深水S型鋪管船托管架托輥非均勻接觸力分析

閆宏生， 王兆山， 衛(wèi)大興

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240)

0 引 言

深水鋪管船作為深海油氣田開發(fā)的主要施工設(shè)備，其擔(dān)負(fù)著海底管道敷設(shè)及立管系統(tǒng)安裝等任務(wù)[1],開展相關(guān)性能研究具有十分重要的意義。對于深水S型鋪管船托管架托輥接觸力的研究，國內(nèi)外已有諸多成果。宋林峰等[2]應(yīng)用管線與托輥之間的接觸機(jī)理并結(jié)合數(shù)值計(jì)算模擬托管架、船體及管線的耦合作用。朱曉環(huán)等[3]應(yīng)用半實(shí)物半仿真的混合試驗(yàn)方法開展對托輥載荷及A型架受力特征的分析并提出托輥的動力響應(yīng)所引起的結(jié)構(gòu)疲勞問題。孫麗萍等[4]基于集中質(zhì)量法，推導(dǎo)深水S型鋪管的管線受力計(jì)算公式，建立三維數(shù)值模型，并用廣義積分求解方程，得到的結(jié)果與相關(guān)軟件計(jì)算擬合良好。謝鵬等[5]基于dSPACE仿真平臺模擬S型管道敷設(shè)過程，并開展中大尺度比管道與托輥接觸力研究。王文偉等[6]開展梁懸垂?fàn)詈Ｑ蠊芫€數(shù)值建模和分析方法的研究。綜合來看，托輥非均勻接觸力的研究主要涉及數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)?zāi)M，但數(shù)值計(jì)算一般不能充分考慮到船舶、托管架及管線的耦合運(yùn)動對托輥載荷的影響，同時(shí)試驗(yàn)?zāi)M在托管架與管線耦合方面具有優(yōu)勢，但由于托管架與船體之間的載荷傳遞極其復(fù)雜，難以進(jìn)行較好的模擬，因此本文基于兩方面的研究理論，開展一種新型托輥非均勻接觸力分析方法的研究。

1 計(jì)算模型構(gòu)建

1.1 深水鋪管船簡介

“海洋石油201”(以下簡稱“HYSY 201”)是中國海洋石油工程股份有限公司旗下的全電力推進(jìn)深水鋪管起重船(Deepwater Pipelay Crane Vessel， DPV)，具備超深水3 000 m鋪管能力、4 000 t起重能力及DPS動力定位系統(tǒng)，鋪管作業(yè)方式為S型鋪管[7]。“HYSY 201”船長204 m，船寬39.2 m,型深14 m，其艉部連接托管架結(jié)構(gòu)。托管架結(jié)構(gòu)為鉸接式可變半徑托管架，由3節(jié)截面為三角形的空間桁架結(jié)構(gòu)組成，A型支架懸吊點(diǎn)位于第一節(jié)管架末端，各節(jié)管架支撐上的托輥可根據(jù)敷設(shè)管線形態(tài)自行調(diào)節(jié)相對位置[8] 。

1.2 SESAM構(gòu)建水動力模型

基于DNV SESAM的GeniE模塊建立鋪管船船體及托管架結(jié)構(gòu)模型[9]。導(dǎo)出相應(yīng)儲存“.fem”文件后,船體模型以板單元模型、托管架結(jié)構(gòu)以Morison模型形式導(dǎo)入在HydroD模塊中建立的Wadam Composite Model程序進(jìn)行相應(yīng)的水動力分析。鋪管船SESAM模型如圖1所示。

圖1 鋪管船SESAM模型

1.3 OrcaFlex構(gòu)建鋪管作業(yè)模型

在SESAM建?；A(chǔ)上，在OrcaFlex加入所敷設(shè)管線的模型結(jié)構(gòu)，管線形態(tài)采用懸鏈線法進(jìn)行模擬，管線數(shù)據(jù)如表1所示。由于在OrcaFlex中建模分析的重點(diǎn)為托輥與管線結(jié)構(gòu)的接觸力問題，故須將托管架結(jié)構(gòu)的橫桿及弦桿進(jìn)行簡化，并以V型Pipe連接結(jié)構(gòu)模擬托輥結(jié)構(gòu)，同時(shí)建立同一支撐結(jié)構(gòu)上相鄰V型托輥結(jié)構(gòu)與Link的組合模型，以達(dá)到V型托輥可自行調(diào)整位置的要求。鋪管船OrcaFlex模型如圖2所示，各托輥中心初始位置如表2所示。托管架與船體連接形式為鉸接，托管架鋪管角度由軟件中Pipe及Link單元組合構(gòu)建的A字架結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，敷設(shè)管線可由Winch單元提升至托輥以上并以設(shè)定速度放置于相應(yīng)托輥支撐上。

圖2 鋪管船OrcaFlex模型

表1 管線數(shù)據(jù)

表2 托輥中心點(diǎn)坐標(biāo) m

2 模型分析及計(jì)算

2.1 幅值響應(yīng)算子計(jì)算

在HydroD模塊中計(jì)算船體與托管架聯(lián)合體的幅值響應(yīng)算子(Response Amplitude Operator, RAO)，歷經(jīng)周期設(shè)定為1～35 s，間隔1 s，覆蓋了鋪管船服役海域的所有特征周期，波浪方向設(shè)定為0°～180°，間隔22.5°，得到各浪向下的RAO(由于“HYSY 201”鋪管船擁有DP 3動力定位系統(tǒng)，因此船體橫蕩、艏搖及縱蕩等3個(gè)自由度運(yùn)動可以忽略)，并以其作為媒介將船體與托管架聯(lián)合體的運(yùn)動響應(yīng)傳遞到OrcaFlex中的船、托管架及管線的耦合模型中。

圖3 1～17號托輥接觸力

2.2 OrcaFlex靜態(tài)接觸力分析

在OrcaFlex中對耦合模型進(jìn)行靜力分析時(shí)，載荷情況只考慮重力、浮力和托管架、船體及管線3者之間的接觸力。在分析過程中模擬管線放置到相應(yīng)托輥位置，同時(shí)Winch結(jié)構(gòu)消失，待系統(tǒng)平衡后得到各托輥接觸力的時(shí)間歷程曲線。時(shí)間歷程設(shè)定為500 s，時(shí)間步長設(shè)定為0.01 s，對各托輥接觸力在200～500 s的穩(wěn)定階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各托輥接觸力統(tǒng)計(jì)平均值，如圖3所示。

2.3 OrcaFlex動態(tài)接觸力分析

在進(jìn)行動態(tài)接觸力分析前，將由HydroD 模塊計(jì)算出的RAO文件導(dǎo)入OrcaFlex的Displacement RAO文件中作為耦合模型的動力響應(yīng)條件。為探究各工況下動態(tài)接觸力的分布特征及動力響應(yīng)特征，選取“HYSY 201”的敷設(shè)條件為JONSWASP隨機(jī)波浪譜條件，極限工況：有義波高Hs=3.0 m、譜峰周期Tp=6.0～9.0 s(即JS 3.0×6.0～JS 3.0×9.0)，其他工況選定為JS 2.5×8.2、JS 2.0×7.3、JS 1.0×5.2以及JS 0.5×3.7[10]。動態(tài)分析過程設(shè)定模擬時(shí)間歷程為500 s，時(shí)間步長為0.01 s，所得各工況下的托輥接觸力以時(shí)間歷程200～500 s穩(wěn)定階段為統(tǒng)計(jì)依據(jù)。

3 對比分析

對比分析過程采用以控制變量為基礎(chǔ)的橫縱對比方法進(jìn)行托輥接觸力分析：首先比對在同一浪向下，JS 3.0×9.0、JS 2.5×8.2、JS 2.0×7.3、JS 1.0×5.2及JS 0.5×3.7海況下的托輥接觸力發(fā)現(xiàn)，在200～500 s的穩(wěn)定范圍內(nèi)，各海況條件下的托輥接觸力大小變化幅度在靜力分析結(jié)果±1 kN的量級范圍內(nèi)波動。同時(shí)，比對在同一浪向、同一有義波高下，不同譜峰周期(JS 3.0×9.0、JS 3.0×7.5及JS 3.0×6.0)對托輥接觸力的影響發(fā)現(xiàn),托輥接觸力大小變化幅度很小，僅在由譜峰周期的不同而引起的接觸力幅值振動頻率方面有所差異。隨后，以JS 3.0×9.0海況為基礎(chǔ)，橫向比對各浪向下托輥接觸力的分布差異，以托輥1位置為代表，其在各浪向下的接觸力時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 各浪向下的托輥接觸力時(shí)程曲線

圖5 標(biāo)準(zhǔn)差隨浪向角變化曲線

在200～500 s平穩(wěn)階段進(jìn)行各浪向下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)均值大小近乎一致，整體圍繞在75 kN±1 kN量級左右。數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差隨浪向角變化如圖5所示：在浪向?yàn)?0°時(shí)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差的峰值，并且在45°～90°角度增加過程中，平穩(wěn)階段的接觸力波動逐漸增加。從圖5可看出在90°浪向下，幅值波動達(dá)到了25 kN。這是由于鋪管船長期作業(yè)于90°浪向海況下，極大可能使得托管架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低周疲勞問題，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷甚至破壞，因此在托管架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核及疲勞評估階段須充分考慮此現(xiàn)象的發(fā)生。

在海況JS 3.0×9.0、90°浪向條件下，為進(jìn)一步探究托輥接觸力產(chǎn)生較大波動的原因，將Displacement RAO中的垂蕩、橫搖及縱搖分別進(jìn)行考慮。單一自由度接觸力響應(yīng)如圖6所示。

圖6 單一自由度接觸力響應(yīng)

通過分析各單自由度下穩(wěn)定階段的接觸力幅值波動變化規(guī)律可看出，在鋪管作業(yè)過程中，引起接觸力大范圍波動的原因主要是鋪管船的垂蕩運(yùn)動，縱搖及橫搖運(yùn)動對接觸力波動范圍的影響較小。

4 結(jié) 論

通過對托輥接觸力的靜力、動力及對比分析，可得出以下結(jié)論：(1)托輥接觸力在3、6、10及13號托輥位置時(shí)幅值較大，即分布在A字架吊點(diǎn)位置、各節(jié)托管架的相接位置以及管架結(jié)構(gòu)的弧中心位置。(2)在鋪管船所服役的海域內(nèi)，其正常海況條件的變化不會引起托輥接觸力的大幅度變化，特殊海況除外。(3)在以浪向?yàn)閱我蛔兞康耐缓r條件下，托輥接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均值不會受浪向變化的影響，而接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差(即波動情況)受浪向變化影響明顯，90°浪向下會產(chǎn)生較大數(shù)量級的幅值波動。經(jīng)分析計(jì)算后得出，幅值波動主要受船舶垂蕩運(yùn)動影響，同時(shí)在托管架結(jié)構(gòu)疲勞問題上應(yīng)充分考慮此海況下的動力響應(yīng)波動引起的低周疲勞問題。