鋪管船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及對(duì)鋪設(shè)管線的耦合作用

王玉紅，李磊，張兆德，郭遠(yuǎn)志

1浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山316021

2浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山316022

0 引 言

在實(shí)施海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的過(guò)程中，不僅需要研發(fā)先進(jìn)的技術(shù)和裝備，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，也需要對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造以提升其作業(yè)能力。鋪管船在海底管道鋪設(shè)任務(wù)中扮演著非常重要的角色，目前我國(guó)具備深水鋪管作業(yè)能力的鋪管船僅有“海洋石油201”，而“濱海109”、“藍(lán)疆”、“中油海 101”、“CPP601”等均為淺水鋪管船［1-3］。隨著深海海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)大型深海起重鋪管船的需求也在日益增加［4］，而淺水鋪管船則面臨著被淘汰的危機(jī)，因此有必要開(kāi)展淺水鋪管船提升作業(yè)能力的分析工作。

由于“中油海101”鋪管船的設(shè)計(jì)作業(yè)水深只有40 m，為了保障西氣東輸臺(tái)灣海峽項(xiàng)目，需進(jìn)一步提升其鋪管作業(yè)水深，為此很多研究人員對(duì)其進(jìn)行了分析探討。曾驥等［5］運(yùn)用ANSYS-AQWA軟件分析了不同航道水深條件下鋪管船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)的載荷特性，完成了香港支線鋪設(shè)作業(yè)的安全性評(píng)估；付翔［6］對(duì)比分析了40 m作業(yè)水深條件下同時(shí)移動(dòng)單錨和雙錨的錨鏈?zhǔn)芰η闆r，驗(yàn)證了移動(dòng)雙錨方案的可行性；李磊等［7］研究了在60 m作業(yè)水深條件下鋪管船提升錨泊定位的能力，分析了最大作業(yè)水深和最優(yōu)鋪管方案；高兆鑫等［8］針對(duì)“中油海101”鋪管船的托管架優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)展了分析。

綜上所述，目前“中油海101”鋪管船的研究大多集中于船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈載荷特性等方面，未針對(duì)其鋪設(shè)管道與船體及系泊系統(tǒng)的相互作用開(kāi)展研究。因此，本文以“中油海101”鋪管船作業(yè)能力提升工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，擬采用水動(dòng)力軟件SESAM和Orcaflex，基于勢(shì)流理論，在時(shí)域范圍內(nèi)分析鋪管船增加作業(yè)水深時(shí)其管道與船體及系泊系統(tǒng)的耦合作用，并探討船體六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)管道受力的影響，從而完成“中油海101”鋪管船作業(yè)能力提升項(xiàng)目的安全評(píng)估工作，用以為項(xiàng)目實(shí)施提供理論參考和依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

本文的計(jì)算過(guò)程主要分為2個(gè)步驟：一是利用SESAM軟件計(jì)算鋪管船系泊系統(tǒng)與鋪設(shè)管道之間的耦合作用；二是利用Orcaflex軟件計(jì)算鋪管船運(yùn)動(dòng)對(duì)鋪設(shè)管道受力的影響。

船體在時(shí)域范圍內(nèi)的耦合運(yùn)動(dòng)方程為［10-11］

式中：M和μ分別為質(zhì)量矩陣與附加質(zhì)量矩陣；為船體加速度；為船體速度，其中τ為積分的時(shí)間變量；K(τ)為延時(shí)函數(shù)矩陣；C為回復(fù)力矩陣；x(t)為船體位移；分別為一階波浪力和二階波浪力；Fmoor為系泊力；Fcurrent為流力；Fwind為風(fēng)力。

在OrcaFlex軟件中，管道采用懸鏈線模型并將其視為柔性纜，其中若干段模型之間采用質(zhì)點(diǎn)鏈接，其有限元模型如圖1所示。圖中：Sx1，Sy1，Sz分別為柔性纜分解的3個(gè)方向，其中Sz為柔性纜的軸向方向；Nx，Ny，Nz分別為質(zhì)點(diǎn)分解的3個(gè)方向，其中Nz為質(zhì)點(diǎn)的軸向方向；α為Sz與Nz方向的夾角。

可以參考式（2）來(lái)求解管道與船體的耦合運(yùn)動(dòng)方程，采用集中質(zhì)量法計(jì)算管道受到的軸向拉壓、橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)等作用力［12］。根據(jù)Orcaflex軟件說(shuō)明書(shū)，管道單元所受的有效張力為

式中：Te為有效張力；Tw為管壁張力；Pi和Po分別為管道內(nèi)、外部壓力；Ai和Ao分別為管道的內(nèi)、外受力截面面積。

2 仿真模型

2.1 模型參數(shù)

首先，在SESAM-GeinE中建立鋪管船的濕表面模型；然后，導(dǎo)入HydroD中計(jì)算得到船體的水動(dòng)力參數(shù)；最后，導(dǎo)入DeepC中進(jìn)行船體與系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析，并以此計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)開(kāi)展鋪管船與管道的耦合作用研究。

“中油海101”的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，濕表面模型如圖2所示。

表1 “中油海101”設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of"ZHONG YOU HAI 101"

2.2 環(huán)境工況

鋪管船的作業(yè)海況如表2所示［13］，#1～#8錨鏈的布置方式如圖3所示，錨鏈和管道參數(shù)如表3所示，Orcaflex計(jì)算模型如圖4所示。

表2 作業(yè)海況Table 2 Operating sea condition

表3 錨鏈及管道基本參數(shù)Table 3 The basic parameters of mooring lines and pipes

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 鋪設(shè)管道對(duì)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力的影響

假設(shè)波浪入射方向分別為0°，45°和90°，管道對(duì)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及錨鏈張力的影響分別如表4和表5所示。

由表4可知，當(dāng)波浪入射角為0°時(shí)，船體縱蕩幅值的變化較大，其他入射角條件下的幅值變化較小，這是因?yàn)樵阡伖苓^(guò)程中，管道從船艉延伸至海底，其自重分力會(huì)對(duì)鋪管船產(chǎn)生較大的縱向拉力，故波浪入射角為0°時(shí)船體的縱蕩幅值變化較大；在斜浪及橫浪工況下，船體的橫蕩、艏搖運(yùn)動(dòng)幅值變化較大，而垂蕩幅值的變化則較??；當(dāng)波浪入射角為90°時(shí)，橫搖、縱搖幅值的變化較大。由此可見(jiàn)，管道對(duì)船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有一定的影響且對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響較大，該結(jié)論與參考文獻(xiàn)［14-15］的計(jì)算結(jié)果相符。

表4 管道對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響Table 4 The influence of pipeline on hull motion

表5 管道對(duì)錨鏈張力的影響Table 5 The influence of pipeline on anchor tension

由表5可知，當(dāng)波浪入射角為0°時(shí)，由于船艉的管道對(duì)船體存在拉力作用，故#1～#4錨鏈的最大張力值有所增加，而#5～#8錨鏈的最大張力值則有所減小；當(dāng)波浪入射角為45°時(shí)，#1～#4錨鏈的最大張力值存在不同程度的增加，而#5～#8錨鏈的最大張力值則均呈減小趨勢(shì)；當(dāng)波浪入射角為90°時(shí)，#3錨鏈的張力值增幅最大，雖然#6錨鏈和#3錨鏈相對(duì)于船體布置，但由于船艉管道的存在，實(shí)際上#6錨鏈的張力變化值小于#3錨鏈。綜上可知，管道對(duì)錨鏈張力的影響較大，該結(jié)論與參考文獻(xiàn)［14］的計(jì)算結(jié)果相符。

3.2 管道水下懸垂段對(duì)船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈張力的影響

鋪管船在作業(yè)期間鋪設(shè)的管線分為2段，即上弓段和懸垂段。從管線進(jìn)入導(dǎo)管架到管線自身的反彎點(diǎn)位置即為上弓段，而懸垂段則是指反彎點(diǎn)到海底接觸點(diǎn)的管線長(zhǎng)度。假設(shè)管道水下懸垂段的長(zhǎng)度分別為103，105，107，109，111 m，本節(jié)將分析水下管道不同懸垂段對(duì)船體運(yùn)動(dòng)和錨鏈張力的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5可知，隨著懸垂段長(zhǎng)度的增加，縱蕩運(yùn)動(dòng)的增幅最為明顯，垂蕩、縱搖、艏搖運(yùn)動(dòng)的增幅較為平緩，而橫搖運(yùn)動(dòng)的幅值則是減小后維持不變。因此，除了縱蕩運(yùn)動(dòng)之外，懸垂段長(zhǎng)度的變化對(duì)其他5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的影響均較小。

由圖6可知，隨著懸垂段長(zhǎng)度的增加，#5～#8錨鏈的張力增加，而#1～#4錨鏈的張力則呈減小趨勢(shì)，且變化幅值相對(duì)較大。由于#5和#8錨鏈、#6和#7錨鏈、#1和#3錨鏈、#2和#4錨鏈相對(duì)于船體對(duì)稱(chēng)布置，故其均隨懸垂段長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。可見(jiàn)，管道水下懸垂段的長(zhǎng)度對(duì)鋪管船體縱蕩運(yùn)動(dòng)和錨鏈張力的影響較大。

3.3 船體運(yùn)動(dòng)對(duì)管道受力的影響

本節(jié)將分析船體各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)鋪設(shè)管道受力的影響，以研究管道受力對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的敏感程度。在管道鋪設(shè)過(guò)程中，船艉處附近管道上端的張應(yīng)力最大，而海底段附近的管道因彎曲變形導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力最大。表6所示為輸入Orcaflex軟件的鋪管船運(yùn)動(dòng)幅值，圖7所示為管道上端的軸向張應(yīng)力隨船體各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的變化曲線，圖8所示為管道的最大彎曲應(yīng)力隨船體各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的變化曲線。

由圖7可知，船體六自由度運(yùn)動(dòng)均會(huì)對(duì)鋪設(shè)管道上端的管道受力產(chǎn)生一定的影響，且管道受力隨著各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)幅值的增加而增加。從計(jì)算結(jié)果分析得出，橫搖、艏搖、縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)管道受力的影響較小；縱蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的管道張應(yīng)力最大值略小于橫蕩，而垂蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的管道張應(yīng)力值最大。綜上所述，船體平移運(yùn)動(dòng)對(duì)管道張應(yīng)力的影響要遠(yuǎn)大于搖蕩運(yùn)動(dòng)，船體六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)管道張應(yīng)力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜縱蕩＜橫蕩＜垂蕩，該結(jié)論與參考文獻(xiàn)［14，16］的計(jì)算結(jié)果一致。

表6 船體運(yùn)動(dòng)的輸入值Table 6 The input value of hull motion

由圖8可知，船體六自由度運(yùn)動(dòng)均會(huì)對(duì)管道底部的彎曲應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響，其中橫搖、艏搖運(yùn)動(dòng)對(duì)管道彎曲應(yīng)力的影響較??；縱搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的管道彎曲應(yīng)力最大值小于縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)；垂蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的管道彎曲應(yīng)力值最大。同時(shí)，平移運(yùn)動(dòng)的幅值不同，管道的最大受力位置也有所不同；隨著平移運(yùn)動(dòng)幅值的增加，管道的最大受力位置將會(huì)逐漸向上端轉(zhuǎn)移。綜上所述，平移運(yùn)動(dòng)對(duì)管道彎曲應(yīng)力的影響要遠(yuǎn)大于搖蕩運(yùn)動(dòng)，船體六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)管道彎曲應(yīng)力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜橫蕩＜縱蕩＜垂蕩，該結(jié)論與與參考文獻(xiàn)［14，16］的計(jì)算結(jié)果相符。

4 結(jié) 論

本文以“中油海101”鋪管船提升作業(yè)能力實(shí)際工程項(xiàng)目為依托，基于勢(shì)流理論，運(yùn)用SESAM和Orcaflex軟件分析了鋪管船在增加作業(yè)水深時(shí)管道與船體及系泊系統(tǒng)的相互作用，得到如下結(jié)論：

1）管道對(duì)船體運(yùn)動(dòng)和錨鏈張力的影響較大，且受波浪入射方向的影響，其中0°入射角時(shí)船體縱蕩運(yùn)動(dòng)的幅值較大，90°入射角時(shí)錨鏈張力的幅值較大。

2）管道懸垂段的長(zhǎng)度對(duì)船體縱蕩運(yùn)動(dòng)的影響較大，對(duì)其他自由度運(yùn)動(dòng)的影響較?。粦掖苟伍L(zhǎng)度對(duì)錨鏈張力的影響較大，當(dāng)懸垂段長(zhǎng)度增加時(shí)，#5～#8錨鏈的張力將隨之增加，而#1～#4錨鏈的張力則會(huì)減小。

3）船體平移運(yùn)動(dòng)對(duì)管道受力的影響要遠(yuǎn)大于搖蕩運(yùn)動(dòng)，其中垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響最大。船體六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)管道張應(yīng)力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜縱蕩＜橫蕩＜垂蕩；對(duì)管道彎曲應(yīng)力的影響依次為：艏搖＜橫搖＜縱搖＜橫蕩＜縱蕩＜垂蕩。