惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托安裝數(shù)值模擬及模型試驗對比分析

許 南 李 宏 于文太 秦立成 王奕晟 王 飚

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300461； 2. 環(huán)境保護部核與輻射安全中心 北京 100082； 3. 北京大學(xué)物理學(xué)院 北京 100871)

惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托安裝數(shù)值模擬及模型試驗對比分析

許 南1李 宏2于文太1秦立成1王奕晟3王 飚1

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300461； 2. 環(huán)境保護部核與輻射安全中心 北京 100082； 3. 北京大學(xué)物理學(xué)院 北京 100871)

許南,李宏,于文太，等.惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托安裝數(shù)值模擬及模型試驗對比分析[J].中國海上油氣，2016,28(5)：115-119.

Xu Nan,Li Hong,Yu Wentai,et al.Comparative analysis between numerical simulation and model tests on dynamic positioning float-over installation of jacket platform topsides in HZ 25-8 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):115-119.

以惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊為例，對用“海洋石油278”工程船作為動力定位船進行動力定位浮托安裝進行了動力定位能力、待命運動、進退船護舷受力等的數(shù)值模擬和模型試驗的對比分析，結(jié)果表明：數(shù)值模擬分析可以比較經(jīng)濟地進行“海洋石油278”工程船的動力定位浮托模擬，但數(shù)值模擬的各種參數(shù)選定比較理想化，因此有相關(guān)經(jīng)驗的設(shè)計項目可以進行數(shù)值模擬分析，而沒有相關(guān)經(jīng)驗的設(shè)計項目則應(yīng)增加模型試驗，以驗證數(shù)據(jù)分析的準確性；動力定位水池模型試驗?zāi)茌^好地驗證動力定位船的定位能力，但所得出運動結(jié)果數(shù)值偏大，說明水池模型試驗受外部的影響因素較大，再加上縮尺比、控制系統(tǒng)、推進器的效率比例模擬等都會影響真實情況，因此，制定浮托模擬演練并加強動力定位船舶的海上訓(xùn)練對于動力定位浮托來說會更有意義。

惠州25-8油田；導(dǎo)管架平臺；上部模塊；動力定位；浮托安裝；數(shù)值模擬；模型試驗；對比分析

傳統(tǒng)的平臺安裝方法主要是利用浮吊船把平臺上部模塊分成多個吊裝就位，這種方法不僅需要浮吊資源，而且需要長的工期及長時間的調(diào)試，有時候還會受到浮吊能力的限制。目前海上平臺正在向集約化、大型化方向發(fā)展，平臺模塊的尺寸和整體質(zhì)量也隨之增大，這對海上平臺的安裝技術(shù)和作業(yè)能力提出了更高的要求。常規(guī)無動力的駁船浮托安裝需要進行系泊系統(tǒng)定位及輔助拖輪牽引，而動力定位浮托安裝不僅無須進行系泊系統(tǒng)定位及輔助拖輪牽引，現(xiàn)場安裝效率較快，而且定位的成本不會隨著水深的增加而增加。在我國環(huán)境惡劣的南海，傳統(tǒng)的浮托安裝常常會受到海況的限制，而動力定位浮托安裝需要的時間窗口又相對較小，且動力定位在計算分析中有一定的局限性[1-5]，因此須要利用模型試驗的方法來克服。本文以惠州25-8 油田導(dǎo)管架平臺上部模塊為例，開展動力定位浮托安裝數(shù)值模擬與模型試驗分析，旨在為該平臺上部組塊動力定位浮托安裝提供參考依據(jù)，并驗證設(shè)計分析的準確性。

1 參數(shù)選取

惠州25-8 油田位于中國南海珠江口盆地，距離香港東南方約140 km，水深為100.1 m，該油田導(dǎo)管架平臺上部模塊重達13 000 t,因此選用“海洋石油278”工程船完成動力定位浮托安裝?！昂Ｑ笫?78”工程船裝備有動力定位系統(tǒng)，其推力系統(tǒng)包括3套槽道推進器、2套全回旋推進器、2套主推進器及2副舵。

1.1 動力定位船參數(shù)

“海洋石油278”工程船總長221.6 m，型寬42.0 m，型深13.3 m，最大下潛深度26.8 m，裝載后水面以上最大寬度51.623 m，其中船首右舷超出5.719 m，船尾左舷超出3.905 m，含壓載水的裝載量為50 424 t，總裝載量53 500 t，為全球首艘?guī)恿Χㄎ坏?萬噸級自航式半潛船。該船甲板面積7 500 m2，可用于大型模塊的浮托法安裝、裝卸以及運輸鉆井平臺和其他大型鋼結(jié)構(gòu)物,航行速度26 km/h,質(zhì)量為24 195 t,重心處于沿船長方向117.95 m、橫向0.139 m、垂向11.656 m的位置其外形如圖1所示。

“海洋石油278”工程船裝載惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊運輸?shù)浆F(xiàn)場，進船吃水8 m，無縱傾、橫傾，在進船、對接、退船等操作時主要緩沖裝置分別為橫蕩護舷、縱蕩護舷、樁腿耦合緩沖裝置、組塊支撐裝置等，如圖2所示。其中，橫蕩護舷用來控制橫向運動，減小橫向運動載荷，由橡膠做成的護舷吸能裝置主要安裝在導(dǎo)管架內(nèi)樁腿上；利用力-變形曲線計算橫蕩護舷受力，導(dǎo)管架剛度為14 500 Mt/m，計算過程中采用了彈性體和導(dǎo)管架的綜合剛度?？v蕩護舷用來控制縱向運動，減小縱向運動載荷，由橡膠做成的護舷吸能裝置主要安裝在導(dǎo)管架樁腿A2和A3上;利用力-變形曲線計算縱蕩護舷的受力，進船時導(dǎo)管架剛度為16 750 Mt/m,退船時導(dǎo)管架剛度為22 500 Mt/m。此外，樁腿耦合緩沖裝置和模塊支撐裝置也是利用橡膠來吸能，計算過程中也輸入了非線性曲線。

圖1 “海洋石油278”工程船外形圖

圖2 惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托緩沖裝置分布圖

1.2 坐標方向

如圖3所示，坐標x方向由船尾指向船頭,y方向由船尾指向左舷,z方向垂直向上,模擬中風(fēng)、浪、流方向假設(shè)為同向，風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件的入射角度均滿足大地坐標系定義。當(dāng)“海洋石油278”工程船處于待命就位、進船狀態(tài)時，工程船和上部模塊可視為一個剛體，其在任意時刻的復(fù)雜運動可以分解為6個自由度的運動，即3個線位移(縱蕩、橫蕩、垂蕩)與3個角位移(橫搖、縱搖、首搖)。當(dāng)“海洋石油278”工程船處于退船狀態(tài)時，上部模塊已經(jīng)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上，僅有工程船一個剛體，局部坐標系位于工程船重心，以右手法則定義。

圖3 惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托安裝數(shù)值模擬坐標方向

1.3 海況參數(shù)

確定浮托環(huán)境條件時，每45°為1個方向，共8個方向，進船、對接、退船分析過程中采用的海況參數(shù)見表1。

表1 南海海況參數(shù)

2 數(shù)值模擬與模型試驗

2.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用水動力力學(xué)分析軟件AQWA，通過三維勢流理論計算濕表面上的波浪力，考慮鄰近結(jié)構(gòu)間的流體動力學(xué)相互作用，因而可以考慮某一結(jié)構(gòu)的運動可能影響另一結(jié)構(gòu)的運動[6-9]。水動力學(xué)分析的3個步驟為：①進行水線面下船體的繞射分析，以確定該船的運動響應(yīng)參數(shù)；②利用AQWA軟件具有移除波浪擾動時平衡的能力，在非線性時域分析開始時，通過AQWA-Libr找到整個系統(tǒng)的靜平衡位置，并作為非線性時域分析的起始位置；③對整個系統(tǒng)包括船體、上部模塊和導(dǎo)管架進行非線性時域分析，從而計算運動和相互作用產(chǎn)生的荷載。此外，在浮托安裝分析過程中對存在的非線性接觸對(橫蕩護舷、縱蕩護舷、樁腿耦合緩沖裝置、模塊支撐裝置)都進行了非線性考慮，如圖4所示?；葜?5-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊浮托水動力模型見圖5，該模型由1 988個單元組成。

圖4 惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托對接分析相互作用圖

圖5 惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托水動力模型圖

2.2 模型試驗

模型試驗的主要目的是研究動力定位浮托安裝的關(guān)鍵流程，并對動力定位浮托安裝的可行性和工程設(shè)計方案進行驗證[10]。模型試驗在上海交通大學(xué)的海洋工程水池進行(圖6)，模型縮尺比為1∶36，使用的模型設(shè)備主要有：鋼制浮托用導(dǎo)管架模型1個，木制“海洋石油278”工程船模型1艘，導(dǎo)管架平臺的上部模塊模型1套，上部模塊支撐及連接機構(gòu)模型1套，護舷模型1套，7套推進器及其驅(qū)動電機，2副舵及其驅(qū)動電機。主要進行了3個試驗：待命就位狀態(tài)試驗、進船狀態(tài)試驗、退船狀態(tài)試驗。

圖6 惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊動力定位浮托模型試驗圖

3 結(jié)果對比分析

3.1 動力定位能力分析

考慮到實際作業(yè)中推進器能抵消外載荷的動力效應(yīng),設(shè)定可用推力值為最大推力的80%,數(shù)值模擬分析得出了所有推進器正常工作下的動力定位能力曲線圖(圖7)。從圖7可以看出，“海洋石油278”工程船在縱向方向上(0°和180°)的動力定位能力較高，抵抗的風(fēng)速較大；當(dāng)首向角處于30～150°和210～330°范圍內(nèi)時，動力定位能力較差。模型試驗結(jié)果顯示，45°、90°和135°首向角海況下不能完成定位。分析認為，數(shù)值模擬結(jié)果顯示當(dāng)首向角為45°時，浮托船能抵抗15 m/s以上的風(fēng)速，但動力定位能力曲線僅考慮了靜態(tài)載荷，未涉及“海洋石油278”工程船的波頻運動和環(huán)境動態(tài)載荷。由此可見,模型試驗?zāi)芎芎玫貜浹a數(shù)值模擬分析的不足。

圖7 惠州25-8油田導(dǎo)管架平臺上部模塊浮托數(shù)值模擬動力定位能力曲線

3.2 待命運動分析

表2為“海洋石油278”工程船在0°和180°首向角待命就位的運動統(tǒng)計結(jié)果。從表2可以看出，在時域模擬中，“海洋石油278”工程船在180°和0°首向角的環(huán)境載荷作用下均可以實現(xiàn)高精度的定位，平均漂移半徑分別為0.573 4 m和0.533 3 m，最大漂移半徑均不超過1 m。在模型試驗中，“海洋石油278”工程船在180°和0°首向角的環(huán)境載荷作用下偏移半徑較大，動力定位效果不夠理想，其平均漂移半徑分別為5.34 m和6.16 m。由于首向角為180°工況下船首與波浪保持相對較好的流線形狀，所以“海洋石油278”工程船在180°首向角的環(huán)境載荷下的首搖和橫蕩運動要比在0°環(huán)境載荷下的運動小得多。對比分析可以看出，“海洋石油278”工程船時域模擬的定位情況要比模型試驗的結(jié)果稍好，主要原因在于模型試驗易受到外界環(huán)境變化的擾動，而時域模擬的模型相對簡化，加之動力定位系統(tǒng)的非線性，其最大值、標準差的統(tǒng)計結(jié)果均比時域模擬結(jié)果大一些。因此，對于動力定位浮托來說，制定浮托模擬演練并加強動力定位船舶的海上訓(xùn)練會更有意義。

表2 “海洋石油278”工程船在0°和180°首向角待命就位運動統(tǒng)計分析

3.3 進退船護弦受力分析

由于本次動力定位浮托安裝首次采用新型護舷結(jié)構(gòu)形式,再加上護舷結(jié)構(gòu)相對比較薄弱，因此主要對進退船時護舷受力進行分析。數(shù)值模擬分析中考慮了13種工況(進船3種工況、對接7種工況、退船3種工況)，得到了進退船過程中橫蕩護舷、縱蕩護舷的受力以及對接過程中橫蕩護舷、縱蕩護舷、樁腿耦合緩沖裝置、模塊支撐裝置的受力等。結(jié)果顯示，進船時橫蕩護舷和縱蕩護舷的最大受力分別為2 560 kN和1 240 kN，退船時橫蕩護舷和縱蕩護舷的最大受力分別為2 350 kN和890 kN，滿足設(shè)計要求。

模型試驗中采用了相同的設(shè)計海況。從護舷壓力來看，進船時在首向角為180°和0°工況下具有較好的進船特性，最大護舷壓力分別為1 710 kN和1 850 kN，大部分護舷壓力在1000 kN以內(nèi)；在首向角為135°、90°、45°工況下大部分護舷壓力普遍大于1 000 kN，最大護舷壓力分別為2 150、2 140和2 120 kN。退船時在首向角為135°、90°、45°工況下大部分護舷壓力普遍大于1 000 kN，最大護舷壓力分別為2 340、2 220和1 960 kN。由此可見，模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬分析可以比較經(jīng)濟地進行“海洋石油278”工程船的動力定位浮托模擬，但數(shù)值模擬中各種參數(shù)選定比較理想化，因此有相關(guān)經(jīng)驗的設(shè)計項目可以進行數(shù)值模擬分析，而沒有相關(guān)經(jīng)驗的設(shè)計項目則應(yīng)增加模型試驗，以驗證數(shù)據(jù)分析的準確性。

2) 動力定位水池模型試驗?zāi)茌^好地驗證動力定位船的定位能力，但所得出的運動結(jié)果數(shù)值偏大，說明水池模型試驗受外部的影響因素較大，再加上縮尺比、控制系統(tǒng)、推進器的效率比例模擬等都會影響真實情況，因此制定浮托模擬演練并加強動力定位船舶的海上訓(xùn)練，對于動力定位浮托來說會更有意義。

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(編輯：葉秋敏)

Comparative analysis between numerical simulation and model tests on dynamic positioning float-over installation of jacket platform topsides in HZ25-8 oilfield

Xu Nan1Li Hong2Yu Wentai1Qin Licheng1Wang Yisheng3Wang Biao1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300461,China; 2.MEPNuclearandRadiationSafetyCenter,Beijing100082,China; 3.SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Taking the topsides on jacket platforms in HZ25-8 oilfield as an example, comparative analyses between numerical simulation and physical model tests on the DP capability, standby motion, and fender stress etc. were carried out on float-over installation with HYSY278 vessel as the dynamic positioning vessel. The results show that float-over simulation with HYSY278 vessel dynamic positioning can be numerically simulated economically, but various parameters in the simulation can be idealized. A design project can be finished with numerical simulation if the relevant experience exists; otherwise physical model tests should also be utilized to verify the numerical analysis accuracy. Physical model tests on dynamic positioning can verify the positioning capability, but the resulting motion value is erroneously higher, which indicates that the model tests are influenced by some external factors, as well as by the scale, control system, thruster efficiency ratio etc. Therefore, developing the float-over simulation scheme and strengthening training on dynamic positioning vessels will be more meaningful for the dynamic positioning float-over installation.

HZ25-8 oilfield; jacket platform; topside; dynamic positioning; float-over installation; numerical simulation; physical model test; comparative analysis

許南，男，高級工程師，1985年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶設(shè)計與制造專業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋工程科研及施工管理等方面工作。地址：天津港保稅區(qū)海濱十五路199號(郵編：300461)。

1673-1506(2016)05-0115-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.019

P751

A