡述海上鉆井平臺(tái)在設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中重量重心控制的重要性，分析重量重心控制的要點(diǎn)和方法。相比于船舶項(xiàng)目，鉆井平臺(tái)特殊的結(jié)構(gòu)和設(shè)備在重量重心控制過(guò)程中將體現(xiàn)其差異性。

關(guān)鍵詞：海洋工程;海上鉆井平臺(tái);重量重心控制;設(shè)計(jì)和建造

中圖分類(lèi)號(hào)：TE37? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The weight and center of gravity control is an important part of the ocean engineering project management， and is is related to whether engineering products meet the requirements of the rules and achieve rated performance. Based on the actual project of an offshore drilling platform， this paper expounds the importance of weight and center of gravity control in the design and construction of the offshore drilling platform， and analyzes the key points and methods of weight and center of gravity control. Compared with ships， the special structure and equipment of the offshore platform will show its difference in the process of weight and center of gravity control.

Key words： Ocean engineering; Offshore drilling platform; Weight and center of gravity control; Design and construction

1? ? ?前言

豐富的海底能源（石油和天然氣）需要先進(jìn)的海洋工程裝備去勘探和開(kāi)采[1]，鉆井平臺(tái)是能源開(kāi)發(fā)的重要硬件支持。鉆井平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)面臨惡劣的環(huán)境和復(fù)雜的工況，其重量重心控制在項(xiàng)目周期內(nèi)均顯得尤為關(guān)鍵。平臺(tái)重量變化會(huì)影響甲板載荷指數(shù)，該指數(shù)決定了影響鉆井效率的鉆桿堆放數(shù)量;同時(shí)，重量重心變化也會(huì)影響平臺(tái)的漂浮穩(wěn)性，以及插樁和升船時(shí)升降系統(tǒng)的工作狀況。鉆井平臺(tái)對(duì)于空船的重量重心數(shù)據(jù)要求極為嚴(yán)苛，其數(shù)值的變化直接影響平臺(tái)的性能和效率。

2? ? ?項(xiàng)目簡(jiǎn)介

“TS-CJ46”項(xiàng)目是XX鉆井公司委托招商重工設(shè)計(jì)、建造的CJ46-X100-D型號(hào)自升式鉆井平臺(tái)，項(xiàng)目總工期為22個(gè)月，平臺(tái)完工后如圖1所示。該鉆井平臺(tái)是一艘用于海上石油和天然氣勘探、開(kāi)采工程作業(yè)的鉆井平臺(tái)，適合于世界范圍內(nèi)15～114.3 m水深各種海域環(huán)境條件的鉆井作業(yè)，是典型的三條桁架式樁腿形式，樁腿長(zhǎng)度153.4 m、最大鉆井深度9 144 m。

該平臺(tái)基本參數(shù)為：總長(zhǎng)65.25 m、型寬62.0 m、型深8.0～7.75 m、設(shè)計(jì)吃水4.5 m;鉆臺(tái)位于懸臂梁尾部，懸臂梁采用X-Y雙方向可滑動(dòng)式，最大縱向移動(dòng)范圍為21.34 m、橫向移動(dòng)范圍為6.1m;該平臺(tái)設(shè)有四層生活區(qū)，可提供120人的就餐、住宿、醫(yī)療、辦公和娛樂(lè)空間;直升飛機(jī)平臺(tái)位于鉆井船軸線前部，可滿足停靠Sikorsky S-61N型直升飛機(jī)要求。

X-Y型懸臂梁滑移范圍較廣，平臺(tái)的三條樁腿與升降裝置在升船工況下對(duì)全船穩(wěn)定性要求極高，一旦重心偏中就會(huì)使得升級(jí)設(shè)備與齒條直接的受力不均衡，增加設(shè)備負(fù)荷、降低工作壽命。

本項(xiàng)目規(guī)定了空船重量重心以基本設(shè)計(jì)方估算結(jié)果為基準(zhǔn)，建造方在詳細(xì)設(shè)計(jì)及施工階段參照該預(yù)估值對(duì)全船的材料、設(shè)備重量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)所有項(xiàng)目實(shí)施控制和調(diào)整;合同雙方明確了空船重量的衡準(zhǔn)增加值的控制目標(biāo)為100 t以下，建造方要編制重量重心控制計(jì)劃書(shū)，分項(xiàng)列出偏離情況及對(duì)重量和重心的影響程度;船東方對(duì)于本項(xiàng)目的重量重心控制極為關(guān)注，并將其列為驗(yàn)收程序的重要部分，超出規(guī)定重量控制范圍之內(nèi)的任何設(shè)備和材料都不能被送上船，除非調(diào)整空船的重量與船東認(rèn)可的一致。

3? ? 重量重心控制的意義

3.1? ?重量的構(gòu)成

鉆井平臺(tái)重量劃分為兩大部分：一是空船重量，即平臺(tái)建造完工時(shí)的重量，不含任何裝載重量;二是變動(dòng)重量，如裝載的貨物、燃油、淡水、人員等，這部分重量會(huì)隨著裝載工況的不同而發(fā)生變化。本文所述的平臺(tái)重量為空船重量，包括船體鋼結(jié)構(gòu)、舾裝、輪機(jī)設(shè)備、電氣設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備和機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)所需的液體燃料（燃油、潤(rùn)滑油、液壓油），以及升降裝置、鉆井包、井架等特殊裝備[2]。

3.2? ?重量重心控制的重要性

海工項(xiàng)目的重量重心控制，是指控制其空船的重量重心達(dá)到設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)范圍[3]?？沾亓颗c變動(dòng)重量是相互關(guān)聯(lián)的，若空船重量超出設(shè)計(jì)范圍，變動(dòng)重量就無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值;如空船重量高于設(shè)計(jì)上限值，則甲板載荷將無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，影響鉆井作業(yè)的性能，使鉆井能力降低、鉆桿的堆放數(shù)量減少等。

若空船重量嚴(yán)重超標(biāo)，則直接影響平臺(tái)插樁和升船作業(yè)，輕則導(dǎo)致升降裝置超負(fù)荷工作，嚴(yán)重影響其設(shè)備性能和壽命;重則平臺(tái)無(wú)法正常起升，需要重新調(diào)整平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備。

若重量重心嚴(yán)重超標(biāo)，不僅影響平臺(tái)的穩(wěn)性，而且在升船和插樁的工況下，三條樁腿的受力均衡會(huì)被打破，導(dǎo)致個(gè)別樁腿局部受力過(guò)大，增加平臺(tái)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期過(guò)載工況也會(huì)縮短升降系統(tǒng)的壽命。因此，鉆井平臺(tái)的空船重量重心指數(shù)決定了其性能指標(biāo)，與項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、安全性息息相關(guān)，其重要性不言而喻。

4? ? 影響重量重心變化的因素

項(xiàng)目在基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段計(jì)算重量重心的理論值，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段通過(guò)建?？蓽?zhǔn)確導(dǎo)出計(jì)算值，待項(xiàng)目建造完工通過(guò)傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)際測(cè)量值。該數(shù)值與設(shè)計(jì)階段的理論值很難完全一致，但只要在合理的偏差范圍內(nèi)即可滿足平臺(tái)的作業(yè)性能。

平臺(tái)重量重心的變動(dòng)，其產(chǎn)生原因可歸納為以下幾點(diǎn)。

4.1? ?船級(jí)社審圖意見(jiàn)的修改

船廠依據(jù)規(guī)格書(shū)和基本設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并將圖紙送審船級(jí)社;船級(jí)社依據(jù)相關(guān)規(guī)范審核圖紙和計(jì)算報(bào)告，提出審圖意見(jiàn)，其中有部分修改意見(jiàn)會(huì)引起空船重量重心的變動(dòng)，例如船板厚度調(diào)整、增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等。

4.2? ?生產(chǎn)設(shè)計(jì)的修改

考慮鋼板利用率和板材規(guī)格等因素，生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段在整板（甲板、底板和外板等）劃分板縫環(huán)節(jié)上會(huì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)有所區(qū)別，體現(xiàn)為厚板有可能加大尺寸，導(dǎo)致重量重心隨之變化;另外，生產(chǎn)設(shè)計(jì)會(huì)結(jié)合施工條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化和管路、風(fēng)道和電纜的布置調(diào)整，也會(huì)導(dǎo)致重量重心的改變。

4.3? ?船東要求的修改

鉆井平臺(tái)的特殊性在于其設(shè)備的復(fù)雜化、多樣化，船東往往會(huì)全程參與到艙室綜合布置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，并會(huì)提出一些修改意見(jiàn)，布置的調(diào)整直接影響全船的重量重心數(shù)據(jù)。

4.4? ?材料、設(shè)備重量的偏差

船體的重量重心理論值是依據(jù)鋼板厚度和型材規(guī)格計(jì)算而得，往往與實(shí)際采購(gòu)的材料板厚存在誤差（規(guī)范要求是正公差），板厚偏差將導(dǎo)致平臺(tái)重量的增加。

鉆井平臺(tái)是一整套復(fù)雜機(jī)械、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)的裝置，包括主輔機(jī)、泥漿泵、升降裝置、鉆井架等大型機(jī)械設(shè)備，其重量重心都是根據(jù)設(shè)備資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)得出，而實(shí)際到貨設(shè)備的重量與資料數(shù)值往往存在一定的偏差，導(dǎo)致空船重量重心的變化。

4.5? ?傾斜試驗(yàn)的可靠性

空船重量重心實(shí)際值是通過(guò)傾斜試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，傾斜試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性是決定重量重心控制成功與否的主要因素。

5? ? 重量重心控制的方法

5.1? ?成立專(zhuān)項(xiàng)控制小組

重量重心控制涉及到項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、監(jiān)理等工序，必須成立專(zhuān)項(xiàng)的控制小組。重量重心控制流程如下：詳細(xì)設(shè)計(jì)階段提出空船重量重心的控制目標(biāo)，生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段導(dǎo)出計(jì)算值，在建造過(guò)程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的修改信息重新進(jìn)行重量重心的核算;專(zhuān)項(xiàng)組長(zhǎng)收集各專(zhuān)業(yè)的計(jì)算值，匯總計(jì)算出全船重量重心并定期更新，提出下一階段的控制方向和要求;施工方嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和工藝執(zhí)行，將現(xiàn)場(chǎng)的修改及時(shí)反饋設(shè)計(jì)部;船東監(jiān)理方負(fù)責(zé)監(jiān)督控制過(guò)程的執(zhí)行，審核每期的重量重心報(bào)告。

5.2? ?評(píng)估設(shè)計(jì)修改的影響

設(shè)計(jì)修改是導(dǎo)致空船重量重心變化的主要因素，應(yīng)對(duì)可能影響到其變化的設(shè)計(jì)修改進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)影響程度反推修改方案是否合理，才能起到有效的控制作用。但是，船級(jí)社提出的審圖意見(jiàn)是必須執(zhí)行的，在控制過(guò)程中應(yīng)給予評(píng)估并記錄在案，為后期的重量重心計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5.3? ?結(jié)構(gòu)分段及設(shè)備稱(chēng)重

由于鋼板板厚存在公差，以及建造過(guò)程的焊接、油漆等重量不穩(wěn)定因素，所以分段鋼結(jié)構(gòu)在預(yù)舾裝完工后的實(shí)際重量與理論值會(huì)有一定的偏差，要求分段報(bào)驗(yàn)后進(jìn)行稱(chēng)重記錄，以更新實(shí)船的重量重心;鉆井平臺(tái)的設(shè)備是多樣化的，往往這些大宗設(shè)備的實(shí)際重量與理論重量存在偏差，所以設(shè)備到廠后應(yīng)對(duì)中大型設(shè)備進(jìn)行稱(chēng)重并記錄。一旦發(fā)現(xiàn)較大偏差要記錄在案，為傾斜試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)船重量重心偏差提供依據(jù)，并向船東監(jiān)理方作出合理的解釋。

5.4? ?編制重量重心報(bào)告書(shū)

編制報(bào)告書(shū)是實(shí)時(shí)了解重量重心信息的重要途徑。報(bào)告書(shū)應(yīng)采用直觀的文字和圖表描述全船重量重心的分布、控制目標(biāo)、當(dāng)前狀態(tài)、變化趨勢(shì)、原因分析以及后續(xù)的控制方向和措施等;報(bào)告書(shū)應(yīng)伴隨設(shè)計(jì)、施工流程進(jìn)行定期更新，以便負(fù)責(zé)人掌控項(xiàng)目狀態(tài)，督促各方嚴(yán)格控制。

5.5? ?劃分重點(diǎn)區(qū)域

鉆井平臺(tái)根據(jù)作業(yè)工況的不同特點(diǎn)，劃分為主船體、樁靴和樁腿、懸臂梁和鉆臺(tái)三大區(qū)域：鉆井工況下，平臺(tái)長(zhǎng)期處于升船狀態(tài)，此刻樁靴和樁腿對(duì)于重量重心沒(méi)有影響;反之，懸臂梁向外伸出主船體，鉆桿由井架鉆到海床下，鉆臺(tái)同時(shí)會(huì)受到很大的反作用力，所以懸臂梁及鉆臺(tái)的重量重心直接影響平臺(tái)的作業(yè)性能[5];主船體的重量則會(huì)影響甲板的載荷能力，即平臺(tái)裝載鉆桿的數(shù)量?？傊?，對(duì)于鉆井平臺(tái)作業(yè)性能和經(jīng)濟(jì)效益的影響，由高到低的結(jié)構(gòu)區(qū)域依次為：懸臂梁和鉆臺(tái)→主船體→樁靴和樁腿，重量重心控制工作主次分配應(yīng)按此順序執(zhí)行。

6? ? 重量重心控制

平臺(tái)項(xiàng)目按專(zhuān)業(yè)劃分為：船體結(jié)構(gòu);輪機(jī)設(shè)備;電氣設(shè)備;管系和舾裝。各個(gè)專(zhuān)業(yè)重量重心控制目標(biāo)匯總，如表1所列。

根據(jù)理論計(jì)算和傾斜試驗(yàn)得到的空船重量重心數(shù)據(jù)，如表2所列。由表2可知，空船重量重心實(shí)際值均低于計(jì)算值，且處于目標(biāo)值的控制范圍，故可判定本項(xiàng)目的重量重心控制是成功的，平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)和操縱性能均可滿足設(shè)計(jì)要求。

7? ? 總結(jié)

重量重心控制是海工項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造的一項(xiàng)重要工作，涉及面廣、周期漫長(zhǎng)，需要得到相關(guān)各方足夠的重視。由于鉆井平臺(tái)的復(fù)雜性，引起重量重心變化的因素較多，其中主要因素是設(shè)計(jì)修改和施工修改，在設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中要加強(qiáng)管控，及時(shí)反饋重量重心的變化，并采取有效的控制措施，確保項(xiàng)目的圓滿完工。

參考文獻(xiàn)

[1]? 王運(yùn)龍. 自升式鉆井平臺(tái)方案設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D]. 大連理工大學(xué)，2008.

[2]? 陶永宏. 我國(guó)海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中外船舶科技，2009（3）：16-25.

[3]? 邵國(guó)良，王新，彭飛等. 艦船重量重心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船海工程，2007，36（1）：11-13.

[4]? 龔閩，趙國(guó)良，彭震宇. “中海油62”平臺(tái)性能特點(diǎn)及重量重心控制[J]. 船舶工程，2012（5）：86-88.

[5]? 任憲剛，白勇，賈魯生. 自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁研究[J]. 船舶力學(xué)，2011，15（4）：402-409.