動力定位浮托安裝法退船工況模型試驗(yàn)

王 飚， 秦立成， 王 磊

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240)

·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

動力定位浮托安裝法退船工況模型試驗(yàn)

王 飚1， 秦立成1， 王 磊2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240)

針對惠州25-8DPP動力定位浮托組塊的退船階段進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析浮托安裝船在不同的海洋環(huán)境下的退船過程，測量并分析浮托駁船的運(yùn)動軌跡、推進(jìn)器功率消耗以及護(hù)舷靠墊力，得到退船階段的特性與規(guī)律。結(jié)果表明，180°與0°的退船工況具有較好的退船特性，并且在退船過程結(jié)束時(shí)，由于缺少靠墊力的作用以及受到風(fēng)浪流環(huán)境力的作用，浮托駁船受到艏搖力矩的影響，容易出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象。

浮托安裝； 動力定位； 退船工況； 模型試驗(yàn)

0 引 言

隨著海洋油氣資源的勘探與開發(fā)的不斷發(fā)展，可用于海洋油氣資源勘探開發(fā)的大型設(shè)備的建造與安裝難度問題逐漸受到人們重視[1]。傳統(tǒng)的分別建造與吊裝最后進(jìn)行焊接組合的方法，其安裝作業(yè)周期往往較長且耗費(fèi)較多鋼材，成本較高。單模塊化整體安裝方法不僅節(jié)約時(shí)間和施工成本，還能縮短海上連接調(diào)試時(shí)間，目前主要有兩種整體安裝方法，即為浮吊法與浮托法[2-3]。

浮吊安裝法是利用大型起重船吊起整個(gè)上部組塊然后準(zhǔn)確吊放在平臺的下部結(jié)構(gòu)上，通常在安裝中小型的上部模塊時(shí)該方法使用較多[4-5]。浮托安裝法是通過駁船運(yùn)輸上部組塊到目標(biāo)安裝位置，在定位系統(tǒng)和拖輪的輔助下定位與下部結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，再將上部組塊的質(zhì)量緩慢轉(zhuǎn)移到下部結(jié)構(gòu)上的方法。其過程主要分為裝船、運(yùn)輸、就位、進(jìn)船、載荷轉(zhuǎn)移與退船共6個(gè)階段[6]。浮托法適用于大中型平臺的海上安裝，相比于浮吊法，成本更低，耗時(shí)更短，受水深和風(fēng)浪條件等因素制約更少，逐漸成為海上平臺組塊安裝的主流方法。

動力定位系統(tǒng)是一種利用推進(jìn)器推力與外界環(huán)境力平衡從而達(dá)到船舶定位的系統(tǒng)[7-8]，隨著動力定位系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展，動力定位逐漸應(yīng)用于軌跡跟蹤、浮托安裝等工程實(shí)際中[9-11]?；趧恿Χㄎ坏母⊥邪惭b法相比于利用系泊系統(tǒng)與拖船輔助的浮托法可減少大量作業(yè)時(shí)間，降低安裝風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約物力和人力成本[12-14]。

本文針對浮托安裝法的退船過程進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得運(yùn)輸駁船的退船特性，為實(shí)際浮托安裝作業(yè)提供參考與指導(dǎo)。

1 坐標(biāo)系定義

本次模型試驗(yàn)中共采用大地坐標(biāo)系XEOYE以及隨船坐標(biāo)系XbOYb共2個(gè)坐標(biāo)系[13]，如圖1所示。風(fēng)浪流方向在大地坐標(biāo)系中表示。當(dāng)駁船處于退船狀態(tài)時(shí)，上部組塊已經(jīng)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上，僅有駁船一個(gè)剛體，故在局部坐標(biāo)系中，Xb軸指向船首方向?yàn)檎?，Yb軸以左舷為正，Zb軸以右手法則定義。

圖1 坐標(biāo)系示意圖

2 相似理論

在模型試驗(yàn)中，需滿足幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似3個(gè)條件，但由于滿足2個(gè)及2個(gè)以上相似條件難以實(shí)現(xiàn)，故在模型試驗(yàn)中通常保持實(shí)船與模型的傅汝德數(shù)Fr和斯特羅哈數(shù)St相等[14]，即：

式中：V，L，T分別為特征速度、特征線尺度及特征周期；下標(biāo)m及s分別表示模型和實(shí)型。

同時(shí)，由于實(shí)船與模型所處環(huán)境的流體不同，因此需考慮流體介質(zhì)的密度變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響。根據(jù)試驗(yàn)水池的模擬條件與海洋的實(shí)際環(huán)境，本試驗(yàn)設(shè)定模型縮尺比λ=36，海水和淡水的密度比γ=1.025。

3 模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)利用動力定位系統(tǒng)完成浮托安裝退船工況操作，實(shí)時(shí)運(yùn)動信息由光學(xué)測量儀器捕捉，運(yùn)動信息傳遞到控制系統(tǒng)內(nèi)，控制系統(tǒng)計(jì)算出抵抗外界環(huán)境力所需的推力大小，并進(jìn)行推力分配，使得駁船按預(yù)定軌跡行駛。實(shí)驗(yàn)過程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集，主要記錄的數(shù)據(jù)包括船舶運(yùn)動軌跡，推進(jìn)器回轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與功率，護(hù)舷靠墊力等等，數(shù)據(jù)采樣頻率為40 Hz，試驗(yàn)時(shí)間超過30 min，對應(yīng)的實(shí)際作業(yè)時(shí)間超過3 h。為了更好地獲得該駁船的退船特性并減少實(shí)驗(yàn)過程中的偶然性，分別進(jìn)行艏向角為0°、45°、90°、135°與180°的退船試驗(yàn)，每個(gè)角度均重復(fù)進(jìn)行3次。

3.1 運(yùn)輸駁船模型

本研究對象為惠州25-8DPP浮托組塊的海洋石油-278號運(yùn)輸駁船，主要運(yùn)輸浮托上部組塊并被用于浮托作業(yè)。該運(yùn)輸駁船在退船過程中主尺度實(shí)際值和模型值分別如表1所列，駁船的總布置圖如圖2所示。

表1 退船工況運(yùn)輸駁船主尺度(barge+DSF，不含topside)

3.2 海洋環(huán)境模擬

3.2.1 風(fēng)的模擬

試驗(yàn)采用定常風(fēng)模擬海上風(fēng)況，并通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到改變風(fēng)速的目的。試驗(yàn)水池配備有風(fēng)速儀測量實(shí)時(shí)風(fēng)速。

3.2.2 流的模擬

試驗(yàn)水池配備了整體造流系統(tǒng)與局部造流系統(tǒng)，同時(shí)開啟可滿足較大流速的要求。退船試驗(yàn)中，流速需達(dá)到0.167 m/s，兩個(gè)造流系統(tǒng)需同時(shí)開啟。試驗(yàn)水池同樣配備有流速儀測量實(shí)時(shí)流速。

3.2.3 波浪的模擬

退船試驗(yàn)中采用JONSWAP譜，波浪譜結(jié)果與目標(biāo)譜對比如圖2所示。

試驗(yàn)中，風(fēng)浪流海洋環(huán)境組合情況如表2所示。

圖2 駁船總布置圖

圖2 波浪譜實(shí)際結(jié)果與目標(biāo)譜對比

3.3 推進(jìn)設(shè)備模擬

海油278運(yùn)輸駁船配備有7套推進(jìn)器，分別為首尾側(cè)推進(jìn)器、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以及主推進(jìn)器等，并在船尾配備有懸掛式襟翼舵，分布情況如圖3所示。在試驗(yàn)中，推進(jìn)器均采用螺距比為1.1的Ka4-70螺旋槳，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和主推進(jìn)器的導(dǎo)管均為No.19A型導(dǎo)管。由于試驗(yàn)中所用推進(jìn)器的水動力性能與實(shí)船不同，因而需將試驗(yàn)中的螺旋槳功率值修正為相同推力下的實(shí)船螺旋槳功率。

表2 退船海洋環(huán)境模擬

圖3 推進(jìn)設(shè)備分布

3.4 護(hù)舷靠墊模擬

在浮托安裝實(shí)際作業(yè)中，為防止船舶與下層結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，往往在船舶與導(dǎo)管架之間布置護(hù)舷靠墊。如圖4所示。

圖4 靠墊位置(180°來流)

試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)管架模型配備有8個(gè)護(hù)舷靠墊，每個(gè)靠墊均附有壓力傳感器，根據(jù)靠墊的剛度曲線以及靠墊的形變量，記錄并傳遞到計(jì)算機(jī)中，最終得到碰撞力的大小，靠墊的剛度曲線如圖5所示。

圖5 靠墊剛度曲線

4 退船試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)流程

動力定位浮托安裝退船操作模型試驗(yàn)流程如下：①船模在靜水中由人工固定在導(dǎo)管架中心；②在船模固定位置，動力定位系統(tǒng)中各物理量采零；③開啟造流設(shè)備和造風(fēng)設(shè)備，等待至風(fēng)速與流速達(dá)到穩(wěn)定值；④開啟動力定位系統(tǒng)，人工固定解除；⑤當(dāng)動力定位船模在風(fēng)流載荷中正常工作時(shí)，開啟造波設(shè)備；⑥進(jìn)行動力定位浮托安裝退船工況試驗(yàn)。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集，最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均已換算到實(shí)船數(shù)據(jù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)分別進(jìn)行了艏向角為0°、45°、90°、135°與180°的退船試驗(yàn)，并考慮實(shí)驗(yàn)的偶然性，每個(gè)角度退船的實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，最終得到退船過程中，運(yùn)輸駁船的推進(jìn)器各項(xiàng)信息以及靠墊壓力結(jié)果。推進(jìn)器功率統(tǒng)計(jì)如表3所示，最大靠墊壓力如表4所示。

根據(jù)推進(jìn)器功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在90°退船時(shí)，由于推進(jìn)器需抵抗橫向環(huán)境力并提供船舶目標(biāo)軌跡行駛的推力，其平均功率以及最大功率對比其他角度工況為最大，其中槽道推進(jìn)器以及全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的功率使用率已經(jīng)接近額定功率；135°退船工況次之；而0°與180°退船工況僅需抵抗縱向環(huán)境力的影響，其消耗功率較??；45°與135°退船工況也有類似的規(guī)律。

從靠墊壓力結(jié)果來看，0°與180°退船工況的碰撞力最小，這是由于在這兩種工況下，駁船僅需抵抗縱向環(huán)境力的影響，推進(jìn)器推力更多地分配在船舶縱向方向上，船舶所受的橫向力較小，偏離目標(biāo)軌跡距離較小，從而靠墊碰撞力也較小。而90°退船工況中，船舶需抵抗橫向環(huán)境力并提供縱向推力，船舶偏離目標(biāo)軌跡的距離相對較大，碰撞力也較大。135°、90°、45°時(shí)，大部分靠墊壓力普遍大于100 t，最大靠墊壓力為234 t、222 t和153 t。其主要原因是退船時(shí)由于受限于位置，無法完成在線動力定位，其運(yùn)行屬于突圍型前進(jìn)，與靠墊碰撞較多。

從試驗(yàn)現(xiàn)場看，退船時(shí)如果不采用人工操作，在退船結(jié)束時(shí)容易出現(xiàn)角度偏差，甩尾現(xiàn)象，其主要原因是退船過程末期，無法實(shí)現(xiàn)動力定位，僅靠自動航行，在退出后，受到風(fēng)浪流的影響，產(chǎn)生艏搖力矩，船艏會偏向風(fēng)浪流反方向，艏搖角變化較大。

綜合推進(jìn)器功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果與靠墊碰撞力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，難易程度次序分別為0°、180°、45°、90°和135°，90°和135°退船較為困難，180°和0°時(shí)具有較好的退船特性，其消耗功率相對較小，靠墊碰撞力也相對較小。

5 結(jié) 論

本文以惠州25-8DPP浮托安裝組塊為研究對象，進(jìn)行動力定位浮托安裝法模型試驗(yàn)研究，總結(jié)運(yùn)輸駁船在退船作業(yè)中的特性與規(guī)律，可得到如下結(jié)論：

(1)綜合推進(jìn)器功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果與靠墊碰撞力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，退船工況中難易程度次序分別為0°、180°、45°、135°和90°，90°最為困難。180°和0°退船工況具有較好的退船特性。

表3 推進(jìn)器功率統(tǒng)計(jì)表

表4 靠墊壓力最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)在退船作業(yè)結(jié)束時(shí)容易出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象，角度偏差較大，其主要原因是退船過程末期，受到風(fēng)浪流的影響，產(chǎn)生艏搖力矩，船艏會偏向風(fēng)浪流反方向。

上述退船工況特性與規(guī)律的得出，不僅有利于浮托安裝前期的總體設(shè)計(jì)，對浮托安裝時(shí)域模擬程序的研究開發(fā)具有參考指導(dǎo)意義，還對浮托安裝現(xiàn)場作業(yè)的指揮具有重要的參考價(jià)值。

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Research on the Model Test of Undocking Operation in Float-over Installation Based on Dynamic Positioning System

WANGBiao1,QINLi-cheng1,WANGLei2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Float-over installation executed by dynamic position system has more advantages in reducing costs than traditional mooring system. This research focused on the undocking operation in Huizhou 25-8 DPP float-over installation and completed model test to obtain information of track, consuming power and collision between vessel and fenders which were helpful to study the properties and laws in undocking case. Compared to other incident angles, undocking operation performs better in 180° and 0°. At the end of undocking operation, float-over barge shows spin phenomenon. The phenominon involves a variety of technical reasons. The main reason is bow wave moment caused by environment force and the lost of cushion force. This work can provide advice to build time domain simulation of float-over executed by dynamic position system and practical instruction for engineer to conduct practice engineer.

float-over installation; dynamic position system; undocking operation; model test

2016-03-04

國家自然基金項(xiàng)目(51179103)

王 飚(1968-)，男，河北唐山人，碩士，高級工程師，主要從事海洋工程項(xiàng)目管理工作。

Tel.：13820034157；E-mail：wb@mail.cooec.com.cn

P 751

A

1006-7167(2017)01-0005-05