深水環(huán)形超大型浮式海上基地進(jìn)船作業(yè)特性試驗(yàn)研究

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(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司， 天津 300451)

0 引言

南海深水區(qū)油氣資源豐富，但遠(yuǎn)離大陸、環(huán)境惡劣，為了解決勘探及開采過程中后勤補(bǔ)給、人員設(shè)備安全保障、工程船靠泊等困難，建立新型超大型浮式海上基地(VLFOB)的設(shè)想應(yīng)運(yùn)而生[1]。為了實(shí)現(xiàn)工程船避風(fēng)靠泊的功能，新型VLFOB采用了多個(gè)模塊組成的環(huán)形港灣結(jié)構(gòu)型式，每個(gè)模塊上安裝了消波性能良好的消浪室結(jié)構(gòu)，還設(shè)置了通道供工程船出入[2,3]。在進(jìn)船作業(yè)時(shí)，通道完全打開，兩個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu)通過多根只能承受拉力的纜繩柔性連接，形成一個(gè)雙浮體系統(tǒng)。在一定條件下，兩半環(huán)間相互作用水動(dòng)力系數(shù)與自身水動(dòng)力系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)上[4]，甚至?xí)l(fā)生共振現(xiàn)象[5]。余建星等[6,7]應(yīng)用三維勢流理論直接求解浮體間相互作用，得到移動(dòng)式海岸卸載系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；S.K. Chakrabarti[8]將三維勢流理論和圓柱體間多重散射的求解方法相結(jié)合，大大提升了計(jì)算效率。這些研究均局限在頻域范圍內(nèi)，并且都采用了線性彈簧模型來模擬連接器。陳徐均等[9]用一種簡化的時(shí)域方法，預(yù)報(bào)了用纜繩柔性連接的“口”字形六浮體系統(tǒng)在不規(guī)則波浪中的運(yùn)動(dòng)和錨泊力，但并未給出纜繩的連接力。

新型VLFOB采用了開孔消浪室結(jié)構(gòu)，與波浪的相互作用更加復(fù)雜；進(jìn)船作業(yè)時(shí)，兩半環(huán)的相對運(yùn)動(dòng)會(huì)使纜繩遭受較大的脈沖載荷，給數(shù)值模擬帶來了諸多困難。在模型試驗(yàn)對新型VLFOB的進(jìn)船作業(yè)水動(dòng)力特性研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了通道寬度變化與連接力的基本規(guī)律，并通過對比試驗(yàn)研究了進(jìn)船通道的開閉對VLFOB動(dòng)力特性的影響。

1 新型超大型浮式海上基地

新型VLFOB是由8個(gè)相同的弧形單體模塊相互連接而形成的環(huán)形港灣式結(jié)構(gòu)，單體模塊由上箱體、下箱體、立柱和消浪室組成(如圖1所示)。它的外圍直徑達(dá)到400 m，型深185 m，設(shè)計(jì)吃水150 m，排水量129萬噸，通過48根鏈-纜-鏈三段組合型式的張緊式系泊纜定位于2 000 m水深的海底，主要附屬設(shè)施有生活樓、吊機(jī)、直升機(jī)升降平臺(tái)、靠船件、錨機(jī)和系泊纜等，可實(shí)現(xiàn)直升機(jī)升降、工程船?？亢捅茱L(fēng)、物資存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)、人員安置等功能。

該VLFOB設(shè)置了可開閉的進(jìn)船通道，通道處的單體模塊間采用可分離式連接裝置連接，上、下箱體間分別設(shè)置了兩排(每排5個(gè))，共計(jì)20個(gè)可分離式連接裝置，立柱中部設(shè)置了單排4個(gè)可分離式連接裝置，其它模塊間采用剛性固定式連接裝置連接?？煞蛛x式連接裝置是由套筒、主軸、主軸卡子和纜繩組成。全環(huán)作業(yè)時(shí)，主軸與套筒間通過主軸卡子鎖緊，處于剛性固定連接狀態(tài)，VLFOB是各單體模塊間剛性連接的環(huán)形結(jié)構(gòu)；進(jìn)船作業(yè)時(shí)，主軸卡子松開，主軸與套筒分離，中間通過纜繩連接，VLFOB分離成前、后兩個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu)，之間形成50 m寬的進(jìn)船通道(如圖2所示)。

圖1 新型VLFOB效果圖 圖2 進(jìn)船作業(yè)工況效果圖

2 進(jìn)船作業(yè)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)中采取縮尺比：λ=80。先準(zhǔn)確模擬各單體模塊的重量屬性，再組裝成VLFOB的半環(huán)模型和全環(huán)模型，單體模塊、VLFOB半環(huán)和VLFOB全環(huán)的主要參數(shù)見表1。

表1 單體模塊、半環(huán)和全環(huán)的主要參數(shù)

在試驗(yàn)中，風(fēng)浪流組合海況包括設(shè)計(jì)進(jìn)船海況和南海一年一遇海況(參數(shù)見表2)。不規(guī)則波采用JONSWAP譜，表中Hs為有義波高，Tp為譜峰周期，γ為譜峰因子，Vw為海上10 m處風(fēng)速，Vc為表層流速。

表2 風(fēng)浪流組合海況參數(shù)

試驗(yàn)水深為10 m。在水平系泊下，對VLFOB單個(gè)半環(huán)進(jìn)行了白噪聲試驗(yàn)；在水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)下，對VLFOB進(jìn)船作業(yè)工況進(jìn)行了白噪聲試驗(yàn)和風(fēng)浪流組合海況試驗(yàn)；用作對比，在水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)下，對VLFOB全環(huán)進(jìn)行了風(fēng)浪流組合海況試驗(yàn),波浪試驗(yàn)工況見表3。

表3 波浪試驗(yàn)工況

VLFOB原系泊系統(tǒng)由每組6根、共8組系泊纜組成，通過基于靜力相似的多目標(biāo)優(yōu)化方法進(jìn)行水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)，將其中7組系泊纜簡化為每組2根，另外一組系泊纜仍然采用6根。該水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)由20根系泊纜組成，其水平、垂向回復(fù)力與全水深系泊系統(tǒng)一致[10,11](如圖3所示)。VLFOB全環(huán)試驗(yàn)的浪向定義如圖4所示。進(jìn)船作業(yè)工況，VLFOB分離成前、后兩個(gè)半環(huán)，浪向定義(如圖5所示)。圖4～圖5中，OXY為大地坐標(biāo)系，各浮體的參考坐標(biāo)系不同，但靜止時(shí)的方向與大地坐標(biāo)系平行。

圖3 水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)示意圖 圖4 VLFOB全環(huán)試驗(yàn)浪向定義

圖4中坐標(biāo)系第四象限內(nèi)的模塊間3個(gè)連接面，上、下箱體之間各安裝2個(gè)三分力儀，共計(jì)12個(gè)三分力儀作為模塊間剛性固定連接器，并測量連接載荷。由于進(jìn)船作業(yè)時(shí)通道開啟，圖5中只有對應(yīng)的兩個(gè)連接面安裝了共計(jì)8個(gè)三分力儀。三分力的安裝方法及方向定義如圖6所示，其中Xf為水平剪切力，Yf為垂向剪切力，Zf為軸向連接力。

圖5 進(jìn)船工況時(shí)浪向定義 圖6 三分力的安裝及方向定義 圖7 通道處纜繩簡化布置

試驗(yàn)中，對圖5通道1、通道2處連接兩個(gè)半環(huán)的纜繩進(jìn)行了相同的簡化，并測量了通道1處纜繩連接力。以通道1為例，上、下箱體之間各10根纜繩簡化為各2根纜繩，立柱中部之間4根纜繩簡化為2根纜繩，簡化前后纜繩的屬性見表4，簡化后纜繩的布置如圖7所示。

表4 通道處連接纜繩屬性

3 結(jié)果及分析

3.1 固有周期和阻尼系數(shù)

在自由漂浮狀態(tài)下，進(jìn)行VLFOB半環(huán)的靜水衰減試驗(yàn)，分析得到其垂蕩、橫搖、縱搖的固有周期和阻尼系數(shù)；在水深截?cái)嘞挡?、進(jìn)船作業(yè)工況下，對VLFOB的半環(huán)進(jìn)行靜水衰減試驗(yàn)，分析得到其六自由度運(yùn)動(dòng)的固有周期和無因次阻尼系數(shù)，結(jié)果見表5。

在水深截?cái)嘞挡础⑦M(jìn)船作業(yè)工況下，VLFOB半環(huán)的縱蕩、橫蕩、首搖固有周期都非常大，垂蕩、橫搖、縱搖固有周期相對較小，但都避開了常見的波浪周期。

與自由漂浮狀態(tài)相比，進(jìn)船作業(yè)時(shí)，VLFOB半環(huán)受到水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)和通過纜繩與之相連的半環(huán)的影響，縱搖回復(fù)力矩增大、固有周期明顯減?。淮故?、橫搖固有周期變化不大；垂蕩、橫搖和縱搖的阻尼系數(shù)明顯增大。

表5 運(yùn)動(dòng)固有周期和無因次阻尼系數(shù)

3.2 RAO結(jié)果

通過白噪聲試驗(yàn)，分析得到水平系泊下VLFOB半環(huán)的運(yùn)動(dòng)RAO，以及進(jìn)船作業(yè)時(shí)VLFOB前、后半環(huán)的運(yùn)動(dòng)RAO，180°浪向下縱蕩、垂蕩和縱搖RAO對比(如圖8所示)，90°浪向下橫蕩、垂蕩和橫搖RAO對比(如圖9所示)。由此可知：

(1) 180°浪向下，進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)的垂蕩和縱搖RAO基本一致，縱蕩RAO在0.15 rad/s～0.45 rad/s頻率段相差較大；90°浪向下，進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)的橫蕩、垂蕩和橫搖RAO都基本吻合。進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)運(yùn)動(dòng)RAO數(shù)值均不大；

(2) 180°浪向下，進(jìn)船作業(yè)時(shí)前半環(huán)的縱蕩RAO與水平系泊下相近，后半環(huán)的縱蕩在0.15 rad/s ～0.45 rad/s頻率段與水平系泊時(shí)相差較大；除此之外，進(jìn)船作業(yè)時(shí)前、后半環(huán)各運(yùn)動(dòng)模態(tài)的RAO在0.2 rad/s ～0.4 rad/s頻率段都比水平系泊時(shí)大。

圖8 RAO對比(180°浪向)

圖9 RAO對比(90°浪向)

3.3 進(jìn)船作業(yè)與全環(huán)作業(yè)的動(dòng)力響應(yīng)對比

南海一年一遇海況下，對于180°、157.5°兩個(gè)浪向，進(jìn)船作業(yè)和全環(huán)作業(yè)時(shí)各浮體的六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值見表6，兩個(gè)連接面處的固定連接載荷見表7，其中：Fx、Fy、Fz為水平剪切力、垂向剪切力和軸向連接力；Mx、My、Mz是以連接面中點(diǎn)為參考點(diǎn)的各向彎矩。通過對比運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊力和固定連接載荷，可知：

(1) 進(jìn)船作業(yè)時(shí)，VLFOB前、后半環(huán)的六自由度運(yùn)動(dòng)幅值相當(dāng)。前、后半環(huán)的縱蕩、橫蕩幅值在180°浪向時(shí)比VLFOB全環(huán)略小，在157.5°浪向時(shí)與VLFOB全環(huán)相當(dāng)；其垂蕩、橫搖、縱搖和首搖幅值在兩個(gè)浪向下基本上都比VLFOB全環(huán)大。

(2) 在180°、157.5°浪向下，進(jìn)船作業(yè)時(shí)，水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的最大系泊力分別為671.2 t、693.7 t，都小于全環(huán)作業(yè)時(shí)的最大系泊力722.8 t、736.7 t。這是因?yàn)椋阂环矫孢M(jìn)船作業(yè)時(shí)VLFOB前、后半環(huán)的運(yùn)動(dòng)與VLFOB全環(huán)相差不大，另一方面進(jìn)船作業(yè)時(shí)通道打開使得系泊纜的預(yù)張力減小。

(3) 對于連接面1的固定連接載荷，總體上，進(jìn)船作業(yè)時(shí)比全環(huán)作業(yè)時(shí)明顯增大。對于連接面2，除180°浪向下Fz、Mx和157.5°浪向下Mx、Mz是在進(jìn)船作業(yè)時(shí)較小外，其他各項(xiàng)固定連接載荷都是在進(jìn)船作業(yè)時(shí)明顯較大。實(shí)際上，由于進(jìn)船作業(yè)時(shí)通道處采用只能承受拉力的纜繩連接，前、后半環(huán)兩端沒有支撐，使得半環(huán)中部固定連接載荷大大增加。

南海一年一遇海況下，進(jìn)船作業(yè)時(shí)VLFOB前、后半環(huán)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不大，系泊力甚至小于全環(huán)作業(yè)時(shí)。而設(shè)計(jì)進(jìn)船海況等級(jí)更低，進(jìn)船作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力將會(huì)更小。但進(jìn)船通道打開后，前、后半環(huán)中部單體模塊間連接載荷明顯增大，需要引起設(shè)計(jì)的重視。

表6 六自由度運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)值對比

表7 兩個(gè)連接面的固定連接載荷對比

3.4 進(jìn)船通道寬度變化和連接力特性

進(jìn)船作業(yè)時(shí)，前、后半環(huán)的相對運(yùn)動(dòng)使得通道寬度時(shí)常發(fā)生變化，對船舶通行影響很大，同時(shí)也會(huì)使通道間連接纜繩遭受很大的脈沖載荷。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通道1處上箱體、立柱中部和下箱體間的連接纜拉力分別具有同步性，于是將上、中、下各兩根連接纜的拉力分別相加得到進(jìn)船通道間上、中、下部連接力。在南海一年一遇海況和設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下，通道頂端寬度變化量和最大連接力見表8?？芍?/p>

(1) 設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下，前、后兩環(huán)的相對運(yùn)動(dòng)小，通道寬度變化和連接力都遠(yuǎn)小于一年一遇海況，通道頂端最多變窄4.415 m，僅為通道總寬度的8.8%。該海況適合工程船舶進(jìn)出。

(2) 同一海況等級(jí)下，90°浪向時(shí)，通道迎浪，通道頂端寬度變化最小；157.5°浪向時(shí)次之；180°浪向時(shí)，通道開口方向與浪向垂直，通道寬度變化最大，最不利于船舶進(jìn)出，這與上述通道寬度變化規(guī)律是一致的。這說明，通道迎浪時(shí)可適應(yīng)更惡劣的海況。

(3) 在180°、157.5°浪向下，下箱體間的連接力最大，立柱中部次之，上箱體間最小，這說明前、后半環(huán)間以搖力為主；在90°浪向下，通道迎浪，立柱中部的連接力最大，下箱體間次之，上箱體間最小，這說明前、后半環(huán)間以相互分開的力為主。

(4) 原設(shè)計(jì)方案中，上、下箱體間采用10根連接纜連接，總破斷強(qiáng)度為25 000 t；立柱中部采用4根，總破斷強(qiáng)度為10 000 t。設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下，上、中、下部最大連接力分別為4 474 t、6 156 t、8 558 t，分別占總強(qiáng)度的17.9%、61.6%、34.2%。據(jù)此，在立柱中部之間需要增加連接纜，而上箱體間連接纜可以適當(dāng)減少。

圖10 Line1和Line2的連接力

海況南海一年一遇海況設(shè)計(jì)進(jìn)船海況浪向 (°)180157.590180157.590寬度減小最大值 (m)11.81911.2225.7144.4153.8132.578占總寬百分比 (%)23.622.411.48.87.65.2最大連接力 (t)上6 3295 5975 1444 4743 8633 078中10 95710 68213 9714 3345 4126 156下17 18814 67310 8905 5378 5586 025

4 結(jié)語

(1) 從固有周期和阻尼系數(shù)、運(yùn)動(dòng)RAO以及與VLFOB全環(huán)作業(yè)的對比分析可以發(fā)現(xiàn)：進(jìn)船作業(yè)時(shí)，VLFOB前、后半環(huán)具有較好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊性能。由于設(shè)計(jì)進(jìn)船海況能級(jí)較低，兩個(gè)半環(huán)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊力不大，需重點(diǎn)關(guān)注通道寬度變化、通道間纜繩連接力以及單體模塊間固定連接載荷等。

(2) 同一海況等級(jí)下，90°橫浪時(shí)，通道頂端寬度變化最小；157.5°首斜浪時(shí)次之；180°首迎浪時(shí)最大，最不利于船舶進(jìn)出。大體上，通道頂端寬度變化較小時(shí)，通道間連接力也較小。海況等級(jí)較低時(shí)，通道寬度變化和通道間連接力也較小。設(shè)計(jì)進(jìn)船海況下，通道寬度變化小，通道間連接力也較小，適合船舶進(jìn)出。

(3) 在180°首迎浪和157.5°首斜浪條件下，通道處下箱體間的連接力最大；在90°橫浪時(shí)，立柱中部的連接力最大。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)增加立柱中部之間連接纜，可適當(dāng)減少上箱體間連接纜。

(4) VLFOB通道打開后，前、后半環(huán)中部固定連接載荷明顯增加，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視。

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