導(dǎo)管架下水時(shí)的駁船總縱強(qiáng)度分析

楊小龍，楊 輝，劉 波，董曉曼，阮勝福

(海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451)

隨著海洋石油開(kāi)采不斷向深水發(fā)展，固定式平臺(tái)的應(yīng)用水深已超過(guò)400 m。目前300 m水深以內(nèi)的固定式平臺(tái)絕大部分采用樁基式導(dǎo)管架形式。隨著下部基礎(chǔ)的體積和重量越來(lái)越大，如何經(jīng)濟(jì)、安全地進(jìn)行下部基礎(chǔ)的安裝成為海洋工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

導(dǎo)管架的滑移下水是指通過(guò)調(diào)整安裝船舶浮態(tài)，使導(dǎo)管架與駁船做相對(duì)的滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，自行運(yùn)動(dòng)到脫離駁船，在水中運(yùn)行一段時(shí)間后處于穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。20世紀(jì)70年代初國(guó)外已開(kāi)始在海上實(shí)施導(dǎo)管架的滑移下水，隨后有關(guān)導(dǎo)管架滑移下水的數(shù)值模擬分析和安裝技術(shù)日趨成熟［1］。下水過(guò)程中導(dǎo)管架的強(qiáng)度及穩(wěn)性是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)，但隨著導(dǎo)管架重量增加，目前國(guó)內(nèi)采用滑移下水形式安裝的導(dǎo)管架重量已超過(guò)3萬(wàn)t，下水過(guò)程中駁船總縱強(qiáng)度破壞成為整個(gè)下水安裝過(guò)程的危險(xiǎn)因素，應(yīng)引起足夠重視。

為科學(xué)地評(píng)估下水過(guò)程中船舶的強(qiáng)度，進(jìn)行導(dǎo)管架的下水的數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上，提出一種用于計(jì)算下水過(guò)程中駁船總縱強(qiáng)度的簡(jiǎn)化方法，精度可以滿足工程應(yīng)用的要求。

1 計(jì)算方法

首先對(duì)某18 000 t導(dǎo)管架下水過(guò)程進(jìn)行時(shí)域數(shù)值模擬，在得到不同時(shí)刻船體的各項(xiàng)受力后，結(jié)合駁船浮態(tài)與裝載工況進(jìn)行船體總縱強(qiáng)度評(píng)估。下水時(shí)域模擬程序在Moses內(nèi)置宏命令的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，導(dǎo)管架和駁船看成是兩個(gè)獨(dú)立的6自由度剛體。下水過(guò)程中導(dǎo)管架上的水動(dòng)力載荷通過(guò)Morison方程計(jì)算。對(duì)于駁船，選用定常的附加質(zhì)量系數(shù)和線性輻射阻尼系數(shù)計(jì)算水動(dòng)力慣性載荷和粘性載荷。下水環(huán)境條件假定為靜水，這是因?yàn)橄滤^(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，通常在1 min內(nèi)既可完成，環(huán)境力對(duì)其影響很小。

研究結(jié)果表明，導(dǎo)管架在下滑過(guò)程中與駁船作用力逐漸減小且沒(méi)有大的波動(dòng)［2］，為使評(píng)估結(jié)果具有代表性，選取下水過(guò)程中三個(gè)典型工況:①導(dǎo)管架剛開(kāi)始滑移，見(jiàn)圖1;②滑移過(guò)程中;③導(dǎo)管架開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖2。

圖1 導(dǎo)管架準(zhǔn)備滑移下水

圖2 導(dǎo)管架開(kāi)始翻轉(zhuǎn)

2 算例

2.1 計(jì)算軟件

Moses是一款通用的浮式計(jì)算軟件，可進(jìn)行大部分海上施工的數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果有著很高的計(jì)算精度，國(guó)際上應(yīng)用廣泛。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

坐標(biāo)系定義見(jiàn)圖3，X軸原點(diǎn)位于船艏，正向由船艏指向船艉，Y軸原點(diǎn)位于船體中線，向右為正，Z軸原點(diǎn)位于船體基線上，向上為正，坐標(biāo)系定義服從右手定則。

圖3 船體坐標(biāo)系

計(jì)算下水駁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，下水導(dǎo)管架設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，組塊在駁船上的位置見(jiàn)圖4。

表1 下水駁設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 運(yùn)載結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 導(dǎo)管架在駁船上位置(側(cè)視)

2.3 計(jì)算結(jié)果

在整個(gè)下水過(guò)程中選取的3個(gè)典型時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的駁船裝載工況見(jiàn)表3。

在3個(gè)典型下水時(shí)刻提取駁船所受的外載荷，包括導(dǎo)管架反力、靜水載荷和水動(dòng)力載荷，編制Moses程序進(jìn)行駁船總縱強(qiáng)度評(píng)估。剪力和彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

表3 三個(gè)典型裝載工況

圖5 下水過(guò)程中剪力計(jì)算結(jié)果

圖6 下水過(guò)程中彎矩計(jì)算結(jié)果

為考慮不同的壓載方案對(duì)下水過(guò)程中駁船總縱強(qiáng)度的影響，在總縱受力較大的導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時(shí)刻選用兩種壓載方案，一種是Moses程序自動(dòng)配載，另一種經(jīng)過(guò)人為處理，將壓載水向船中部集中，減小“中拱”效應(yīng)的影響。對(duì)應(yīng)的總縱強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

圖7 不同壓載方案下剪力計(jì)算結(jié)果

圖8 不同壓載方案下彎矩計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

1)從導(dǎo)管架開(kāi)始滑動(dòng)到即將翻轉(zhuǎn)，駁船剪力和彎矩的持續(xù)增大，最大值出現(xiàn)在導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，此時(shí)駁船艏部已經(jīng)出水，縱傾基本達(dá)到最大值，導(dǎo)管架重量集中在船艉搖臂銷軸上。此后導(dǎo)管架開(kāi)始翻轉(zhuǎn)，作用在駁船上的反力持續(xù)減小，直至最后于駁船完全分離。

2)在下水分析中假定駁船為剛體，不同的壓載方案不影響導(dǎo)管架下水的計(jì)算結(jié)果。但是壓載水布置對(duì)駁船的總縱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果影響很大，船艏出水縱傾持續(xù)增加會(huì)“放大”這種影響。從圖8中可以看出，最大的彎矩計(jì)算結(jié)果兩者相差接近25%，大型導(dǎo)管架下水前優(yōu)化壓載方案以減小駁船的總縱受力是很有必要的。

3)下水時(shí)駁船的初始浮態(tài)，導(dǎo)管架在駁船上的初始位置等因素都會(huì)影響整個(gè)下水過(guò)程進(jìn)而對(duì)駁船的總縱受力產(chǎn)生影響。除此之外，船體的總縱強(qiáng)度僅是下水分析中的一個(gè)關(guān)鍵因素，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)綜合考慮下水過(guò)程中的導(dǎo)管架的強(qiáng)度、穩(wěn)性、搖臂上的反力及船艉最大吃水等各個(gè)方面是設(shè)計(jì)的基本原則。

［1］余建星，譚振東，田 佳.導(dǎo)管架下水參數(shù)計(jì)算程序設(shè)計(jì)［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25(1):9-14.

［2］張廣發(fā)，李鐵驪，紀(jì)卓尚，等.深水導(dǎo)管架下水扶正過(guò)程定量風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.海洋工程，2004，44(3):416-420.