中國東海涌浪對浮托設(shè)計的影響

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

中國東海涌浪對浮托設(shè)計的影響

張廣磊，劉旭平，楊小龍，蔡元浪

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對東海的環(huán)境條件較為惡劣，且存在明顯的涌浪，采用MOSES軟件，通過時域模擬，分析浮托過程中的運動和碰撞載荷，主要包括對涌浪在浮托分析中的模擬，以及涌浪和風(fēng)浪共存的情況下對浮托分析中運動和碰撞載荷等關(guān)鍵因素的影響。

涌浪；中國東海；浮托安裝；海洋平臺

國內(nèi)使用浮托安裝大型海洋平臺組塊的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，從2005年始，中國海域已經(jīng)實現(xiàn)了14座萬t級海上油氣平臺組塊的浮托安裝，其中渤海有11座，南海有3座。安裝海域水深從8～200 m不等。而在中國東海，卻還未有使用浮托進(jìn)行大型海洋固定平臺組塊的安裝先例。主要原因是由于該海域的環(huán)境條件惡劣，且存在明顯的涌浪。海洋環(huán)境中，涌浪是由其他海域傳播過來，非當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生的波浪，其特征為周期長、波峰緩、波峰線長、兩側(cè)對稱、方向性明顯等。目前對于涌浪的認(rèn)識以及風(fēng)浪和涌浪的劃分問題[1-2]，有學(xué)者從理論上把風(fēng)浪和涌浪從復(fù)雜的波浪檢測數(shù)據(jù)中區(qū)分出來，這里直接將區(qū)分后的風(fēng)浪和涌浪作為模擬環(huán)境條件[3]。重點考察長周期的波浪特征對浮托安裝的影響。分析中使用某T形浮托安裝駁船安裝平臺組塊于導(dǎo)管架上，導(dǎo)管架為8腿橫向結(jié)構(gòu)。主要分析涌浪與風(fēng)浪疊加的環(huán)境條件對浮托安裝中的運動和碰撞載荷等關(guān)鍵因素的影響，與只考慮風(fēng)浪的環(huán)境條件下的分析結(jié)果進(jìn)行對比，為東海使用浮托安裝技術(shù)的可行性評估提供參考[4-5]。

廣義的浮托安裝過程主要包括平臺組塊碼頭裝船、海上運輸、海上待機(jī)、駁船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口、平臺組塊重量轉(zhuǎn)移和駁船退出導(dǎo)管架槽口等6個步驟[6]。以東海浮托的可行性分析為例，碼頭裝船和海上運輸與南海浮托在設(shè)計中考慮的主要因素區(qū)別不大，環(huán)境條件對浮托的影響主要體現(xiàn)在海上待機(jī)、駁船進(jìn)入導(dǎo)管架槽口、平臺組塊重量轉(zhuǎn)移和駁船退出導(dǎo)管架槽口這4個環(huán)節(jié)，因此，本文中主要涉及到的浮托分析內(nèi)容為待機(jī)、進(jìn)船、對接和退船4個步驟。

1 分析方法及流程

浮托設(shè)計中的幾個關(guān)鍵因素包括組塊重量、安裝海域環(huán)境條件、浮托駁船、浮托方式和導(dǎo)管架槽口，見圖1。

圖1 浮托設(shè)計因素關(guān)系

主要分析該海域環(huán)境條件下，駁船運動和浮托安裝過程中碰撞載荷是否滿足浮托設(shè)計要求。

關(guān)于駁船的運動，根據(jù)牛頓第二定律求解剛體6自由度非線性運動方程。

(1)

其中，波浪載荷采用勢流輻射理論計算，風(fēng)載荷和拖曳力是由風(fēng)載荷公式和莫里森(Morison)方程計算。

風(fēng)載荷為

Fw=δ×(Vw)2×∑CSAi×Ch×10-3

(2)

式中：Fw為風(fēng)力；δ為風(fēng)力系數(shù)；Vw為風(fēng)速；CS為受風(fēng)面積形狀系數(shù)；Ai為受風(fēng)面積；Ch為高度系數(shù)。

莫里森方程為

(3)

綜合浮托設(shè)計得出分析的流程，見圖2。

圖2 浮托數(shù)值分析流程

LMU和DSU為浮托安裝的關(guān)鍵設(shè)備。其中，LMU為樁腿對接裝置(leg mating unit)，DSU為組塊支撐裝置(deck support unit)。LMU安裝在導(dǎo)管架和組塊之間，其主要作用是減少組塊腿和導(dǎo)管架腿對接時的碰撞載荷；DSU安裝在駁船和組塊之間，主要目的是減少組塊和駁船分離時的碰撞載荷。

2 數(shù)值分析模型

2.1 設(shè)計參數(shù)

選擇的船舶為以往項目多次使用的T形駁船，浮托組塊重量為1.5萬t，組塊安裝海域水深為100 m。駁船的主尺度和組塊重量信息見表1、2。組塊在駁船上的位置及坐標(biāo)系見圖3。

表1 駁船主尺度 m

表2 組塊浮托重量表

圖3 組塊在駁船上的位置及坐標(biāo)系

2.2 模型建立

使用MOSES軟件進(jìn)行建模，浮托分析模型的主要組成部分包括駁船、導(dǎo)管架和組塊。3者之間，駁船有系泊系統(tǒng)連接至海底，駁船與組塊由DSU(組塊支撐裝置)連接，組塊與導(dǎo)管架由LMU(樁腿對接裝置)連接，駁船與導(dǎo)管架由護(hù)舷連接，模型見圖4。

圖4 數(shù)值分析模擬

2.3 環(huán)境條件及工況

不同方向的環(huán)境條件對駁船的運動影響程度不同，按照環(huán)境方向與駁船的相對位置劃分，各方向?qū)Νh(huán)境條件的要求不同。首先選取渤海海域完成浮托安裝的環(huán)境條件進(jìn)行浮托分析。為了驗證涌浪對浮托的影響，在原風(fēng)浪環(huán)境條件的基礎(chǔ)上增加一組涌浪的條件來研究涌浪對浮托影響。一般涌浪在某個季節(jié)具有較強的方向性，東海也不例外。根據(jù)以往經(jīng)驗，橫浪對駁船的運動的影響最大，結(jié)合東海在浮托季節(jié)中涌浪方向，假設(shè)涌浪的方向與駁船縱向方向夾角為±22.5°。環(huán)境方向與駁船方向的位置關(guān)系見圖5。

圖5 環(huán)境方向與駁船位置

根據(jù)以上對環(huán)境條件的分析，結(jié)合驗證涌浪對浮托的影響，選擇2個工況：工況1只有風(fēng)浪存在的環(huán)境條件；工況2中增加涌浪的環(huán)境條件。假設(shè)其波高為1.5 m(波高小)，周期為8.0 s(周期長)，對應(yīng)的環(huán)境條件見表3。

表3 浮托工況及對應(yīng)浮托步驟列表

工況2中，風(fēng)浪和涌浪都采用JONSWAP譜模擬，并進(jìn)行疊加。其中，風(fēng)浪的譜峰因子γ為1，涌浪的譜峰因子為6。所有工況的風(fēng)速為10 m/s，流速為0.8 m/s。

2.4 浮托設(shè)計限制條件

由圖2可見，數(shù)值模擬的結(jié)果包括船體運動、護(hù)舷碰撞載荷、LMU和DSU處的碰撞載荷，這些結(jié)果受到導(dǎo)管架強度、浮托安裝規(guī)范及浮托裝置的限制，進(jìn)而限制了浮托環(huán)境。浮托分析內(nèi)容及限制因素見表4。

表4 浮托設(shè)計分析內(nèi)容表

3 計算結(jié)果及結(jié)果分析

對浮托進(jìn)行分析時，其主要限制因素包括：待機(jī)中的系泊纜繩受力，進(jìn)船過程中駁船和導(dǎo)管架的碰撞載荷及組塊腿底部的LMU垂向運動，進(jìn)船就位后LMU的水平運動，對接過程中LMU與導(dǎo)管架頂部的碰撞載荷，退船過程中駁船和導(dǎo)管架的碰撞載荷及組塊支撐結(jié)構(gòu)DSU處的垂向運動。

3.1 計算結(jié)果

結(jié)果見表5，表中數(shù)據(jù)為統(tǒng)計的最大值。

表5 浮托分析結(jié)果匯總

3.2 結(jié)果分析

由表5可見，待機(jī)過程中，工況2計算的纜繩系泊力比工況1增大了近34%；進(jìn)船、就位和退船3個過程中的運動分析顯示，工況2比工況1有非常明顯的增加，特別是在首浪方向上，涌浪和風(fēng)浪方向疊加明顯，導(dǎo)致運動增幅較大；同時，工況2比工況1，在進(jìn)退船和對接碰撞力增幅也非常大，部分載荷翻倍。其主要原因是由于涌浪的周期較長，接近浮托駁船的固有周期，最終導(dǎo)致駁船運動和碰撞載荷增大。可見長周期涌浪對浮托的設(shè)計影響非常大，涌浪的環(huán)境條件的選取對浮托設(shè)計至關(guān)重要。

在總的浮托可行性條件中，環(huán)境條件、浮托設(shè)計限制條件和可操作概率這三者之間的關(guān)系相互制約，在滿足一定的操作概率的情況下(通常情況下，當(dāng)月可操作概率超過50%可進(jìn)行浮托安裝作業(yè))，選取合適的環(huán)境條件，同時分析出運動和碰撞載荷滿足浮托設(shè)計限制條件。在有明顯涌浪存在的條件下，可以通過調(diào)整浮托設(shè)計限制條件來提高環(huán)境條件，增大浮托施工的可操作概率。調(diào)整浮托設(shè)計限制條件的主要方法如下。

1)在待機(jī)工況時增加系泊纜根數(shù)。

2)進(jìn)退船過程中利用潮位和改變吃水增加垂向操作空間。

3)增加LMU捕捉半徑來抵消插尖的水平運動過大的影響。

4 結(jié)論

浮托設(shè)計對環(huán)境方向比較敏感，具有明顯方向性的涌浪可能是影響平臺朝向布置的關(guān)鍵因素。浮托駁船的固有周期一般在10～15 s的范圍，涌浪的周期比較接近浮托駁船的固有周期，因此對浮托安裝過程的運動和碰撞載荷影響非常大。

西非和印度洋等有涌浪的海域已經(jīng)實施過浮托安裝，而在中國東海還未實施過浮托安裝，針對未來在東海實際實施浮托方法進(jìn)行組塊安裝，有如下建議。

1)加強對浮托海域的涌浪環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的掌握，主要包括涌浪的方向、浪高和周期。同時結(jié)合涌浪研究的理論，對監(jiān)測到的涌浪環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)用于工程分析的涌浪環(huán)境數(shù)據(jù)。

2)通過提高導(dǎo)管架設(shè)計強度和優(yōu)化浮托安裝輔助裝置，減少涌浪的長周期對浮托設(shè)計的影響；同時考慮調(diào)整導(dǎo)管架槽口方向，使其朝向涌浪方向，減少環(huán)境方向?qū)Ω⊥邪惭b的影響。

3)在實際進(jìn)行工程項目前，需要進(jìn)行模型試驗校驗數(shù)值模擬，主要校驗涌浪和風(fēng)浪聯(lián)合作用下的浮托工況。

如果考慮東海進(jìn)行浮托，需要對西非和印度洋海域中完成過的浮托方案進(jìn)行研究，主要研究浮托采用的方式、涌浪的模擬分析技術(shù)和浮托分析中關(guān)注的限制條件。在浮托方式的選擇方面，可以考慮使用動力船作為浮托駁船，可以提高浮托作業(yè)效率，增加氣候窗，減少因涌浪的存在對安裝氣候窗的影響。提高導(dǎo)管架的設(shè)計強度來滿足浮托過程中的碰撞載荷。

[1] 郭佩芳,施平,王華,等.劃分風(fēng)浪與涌浪的一個新判據(jù):海浪成份及其在南海的應(yīng)用[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報,1997,27(2):131-137.

[2] 汪炳祥,常瑞芳.風(fēng)浪與涌浪的劃分判據(jù)[J].黃渤海海洋,1990,8(1):16-24.

[3] 李水清,趙棟梁.風(fēng)浪和涌浪分離方法的比較[J].海洋學(xué)報,2012,34(2):23-29.

[4] 李達(dá),范模,易叢,等.海洋平臺組塊浮托安裝總體設(shè)計方法[J].海洋工程,2011(3):13-22.

[5] 楊小龍,高定全,董寶輝,等.T形駁運載超大型組塊運動特性分析[J].船海工程,2013,42(1):129-131.

[6] 張廣磊,董寶輝,楊小龍,等.被動式浮托結(jié)合牽引提升安裝南中國海大型平臺組塊[J].中國海洋平臺,2015,30(5)：13-18.

On Floatover Technology in Swell Wave Environment of East China Sea

ZHANGGuang-lei,LIUXu-ping,YANGXiao-long,CAIYuan-lang

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

According to the odious environment in east China sea and the obvious swell wave, effect of swell in floatover installation was studied. The MOSES software was used to analyze the motion and collision force in phase of floatover by carrying out time domain. The swell waves were modelled to study the influence of swell wave and wind upon the motion and collision force in process of floatover installation.

swell; east China sea; floatover installation; offshore platform

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0042-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.011

2016-09-18

修回日期：2016-10-10

張廣磊(1984—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物總體設(shè)計與性能