雙船浮托法數(shù)值模擬

，，

(1.能威(天津)海洋工程技術(shù)有限公司，天津 300392； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

浮托法是一種使用普通駁船配合必要的對接裝置，通過調(diào)整駁船壓載完成組塊重量轉(zhuǎn)移的方法。自1983年浮托法首次成功應(yīng)用于Phillips Maureen項目[1]18 600 t上部組塊安裝以來，浮托法在海洋石油行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，各種浮托技術(shù)和方法層出不窮，例如：McDermott聯(lián)合ETPM開發(fā)的Smart-leg技術(shù)，JGP開發(fā)的Strand-jack 托舉技術(shù)，Sea Metric公司的TML系統(tǒng)，ALLSEA建造的Pioneering Spirit雙體船[2]等。其中,雙船浮托方法以其托舉噸位大，適用各種平臺尺寸及類型(固定式、浮式)等諸多優(yōu)點，引起廣泛關(guān)注，并成功應(yīng)用于馬來西亞Kikeh Spar[2]上部組塊的安裝中。

近年來，油價走低，廢棄平臺的拆除和邊際油田開發(fā)等問題亟待解決?？紤]傳統(tǒng)吊裝拆除方案的諸多缺點，雙船浮托法因其成本低、耗時短、可以整體拆除組塊并再利用于邊際油田開發(fā)[3-4]等優(yōu)點再次成為關(guān)注熱點。雙船浮托法的研究，尤其是在組塊整體拆除方面的研究，在國內(nèi)仍處于起步階段。雙船浮托法涉及多個浮體，相關(guān)研究表明，多浮體之間由于存在相互作用，在波浪中運動受到的波浪力和輻射力較單浮體更為復(fù)雜，有必要進行較為深入的分析研究，尤其要對多浮體系統(tǒng)運動時所受到的波浪力、輻射力和浮體間相互干擾的影響進行分析研究[5-6]。目前業(yè)內(nèi)對小間距雙浮體并靠的情況研究較多[5-6]，而對雙船浮托中需要考慮三浮體小間距并靠的情況以及相應(yīng)時域分析方面的研究則較少。

本文以雙船浮托整體棄置平臺組塊過程中的過駁階段為研究對象，考察3條駁船并靠情況下的水動力特性，并在此基礎(chǔ)上進行時域分析，重點探討不同環(huán)境載荷方向及波高變化對過駁階段的影響，為雙船浮托法及其在組塊整體拆除領(lǐng)域的設(shè)計、研究和應(yīng)用提供一定的參考。

1 雙船浮托法方案介紹

典型的雙船浮托法整體棄置平臺組塊方案如圖1所示，包括以下階段：(1)待命階段。2艘浮托船(駁船A和駁船C)通過錨泊系統(tǒng)定位在目標(biāo)平臺兩側(cè)，運輸船(駁船B)通過錨泊系統(tǒng)及輔助拖船定位在目標(biāo)平臺前方，等待合適的氣候窗并為拆除做好準備。(2)預(yù)對接階段。如果預(yù)測的環(huán)境條件在設(shè)計環(huán)境條件范圍內(nèi)，2艘浮托船通過收放錨纜及拖船輔助同步靠近目標(biāo)平臺，繼續(xù)移動浮托船，直到傍靠在預(yù)先固定在導(dǎo)管架上的碰球。(3)拆除對接階段。切割分離導(dǎo)管架與上部組塊，2艘浮托船同步排載，使浮托船上的樁腿耦合器(Leg Mating Unit，LMU)與組塊樁腿逐步對接、壓縮，將上部組塊的重量由導(dǎo)管架轉(zhuǎn)移到2艘浮托船上。(4)退船階段。通過收放錨纜，將2艘浮托船和組塊從導(dǎo)管架區(qū)域移出，到達設(shè)定位置后，等待運輸船前移。這個過程需要增加額外的對接纜繩系統(tǒng)(連接浮托船與導(dǎo)管架主腿)來限制船舶的運動。(5)進船階段。通過錨纜及輔助拖船，移動運輸船進入2艘浮托船中間區(qū)域，直到運輸船上組塊支撐結(jié)構(gòu)(Deck Support Unit，DSU)與組塊主腿插件對齊。(6)過駁階段。運輸船排載，使運輸船上DSU主動迎合組塊主腿插件，之后保持運輸船吃水不變，同步壓載2艘浮托船，將組塊重量由2艘浮托船逐步轉(zhuǎn)移到運輸船。(7)單船運輸階段。重量轉(zhuǎn)移后，拖船輔助2艘浮托船遠離運輸船，焊接運輸船上組塊固定，并由運輸船將組塊運輸至目的地。

圖1 雙船浮托法方案

其中過駁階段分析涉及物體較多(包含2艘浮托船、1艘運輸船和1個組塊)，考慮外力復(fù)雜(包括風(fēng)力、波浪力、流力、橫向護舷力、錨纜力、LMU 3個方向的作用力)，判定參數(shù)多(三船及組塊的運動、錨纜力、橫向護舷力、LMU 3個方向的作用力及相對運動、DSU相對運動)，同時該階段也是整個雙船浮托拆除方案中至關(guān)重要的階段。因此，本文以轉(zhuǎn)移對接階段為例，介紹雙船浮托法的數(shù)值模擬方法及過程。

2 數(shù)值計算理論

2.1 坐標(biāo)系及環(huán)境載荷方向定義

為了描述波浪中船舶和組塊的運動響應(yīng)，引入3個右手直角坐標(biāo)系：(1)大地坐標(biāo)系。O-xgygzg，原點位于平均海平面，z軸豎直向上。(2)隨船坐標(biāo)系。Oa-xayaza，Ob-xbybzb和Oc-xcyczc，原點O位于船頭船中基線位置，坐標(biāo)軸正方向與大地坐標(biāo)系一致。(3)組塊坐標(biāo)系。Ot-xtytzt，原點O位于組塊第一水平層，坐標(biāo)軸指向與大地坐標(biāo)系一致，坐標(biāo)系及環(huán)境方向的定義如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系及環(huán)境方向定義

2.2 頻域計算理論

根據(jù)勢流理論，假設(shè)流場中的流體為不可壓縮、無黏、無旋的理想流體，多浮體由無航速的3個浮體組成，其中一個浮體M的速度勢可以寫成

(1)

浮體在頻域下的運動方程為

(2)

式中：Mij為第i個浮體的質(zhì)量矩陣；Cij為第i個浮體的靜回復(fù)力矩陣；Fi為第i個浮體所受波浪力；Aij為附加質(zhì)量矩陣；Bij為阻尼矩陣；ζj為每個浮體的6個自由度運動。

2.3 時域運動方程

在各種載荷作用下，考慮系泊系統(tǒng)的多浮體動力方程為

=Fw1+Fw2+Fw+Fc+Fe

(3)

式(3)可以通過逐步積分的數(shù)值方法求解，求解方法為Newmark方法[7]。采用MIT開發(fā)的WAMIT水動力分析軟件[8]，對相互干擾的多浮體的水動力系數(shù)進行求解；采用Ultramarine開發(fā)的MOSES分析軟件[7]進行時域響應(yīng)分析。

3 數(shù)值模型

3.1 船型參數(shù)及有限元模型

船舶的主尺度及重量信息見表1，表中重心縱向坐標(biāo)(LCG)、重心橫向坐標(biāo)(TCG)和重心垂向坐標(biāo)(TCG)均參考圖2所示的船體坐標(biāo)系。

表1 浮托船與運輸船主要參數(shù)

駁船B與駁船A/C船側(cè)間距為1 m。圖3為3艘駁船計算水動力的WAMIT模型和時域分析的MOSES模型。

圖3 WAMIT模型和MOSES模型

3.2 錨泊系統(tǒng)

錨泊系統(tǒng)由14條錨纜組成，如圖3b)所示。按照錨纜的功能，選取3種不同的纜繩材料。纜繩材料屬性見表2，各錨纜組成見表3。錨泊系統(tǒng)的能力校核按照“0032/NDGuidelineforMooring[9]”標(biāo)準的要求進行，安全系數(shù)取2.00。

表2 纜繩材料

表3 錨纜組成

3.3 橫向護舷LMU和DSU

橫向護舷、LMU和DSU都屬于MOSES模型中特殊的連接形式(只在受壓時產(chǎn)生作用力)，按照各自的性質(zhì)，在MOSES模型中用線性或非線性的彈簧表示。橫向護舷布置在駁船B與駁船A/C相鄰的船側(cè)位置，LMU布置在駁船A/C的內(nèi)側(cè)船邊，DSU布置在駁船B的甲板上，橫向護舷、LMU和DSU各有3對，布置如圖4所示。設(shè)計參數(shù)見表4。LMU的受力變形曲線如圖5所示。

圖4 MOSES模型中的橫向護舷、LMU和DSU的模擬

表4 設(shè)計參數(shù)

圖5 LMU受力變形曲線

3.4 環(huán)境條件

參考渤海海域常規(guī)單船浮托的設(shè)計海況，選取以下4種環(huán)境條件作為時域分析的輸入條件，見表5，其中作業(yè)水深為20 m。

表5 環(huán)境條件

4 分析結(jié)果

4.1 頻域分析

駁船A/C的頻域水動力計算結(jié)果如圖6所示。駁船B的頻域水動力計算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯觯簡未?°浪向下的橫搖響應(yīng)為0；而在三船系統(tǒng)中，由于相互影響，3船均出現(xiàn)了明顯的橫搖運動響應(yīng)，而且駁船A/C的運動幅值遠大于駁船B。由圖6a)可以看出：由于0°浪向時駁船A/C相對于浪向?qū)ΨQ，所以駁船A/C的橫搖運動響應(yīng)相同。由圖6b)、圖6c)、圖7b)、圖7c)可以看出：由于遮蔽效應(yīng)，在橫浪作用下，相較單船，駁船C(迎浪)的運動響應(yīng)幅值增大，駁船A(背浪)和B的運動響應(yīng)幅值減小，但是駁船B的運動響應(yīng)在某些頻率出現(xiàn)突變。由圖6d)、圖6e)、圖7d)、圖7e)可以看出：相較單船，由于三船的相互影響，三駁船的橫搖附加質(zhì)量和橫搖阻尼均呈現(xiàn)先小后大最終持平的趨勢，而且在某些頻率會發(fā)生突變。由圖6d)、圖6e)可以看出：雖然相比單船發(fā)生了變化，但是駁船A和C的橫搖附加質(zhì)量和橫搖阻尼仍相等；由圖6f)和圖7f)可以看出：相較單船，由于相互影響，三駁船受到的一階波浪力幅值減小，但是在某些頻率會發(fā)生突變，超過單船。由圖6f)可以看出：由于遮蔽效應(yīng)，駁船C(迎浪)所受的力比駁船A(背浪)大。三駁船系統(tǒng)對水動力參數(shù)的相互影響主要在波浪周期范圍內(nèi)(3～15s)，其他周期影響較小。

圖6 駁船A/C頻域水動力計算結(jié)果

圖7 駁船B頻域水動力計算結(jié)果

4.2 時域分析

采用MOSES模型進行時域分析，模擬時長為4 000 s，步長為0.2 s，前400 s結(jié)果不采集。

4.2.1 環(huán)境方向的敏感性分析

以環(huán)境條件B為例，研究環(huán)境方向?qū)﹄p船浮托方案的影響。圖8為該影響的統(tǒng)計結(jié)果，可以看出：駁船及組塊的運動幅值艏浪最小、斜浪次之、橫浪最大；三駁船的運動同步性艏浪最好、橫浪最差，LMU和DSU相對運動的變化趨勢與駁船運動同步性變化趨勢一致；在橫浪和斜浪情況下，迎浪駁船(駁船C)的運動幅值明顯大于背浪駁船(駁船A)；DSU的垂向運動幅值沒有超過表4所示的初始垂向間隙，DSU處沒有發(fā)生碰撞，故沒有碰撞力；迎浪側(cè)錨纜(#1，#2，#3，#4，#5)的張力艏浪最小、斜浪次之、橫浪最大；背浪側(cè)錨纜(#6，#7，#8，#9，#10)的張力艏浪最大、斜浪次之、橫浪最??；迎浪側(cè)錨纜張力比背浪側(cè)錨纜張力大；船間交叉纜(#11，#12，#13，#14)對環(huán)境方向的變化不敏感，其張力變化較小；LMU的側(cè)向力、垂向力和橫向護舷力艏浪最小、斜浪次之、橫浪最大。就整體而言，雙船浮托法對環(huán)境方向的變化比較敏感。

圖8 環(huán)境方向?qū)﹄p船浮托方案影響的統(tǒng)計結(jié)果

4.2.2 波高敏感性分析

根據(jù)時域分析結(jié)果可知：雙船浮托法對浪向的變化比較敏感。為更好地設(shè)計方案，需要進一步研究其在艏浪、斜浪和橫浪各方向作業(yè)的許可環(huán)境條件，對應(yīng)的判斷標(biāo)準為表2和表4中錨纜、橫向護舷、LMU許可載荷以及LMU和DSU捕捉半徑。

圖9為波高敏感性的分析結(jié)果，可以看出：隨著波高的增大，LMU水平相對運動、DSU水平相對運動、LMU側(cè)向力、LMU最小垂向力、橫向護舷力以及A類錨纜和B類錨纜的張力均趨向或超過許可值。通過判斷可以得到雙船浮托方案各方向作業(yè)許可環(huán)境條件，見表6。

表6 各方向的作業(yè)許可環(huán)境條件

圖9 波高敏感性分析結(jié)果

5 結(jié)論及建議

以雙船浮托組塊拆除方案中的關(guān)鍵步驟作為研究對象，計算了三船系統(tǒng)的水動力系數(shù)，對方案中的關(guān)鍵步驟進行時域分析，并重點研究浪向及波高對方案的影響，得出以下結(jié)論:

(1) 通過計算三船系統(tǒng)的水動力系數(shù)，與單船相比發(fā)現(xiàn)，艏浪時，三船均出現(xiàn)一定的橫向運動，且駁船A/C運動響應(yīng)一致，而單船時橫向運動為0；橫浪時，相較單船情況，迎浪側(cè)駁船運動幅值增大，背浪側(cè)駁船運動幅值減??；由于三船間的相互影響，駁船的附加質(zhì)量和阻尼會在某些頻率發(fā)生突變，駁船A/C的附加質(zhì)量和阻尼仍相等；三駁船對水動力的相互影響主要在波浪周期范圍內(nèi)(3～15s)。

(2) 通過對方案關(guān)鍵步驟的時域分析發(fā)現(xiàn)，雙船浮托方案對環(huán)境方向的變化非常敏感，駁船及組塊的運動和系統(tǒng)中各連接的作用力在艏浪情況下最小，斜浪次之，橫浪情況下最大。通過對方案關(guān)鍵步驟的時域分析發(fā)現(xiàn)，隨著波高的增加，各校核參數(shù)趨于或超過許可范圍，艏浪作業(yè)許可波高為1.5 m，斜浪作業(yè)許可波高為1.0 m，橫浪作業(yè)許可波高為0.5 m。

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