水下生產(chǎn)設施安裝技術研究分析

尚照輝，阮偉東，熊海超，史佑，蘇峰，付劍波

1.浙江大學，浙江杭州310058

2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451

水下生產(chǎn)設施安裝技術研究分析

尚照輝1，阮偉東1，熊海超1，史佑2，蘇峰2，付劍波2

1.浙江大學，浙江杭州310058

2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451

主要對海洋油氣田開發(fā)中水下安裝工程所需要的安裝船類型、水下生產(chǎn)設施的安裝定位和安裝方法的選擇進行系統(tǒng)研究，包括下水、定位、連接等作業(yè)。在上述研究的基礎上參考DNV規(guī)范，分析安裝船上起重機吊點各特征響應，并詳細論述水下生產(chǎn)設施在安裝過程中所受到的各種水動力荷載的計算公式，便于進行模型的力學分析。旨在通過對水下生產(chǎn)設施安裝進行逐步分析，為設計及工程人員在對船舶類型要求、水下生產(chǎn)設施安裝方法、安裝仿真模擬等方面提供一定的理論和技術指導。

水下生產(chǎn)設施；安裝；DNV規(guī)范；水動力；研究

0 引言

海洋油氣田開發(fā)中應用的水下生產(chǎn)設施通常在岸上工廠進行加工、測試、包裝，再運送到指定地點進行安裝，但某些設施要求在現(xiàn)場進行制造安裝，如跨接管。將水下生產(chǎn)設施進行定點安裝的過程主要包括三個步驟：裝船、運輸和安裝，而水下安裝又包括三個階段：下水、對接和鎖定，如水下采油樹、管匯和跨接管[1]的安裝。

對于不同的安裝船、環(huán)境條件和安裝條件，水下生產(chǎn)設施的安裝方法不同。因此在進行安裝仿真分析之前需確定安裝方法、安裝環(huán)境、安裝條件等，并做好安裝定位準備以及數(shù)據(jù)分析[2]。

本文主要通過水下安裝工程中所需要的安裝船、水下生產(chǎn)設施安裝定位和安裝方法的選擇進行系統(tǒng)詳細的研究，包括下水、定位、連接等階段。在上述研究的基礎上參考DNV規(guī)范，求解安裝船上起重機吊點各特征響應，并詳細論述水下生產(chǎn)設施在安裝過程中所受各種水動力荷載的計算公式，便于進行模型的力學分析。同時，為設計及工程人員在對船舶要求、安裝方法、安裝仿真模擬等方面提供一定的理論與技術指導。

1 安裝船及水下安裝技術

1.1 安裝船的類型及選擇條件

典型的安裝船有：運輸安裝船和拖船；鉆井平臺，包括自升式鉆井平臺、半潛式平臺和鉆井船；管道鋪管船；臍帶纜鋪管船；起重船；輔助作業(yè)船，如遙控潛水器支持船（RSV）、潛水員輔助船（DSV）和現(xiàn)場支持船（FSV）等。

不同的安裝階段可能需要不同的安裝船協(xié)同作業(yè)。對某特定水下生產(chǎn)設施，可能存在多種安裝船皆能夠進行安裝工作，但是選擇哪種安裝船進行作業(yè)最合理，則需要綜合考慮船本身的能力因素以及經(jīng)濟、成本因素。此外，水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝方法及其分析也基于安裝船的選擇。

1.2 安裝船主要技術參數(shù)

浮性：在一定荷載條件下的船具有浮性，船具有四個方面的浮力條件，即垂直位置、切邊、傾側及它們的組合。

穩(wěn)定性：要求當作用在船上的力或彎矩消失后，船能夠回到最初的平衡位置。如果當前船舶穩(wěn)定性受到影響，應采用向船底艙注水或在船底甲板下放置配重塊，以降低船舶重心，確保船舶穩(wěn)定性。

抗沉性：即一個或多個艙室被水淹沒，船舶依然能夠保持一定的浮力和穩(wěn)定性的能力。

適航性：由于風、波浪、氣流而引起扭轉力或彎矩時，船舶在海上仍能夠安全航行或運作。

強度：通常包括縱向強度和局部強度，保證船的結構在運行、安裝過程中不會受到強度破壞和疲勞破壞。

甲板空間和承載能力：保證船體甲板上有足夠的空間和承載能力能夠安放和吊運水下生產(chǎn)設施以及其他配件。

1.3 水下生產(chǎn)設施安裝定位

水下生產(chǎn)設施的安裝要求安裝船有良好的定位系統(tǒng)以保證能夠精確地安裝和操作，定位包括海面定位和水下定位。

海面定位是指安裝船利用各種方法定位以保證安裝船在安裝時處于正確的位置，主要定位方式為錨鏈系泊（錨泊）和動力定位。錨泊定位（見圖1）是通過錨為海上作業(yè)系統(tǒng)定位，錨泊定位系統(tǒng)主要包括船錨、錨鏈、起錨裝置以及用于測量井與平臺相對位置的測量設施。動力定位是一種可以不用錨系而自動保持海上浮動裝置的定位方法（見圖2）。

圖1 半潛式平臺的錨泊定位

圖2 動力定位系統(tǒng)

水下定位是指當設施下水或者需要與目標點進行對接時，利用水下收發(fā)器/應答器等儀器進行設施之間的定位以控制對接過程。借助于ROV將水下生產(chǎn)系統(tǒng)放入水中并開始安裝時則需要水下定位，對于跨接管連接更加需要確定兩個連接物件之間的距離、角度等參數(shù)。水下裝備安裝的兩種主要方法是水聲法和張索法，兩種方法中水下光源是幫助設施安裝和精確定位最重要和常用的工具。

1.4 安裝方法選擇

海洋結構的安裝所選擇的安裝方法應具有安全性和可操作性的特點，同時還要有選定的干預策略。安裝方法的選擇應滿足以下條件：

（1）經(jīng)濟成本與安裝耗時最小化。

（2）滿足安裝環(huán)境條件，如水深等。

（3）安裝設施（臨時的或永久的）不應造成堵塞也不會影響介入過程。

（4）吊索、安裝所選用的吊裝梁/結構/構件的斷開都應符合選定的干預策略，一個備份系統(tǒng)也要建立起來。

（5）安裝設施在安裝、停滯、連接、移動過程中不應給永久工程帶來任何的風險。

（6）提升/安裝配置應按最小的提升質量來進行設計。

2 安裝船與環(huán)境荷載分析

2.1 安裝船響應幅值與起重機吊點運動計算

在風、浪、流等環(huán)境荷載作用下，實際的安裝船將同時發(fā)生六個自由度運動，如圖3所示[3]。

圖3 船舶響應幅值算子（RAO）

根據(jù)DNV規(guī)范[4]可求解起重機吊點各特征響應，在已知海況和波流方向時，起重機吊點垂向運動單幅值ηct為：

已知海況和波流方向時，起重機吊點特征單幅值垂向速度vct以及加速度act為：

式中ηH——船舶垂蕩特征單幅值；

φR——船舶橫搖特征單幅值；

φP——船舶縱搖特征單幅值；

b——船舶中心線到起重機吊點水平距離；

l——船中央到起重機吊點水平距離；

TH——船舶垂蕩固有頻率；

TR——船舶橫搖固有頻率；

TP——船舶縱搖固有頻率。

2.2 特征力分析

當物體降落穿過水面時，特征總力Ftotal的計算如下：

當物體下放開始瞬間或者突然停止時，會產(chǎn)生壓緊力，此時物體特征總力為：

對于海上作業(yè)，動力效應也可以利用動力放大系數(shù)（DAF）按照下列等式進行計算：

式中Fsta——靜荷載；

Fhyd——動荷載；

Fsnap——壓緊力。

動力放大系數(shù)可根據(jù)表1選用。

表1 動力放大系數(shù)（DAF）

2.2.1 靜荷載計算

靜止于水中的物體所承受的靜荷載為自身干重與浮力的差值[5]。當物體未浸入水中時，靜荷載即為自身干重。數(shù)學表達式如下：

式中m——空氣中的物體質量；

ρ——水密度；

g——重力加速度；

Vd——物體排開水的體積。

2.2.2 水動力載荷計算

2.2.2.1 浪濺區(qū)

當物體下放穿過浪濺區(qū)時，物體主要受到特征沖擊力、特征浮力、水動力拖曳力、水動力慣性力四種水動力荷載作用，總的動荷載為：

式中Fs——特征沖擊力；

Fρ——特征浮力；

Fd——水動力拖曳力；

Fm——水動力慣性力。

（1）特征沖擊力。當物體穿過水面時，物體底部受到來自水面的沖擊作用，特征沖擊力為：

式中As——穿過水面的物體單元在水平面上的投影面積；

Cs——沖擊系數(shù)（由經(jīng)驗或者實驗的方法確定，光滑圓柱體沖擊系數(shù)不小于3.0，其他形狀物體沖擊系數(shù)不得小于5.0）；

vs——沖擊影響速度，可由下式計算獲得：

式中Hs——設計海況的有效波高；

vc——吊鉤下放速度（沒有數(shù)據(jù)的情況下可采用0.5 m/s）。

（2）特征浮力。當物體穿過水面時，物體受到來自水面向上的浮力作用，特征浮力表達式如下：

式中K——起重系統(tǒng)剛度；

Vd——物體體積。

（3）水動力拖曳力。水動力拖曳力可由下式計算獲得：

式中Cd——水平面拖曳力系數(shù)（取值可參考文獻[5]）；

vr——水質點和物體之間的特征垂向相對速度。

（4）水動力慣性力。水動力慣性力可由下式計算：

式中madd——物體附加質量，madd=ρVdCm；

Cm——物體附加質量系數(shù)；

aw——水質點的特征垂向加速度。

2.2.2.2 中層水域

當物體下放穿過浪濺區(qū)后，繼續(xù)在水面下穩(wěn)定下放，此時物體主要受到水動力拖曳力、水動力慣性力兩個水動力荷載作用，總的動荷載為：

式中Fd——水動力拖曳力；

Fm——水動力慣性力。

Fd和Fm的計算方法與浪濺區(qū)的相同。

（1）壓緊力計算。物體突然下放或者突然停止時，會產(chǎn)生壓緊力，在合適的天氣條件下進行安裝可以避免壓緊力的產(chǎn)生。特征壓緊力計算如下：

式中vsnap——特征壓緊速度。

特征壓緊速度可由下式計算獲得：

式中vff——物體自由下落速度；

C——糾正系數(shù)。

（2）月池影響。通過月池安裝時，物體受到的特征力計算與式（8）相似，但是需要考慮月池對安裝的影響，需要在特征力計算中用Cmfm和Cdfd替代物體附加質量系數(shù)Cm和水平面拖曳力系數(shù)Cd，而fm和fd按下式計算：

式中Amp——月池的橫截面面積。

2.2.3 環(huán)境荷載分析

在水下生產(chǎn)設施安裝過程中，主要受到風、波浪、流三種環(huán)境荷載。由于水下安裝對天氣的特殊要求，風荷載對水下設施以及索具、纜繩作用力較小。因此在計算分析水下設施安裝過程時，忽略風荷載的影響。在模擬計算中將波浪和流作為環(huán)境荷載輸入?yún)?shù)。計算波浪、流荷載時，在0°～360°范圍內選取8個波向角，如圖4所示。

波浪以及海流力作用采用莫里森方程計算，物體受到波浪、海流的作用力為：

式中FD——物體受到拖曳力作用；

圖4 波向角選取

FM——物體受到慣性力作用。

慣性力作用于物體重心，計算如下：

式中CM——慣性力系數(shù)；

du/dt——垂直于構件軸線的水質點與構件之間的相對加速度。

對于一般結構物，拖曳力作用于物體重心，采用下式計算：

式中CD——垂直于構件軸線的流動拖曳力系數(shù)；

AP——在垂直于拖曳力方向上構件的投影面積；

US——流體質點在垂直于構件軸線方向上相對于構件的速度。

對于單位長度細長結構，其拖曳力采用下式計算：

式中D——細長結構橫截面直徑。

3 結束語

本文對水下生產(chǎn)設施安裝技術進行系統(tǒng)分析研究，其內容包括以下幾點：

（1）對水下生產(chǎn)設施安裝技術進行了分析研究，主要包括船的類型及選擇條件、主要技術參數(shù)的確定、水下生產(chǎn)設施安裝定位以及安裝方法的選擇等，為設計、作業(yè)人員提供一定的技術指導。

（2）參考相關DNV規(guī)范，總結分析安裝船上起重機吊點各特征響應，并詳細論述水下生產(chǎn)設施在安裝過程中所受到的各種水動力荷載的計算公式，為進行模型的力學分析提供理論基礎。

[1]馬增驥，唐文勇，薛鴻祥.水下生產(chǎn)系統(tǒng)跨接管結構極限承載能力分析[J].海洋工程，2013，31（1）:9-15.

[2]Bai Y，Bai Q.Subsea engineering handbook[M].Amsterdam: Elsevier，2010.

[3]Orcina.VisualOrcaflex User Manual[M].Ulverston，UK:Orcina，2005.

[4]DNV-158（1996），Rules for planning and execution of marine operations:PART2，CHAPTER 6 Subsea Operations[S].

[5]DNV RP H103（2010），Modelling and analysis of marine operations[S].

Technology Research and Analysis of Underwater Production Facilities Installation

Shang Zhaohui1，Ruan Weidong1，Xiong Haichao1，ShiYou2，Su Feng2，F(xiàn)u Jianbo2
1.Zhejiang University，Hangzhou 310058，China
2.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

This paper aims at doing the systematic research on the type choice of required installation vessels，positioning and installation methods of underwater production facilities.The research includes lowering underwater production facilities into water，positioning and connection，etc.Based on the above research，the characteristic responses of crane lifting point motion are well studied according to DNV rules.Then，the calculation equations for the different kinds of hydrodynamic forces acting on underwater production facilities in installation process are proposed，which is convenient for the mechanical analysis of model.The analytical research on underwater production facilities installation at sequent phases can give some theoretical foundation and technical guidances to the designers and engineers with respect to vessel type requirements，installation method and simulation of underwater production facilities.

underwater production facilities；installation；DNVrules；hydrodynamic force；research

國家科技重大專項“深水水下生產(chǎn)設施制造、測試裝備及技術”（2011ZX05027-004）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.003

尚照輝（1986-），男，河南唐河人，2013年畢業(yè)于浙江理工大學流體機械及工程專業(yè)，碩士，2014年浙江大學結構工程專業(yè)在讀博士生，從事海洋工程研究工作。

2014-07-16；

2015-01-30