海洋石油201船加裝J-lay鋪管系統(tǒng)動力定位能力計算分析

張法富，彭小佳，何寧，宋安科

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油201船加裝J-lay鋪管系統(tǒng)動力定位能力計算分析

張法富，彭小佳，何寧，宋安科

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對選定的J-Lay鋪管系統(tǒng)加裝方案，計算船舶環(huán)境載荷及鋪管作業(yè)力，在不改變船舶原有推進器配置的情況下，對船舶動力定位能力進行數(shù)值計算，給出推進器完整及失效工況下的動力定位能力曲線。

J-Lay鋪管；環(huán)境載荷；動力定位能力

海洋石油201船(簡稱HYSY201)是擁有動力定位能力的深水起重鋪管船，主要功能為深水S-Lay鋪設和起重，最大工作水深3 000 m，船艉布置一臺起重能力4 000 t(固定式)/3 500 t(全旋轉(zhuǎn)式)大型海洋工程起重機。隨著南海深水勘探發(fā)現(xiàn)及我國在深水油氣田開發(fā)能力的提升，對深水工程船舶的需求也不容忽視。對現(xiàn)有深水工程船舶進行改造，使其具備相應的工程作業(yè)能力，成為當前市場環(huán)境下的首選。

基于HYSY201目前作業(yè)能力，為使其達到鋪設1 600 m水深558.8 mm(22 in)海管的鋪管能力，海洋石油工程股份有限公司提出在HYSY201加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)的改造方案。在假設HYSY201加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)并不改變現(xiàn)有推力系統(tǒng)配置的情況下，對船舶動力定位能力進行分析計算，以評估改造方案的可行性。

1 坐標系及船舶主要參數(shù)

為了便于描述船舶運動，引入如下右手坐標系?？臻g固定坐標系O-XYZ，原點位于船舯與基線的交點，X軸平行船體基線指向船艏，Z軸豎直向上，見圖1[1]。

1.1 船舶主尺度及推進器配置參數(shù)

HYSY201主尺度見表1。

表1 HYSY201主尺度 m

風浪流的方向指其傳播方向，方向角α指風浪流傳播方向與X軸逆時針方向的夾角。隨浪方向為0°，迎浪方向為180°。

HYSY201配置7臺全回轉(zhuǎn)推進器，推進器總功率為25 MW。推進器布置見圖2，推力及功率參數(shù)見表2。

推進器編號推進器類型最大推力/kN最大使用功率/kWT1全回轉(zhuǎn)680.84500T2全回轉(zhuǎn)680.84500T3全回轉(zhuǎn)540.53200T4全回轉(zhuǎn)540.53200T5全回轉(zhuǎn)540.53200T6全回轉(zhuǎn)540.53200T7全回轉(zhuǎn)540.53200

注：推進器推力坐標系與環(huán)境載荷坐標系一致。

1.2 J-Lay鋪管系統(tǒng)加裝方案

世界上現(xiàn)有J-Lay鋪管船的J-Lay塔布置位置有船艉布置、船舯月池布置和舷側(cè)布置3種方案?？紤]到船艉已布置有主吊機，船艉方案不可行；通過船舯月池進行鋪設，需新開設月池，對原船改動過大，方案也不可行。因此J-Lay塔只能布置在舷側(cè)，具體布置見圖3。

2 環(huán)境載荷及鋪管作業(yè)力計算

船舶在海上所遭遇的環(huán)境條件有3種：風、波浪和海流。由于動力定位只對低頻水平載荷做出響應，除了考慮長周期變化的風和流載荷外，波浪載荷則只計算其中的低頻部分。在缺少風洞試驗及船舶水池試驗資料情況下，采用軟件計算與經(jīng)驗公式計算兩種方法，根據(jù)選定的環(huán)境條件進行船舶環(huán)境載荷計算[2]。

同時，鋪管時管道在水下的懸跨段部分對船體的縱向作用力是影響起重鋪管船鋪管作業(yè)的一個重要方面，只有計入其對船體的影響，才能對鋪管作業(yè)時動力定位操作有一個較精確的客觀描述。

2.1 鋪管作業(yè)環(huán)境條件

根據(jù)HYSY201船體說明書，鋪管作業(yè)環(huán)境條件見表3。加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)后，HYSY201需滿足1 600 m水深22 in海管的鋪設需求。

表3 HYSY201鋪管作業(yè)環(huán)境條件

2.2 風載荷計算

海面上的風速和風向都是隨機變化的，這給測定作用在船舶上的風力及風力矩帶來困難。本文在計算過程中，對風載荷做常值處理，即只計算其中定常風力部分，忽略低頻風力。

采用WINDOS軟件計算輔以規(guī)范經(jīng)驗公式驗證的方法獲取風載荷[3]。WINDOS模型見圖4，WINDOS得出的加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)后HYSY201的風力系數(shù)見圖5。

2.3 流載荷計算

流力在系泊分析中常做為定常力，假設流速不隨水深變化，為均勻流。由于假定J-Lay鋪管與原S-Lay鋪管相比吃水不變，計算采用原流力系數(shù)，見圖6。

2.4 二階波浪漂移力計算

目前求解二階漂移力的方法主要有3種：基于物體表面積分的近場積分理論、基于動量和能量守恒的遠場理論和法國船級社發(fā)展出來的中場積分法。二階波浪力理論復雜，多采用軟件建模方法進行計算。動力定位能力計算時，通常只考慮二階波浪力中的定常部分。本文采用遠場公式，利用DNV船級社的SESAM/HydroD軟件進行計算，水動力計算模型見圖7。

2.5 管道對船體縱向作用力計算

鋪管作業(yè)時所鋪設的管道對船體的水平作用力對于DP系統(tǒng)來說是越小越好，由于鋪設管道水下懸跨段的彎曲不能超過材料的極限，因此張緊器必須提供一定程度的水平力來保證水下管道的彎曲不超過材料的極限。管道受力見圖8。

基于目標管道尺寸和水深在J-lay鋪設模式下的鋪管能力要求(1 600 m水深，22 in管)，采用相應的設計依據(jù)和假設確定不同管道外徑下的壁厚之后，使用商業(yè)軟件PIPELAY進行鋪管應力分析。該軟件采用對非線形梁和線纜單元建模的有限元法，根據(jù)彼此相連的有限梁單元系統(tǒng)對管道進行建模，確定J-lay海管鋪設張力需求。

3 動力定位能力分析

由于表3中已明確鋪管作業(yè)環(huán)境條件，本文以推進器推力使用百分比曲線評估船舶動力定位能力。若推進器不能360°抵抗環(huán)境載荷，則計算最大抗風能力曲線，以評估船舶允許作業(yè)的最大環(huán)境條件。同時，表3中最大風浪條件的風載荷及波浪載荷大于風后涌浪條件，本文選取最大風浪條件進行分析。

3.1 計算假定

1)表2中原有推進器配置不做改變。

2)由于環(huán)境載荷計算時未考慮動態(tài)部分分量，計算時風載荷和二階波浪漂移力考慮1.25倍動態(tài)放大系數(shù)。

3)風、浪、流按同向考慮。

4)鋪管作業(yè)時推進器損失與海管充水同時發(fā)生為小概率事件，計算時不考慮兩種損壞模式的疊加。

3.2 計算工況

HYSY201在鋪管作業(yè)時動力定位等級為DP2，根據(jù)規(guī)范[4]要求，DP2船不應因單點故障而導致動力定位失效。本文計算考慮單個推進器失效工況，計算工況見表4。

表4 計算工況

3.3 推力分配邏輯及計算軟件

多推進器推力分配是一個非線性約束優(yōu)化問題，也是船舶動力定位能力評估中的核心問題，一般應用優(yōu)化算法將其簡化為包括目標函數(shù)、等式約束和不等式約束的數(shù)學模型，然后利用優(yōu)化算法進行求解[5]。

運用海洋石油工程股份有限公司研發(fā)的“動力定位能力解決方案”軟件[2]4進行J-Lay鋪管作業(yè)控位能力評估。

3.4 計算結(jié)果

通過計算，得到HYSY201在鋪管作業(yè)環(huán)境條件下各工況船舶的動力定位能力，見表4。主要結(jié)果如下。

1)Case1～Case4，船舶能360°抵抗鋪管作業(yè)環(huán)境條件，能夠滿足1 600 m水深22 in海管鋪設要求。推進器推力百分比曲線見圖9(篇幅原因，此處僅列出Case1工況曲線)。

2)Case5(推進器T7損失時)，船舶在90°～135°及225°～270°區(qū)間不能滿足鋪管作業(yè)環(huán)境條件，船舶作業(yè)時需降低環(huán)境條件使用。在流速與波高保持不變的情況下，Case5最大抗風能力曲線見圖10。

4 結(jié)論

1)HYSY201船鋪管作業(yè)時的動力定位能力是加裝J-lay鋪管系統(tǒng)改造方案的控制工況，艏部推進器失效為最嚴重損失工況。

2)采用J-lay鋪管系統(tǒng)舷側(cè)布置方案，管道對船體縱向作用力產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)艏力矩。艏部推進

器失效時，船舶需降低環(huán)境條件使用。

3)對于J-lay鋪管系統(tǒng)舷側(cè)布置方案，下一步需對推進器推力損失、配電情況等進行實船調(diào)研，以準確評估改造方案的可行性。

[1] The International Marine Contractors Association. IMCA M 140 Rev.Ι-Specification for DP capability plots[S].2000.

[2] 張法富,劉波,楊輝.動力定位船控位能力計算軟件平臺構(gòu)建研究[J].船舶工程,2015,37(1)：69-71.

[3] American Petroleum Institute. API-RP-2SK. Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S]. 3rd ed,2005.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5] 張法富,劉波,劉鴻雁，等.動力定位系統(tǒng)推力分配算法研究[J].船海工程,2013,42(2):125-129.

DP Capability Analysis of HYSY201 after Installation of J-lay Pipelaying System

ZHANG Fa-fu, PENG Xiao-jia, HE Ning, SONG An-ke

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

According to the selected J-Lay pipelaying system installation plan, the environmental load and pipelaying force were calculated. Without changing the existing propulsion system of the vessel, numerical calculation of DP capability was performanced and the DP capability curves of thrusters intact and failure conditions were obtained.

J-lay pipelaying; environmental load; DP capability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.027

2016-07-06

張法富(1984—)，男，碩士，工程師

U664.81

A

1671-7953(2017)02-0117-04

修回日期：2016-08-04

研究方向:海洋工程浮式結(jié)構(gòu)物總體性能、動力定位