平台稳性2.ppt
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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
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