对于大水深作业的自升式平台，桩腿穿刺是导致事故发生的较大风险。当平台进行预压插桩作业时，桩靴遭遇上硬下软的层状地基，很可能发生穿透上覆硬土层进入下卧软土层的情况，形成“穿刺”现象（图1），轻者导致平台急速倾斜、人员伤亡、设备受损，重者甚至会引起平台的整体倾覆。健康、安全、环境国际会议（HSE）通过对自升式钻井平台历年与基础相关的事故进行统计发现，穿刺破坏所占比重最高，约占事故总数的 53%，且正以每年1~2 起的速度增加，每次事故造成的经济损失约为 100万~1000 万美元。

图1：自升式平台穿刺示意图

        传统的设计和操作中，自升式平台压载作业要求主船体升离水面至一定高度，以确保波浪不能拍击到平台底部，但如果发生穿刺，平台会由于急速倾斜而受损。如果平台贴近水面进行压载，万一发生穿刺时，可借助海水浮力减小穿刺距离和速度，降低平台结构的危害程度，因此水动压载方法开始逐渐被尝试。比如，某海洋油气勘探公司对400英尺作业水深的自升式平台，作业程序规定预压载时平台体距离海面最多0.5米。但水动压载受波浪条件影响较大，危险性高。平台体距离海面较近，易受到波浪冲击载荷，从而对桩腿、船体局部结构、升降系统等产生影响，恶劣时会对平台结构产生损坏。因此，如何确定合理的波动压载许可海况是亟待解决的问题。

        针对这一问题，中国船级社（CCS）对水动压载过程中的平台性能进行了详细研究，首次提出了自升式平台水动压载性能计算理论和方法。即将平台插桩时的状态模拟为弹簧约束的浮体，采用三维势流理论，综合考虑由于水线波动产生的二阶波浪力以及局部砰击作用等非线性现象，计算平台在有一定吃水、具有正气隙两种状态下（图2），随机波浪中的短期预报运动响应和波浪载荷；然后分别计算桩腿强度、船体强度、砰击强度以及升降系统强度，找出平台系统的临界极限能力；通过迭代搜索最终确定平台的水动压载极限海况。

图2：两种水动压载状态

        值得一提的是，对于平台不同的压载状态，我们采用不同的理论进行研究。当平台压载尚未脱离水面时，波浪绕射作用明显，需要采用波浪绕射理论对波浪力进行计算。与常规的水动力分析不同，由于平台吃水较浅，自由水面的波动对湿表面面积和动水压强的影响较为显着，应用线性绕射理论无法有效计算平台主体的压强分布，因此宜采用二阶绕射理论来计算波浪压强。当平台体完全升起脱离水面，但距离水面较近时，除入射波产生的动水压强外，还需要进一步考虑波浪对平台体的砰击作用。对于波浪砰击问题，因涉及到强烈的非线性以及不确定因素，目前在业界是个难点，通常采用理论计算与试验相结合的方式。最理想的计算方法是采用CFD方法，CFD方法具有最为严格的理论基础，可以考虑流体粘性以及空气压缩等效应对波浪砰击的影响。然而，由于受到计算效率的限制，该方法无法应用于形式复杂且尺寸较大的结构物，在实际工程应用中具有较大局限性。因此为满足实际工程需要，波浪砰击载荷的计算往往采用半理论半经验公式的方法。例如可通过对楔形块入水砰击算法进行改进，得到适用于水动压载时的平台波浪砰击载荷计算方法。

        大水深自升式平台水动压载计算理论和方法的提出，具有较高的应用价值，对减少穿刺风险危害具有重要意义，对设计者和作业者具有很强的指导作用。目前，该方法已经形成了一套完整的计算程序，并成功应用于HYSY941、HYSY944等400英尺大水深自升式平台，为业主现场压载作业提供了有效的理论指导。这一技术成果已形成专业论文，并被第36届海洋、离岸及极地工程国际会议OMAE2017录用发表。

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