波高及波浪周期對浮托關(guān)鍵設備作業(yè)影響的計算分析

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

中海油于2005年引入浮托技術(shù)，首次在南堡35-2油田實施組塊浮托安裝[1]，到2019年為止已經(jīng)完成了22個平臺組塊浮托安裝，形成了針對渤海、南海浮托作業(yè)環(huán)境許用標準，即以不同波浪入射方向設定浮托許用波高，以安裝海域波高周期分布概率確定波浪周期范圍，通過監(jiān)測安裝船舶運動以及設備作業(yè)狀態(tài)進行浮托作業(yè)決策。

由于浮托安裝作業(yè)對海洋環(huán)境條件要求較為苛刻[2-3]，因此,在惡劣海域進行浮托作業(yè)，需要評估作業(yè)環(huán)境對安裝方案影響，確定安裝船舶、安裝設備能力是否滿足需求。本文以常規(guī)浮托為研究對象，針對LMU,DSU和護舷等浮托安裝關(guān)鍵設備在不同波高和波浪周期作用下的受力及運動問題，通過小范圍增加波高、波浪周期取值大小，以數(shù)值模擬形式對浮托作業(yè)過程中各個關(guān)鍵設備受力及運動狀態(tài)進行頻域及時域分析，總結(jié)環(huán)境參數(shù)變化對各個設備作業(yè)狀態(tài)產(chǎn)生的變化規(guī)律，并為后續(xù)施工作業(yè)提供指導。

1 浮托安裝關(guān)鍵設備簡介

1.1 腿部對接裝置

腿部對接裝置LMU(leg matting unit)主要由錐形接收器、垂向及橫向彈性緩沖裝置、外套筒組成[4]，是傳統(tǒng)高位浮托進船及對接階段較為常見的重要設備(見圖1)，其功能是在組塊及導管架(或其他下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu))浮托間隙減少的過程中通過LMU頂部接收裝置捕捉組塊插尖。這期間需要控制船舶及插尖運動范圍，避免組塊插尖脫出接收器。LMU尺寸設計需考慮對接運動幅值及作業(yè)天氣窗口影響[5]。

圖1 組塊對接裝置LMU功能示意

關(guān)于LMU的設計運用，基于以下考慮。

LMU在對接階段組塊載荷傳遞前期可以減少組塊對接樁腿與到導管架樁腿之間垂向及水平向受力。LMU在對接階段組塊載荷傳遞中可以保持組塊樁腿與導管架樁腿垂向及水平向的連接靈活性。對接完成后確保組塊樁腿末端與導管架頂部實現(xiàn)鋼碰鋼接觸。

1.2 船體護舷系統(tǒng)

浮托作業(yè)駁船進入導管架、就位以及安裝完成后撤離導管架過程中，為了避免船體與導管架產(chǎn)生強烈碰撞損壞船體設備，需在船體上安裝護舷系統(tǒng)。船體護舷系統(tǒng)分為橫蕩護舷及縱蕩護舷，見圖2。橫蕩護舷主要功能是限制駁船在導管架槽口內(nèi)橫向運動，防止安裝作業(yè)過程中駁船對導管架樁腿內(nèi)側(cè)碰撞過大造成樁腿損壞和變形[6]；縱蕩護舷在安裝過程中起兩方面的作用：①起船限位作用,當縱蕩護舷沿進船方向碰到導管架樁腿時,駁船不能繼續(xù)前進,此時組塊插尖正好位于導管架樁腿上方,縱蕩護舷控制插尖運動位于LMU接收器捕捉半徑范圍內(nèi);②在安裝過程中防止過大縱蕩對LMU碰撞而造成損壞。

圖2 橫蕩護舷及縱蕩護舷示意

船艏通常還設有導向護舷，見圖3，用于導管架樁腿捕捉駁船，并引導駁船沿著護舷邊緣進入導管架槽口。該部分護舷能夠有效保證駁船安全平穩(wěn)地進入導管架，也對導管架樁腿起到緩沖保護作用[7]。

圖3 導向護舷示意

1.3 組塊支撐裝置

組塊支撐裝置DSU(deck support unit)固定于駁船上(見圖4)，運輸時組塊支撐立柱底部通過DSU、滑靴或者組塊支撐框架(deck support frame，DSF)與駁船連接，將組塊重量均勻分布至船體。DSU附近加裝臨時支撐、智能腿等結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)加強。

圖4 組塊分離裝置DSU功能示意

DSU根據(jù)緩沖形式分為橡膠型和沙箱型兩種，對接作業(yè)完成后，組塊重量完全轉(zhuǎn)移至導管架，駁船繼續(xù)加載，上部組塊與駁船上組塊支撐結(jié)構(gòu)之間間隙繼續(xù)增加[8]，直至達到設計間隙值,實現(xiàn)退船。DSU在這個過程中通過沙箱或者橡膠件降低組塊與船體分離時產(chǎn)生碰撞載荷。

2 浮托安裝數(shù)值分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

常規(guī)浮托安裝作業(yè)數(shù)值分析可以拆分為頻域計算與時域計算兩部分，通過頻域分析船體運動水動力性能，將頻域計算結(jié)果導入時域模型，計算得到所需運動及受力。見圖5。

圖5 浮托安裝數(shù)值分析流程

組塊重量約為12 000 t，布置在T形駁船船體前端，見圖6，總體坐標系GCS(定義駁船及錨點位置)原點位于導管架進船口外軸中心點，Z向從水線面向上為正。船體坐標系BCS(定位LMU、DSU及各個碰撞點位置)位于船艏基線中點，Z向從基線指向甲板為正。

圖6 坐標系及環(huán)境方向定義

常規(guī)浮托將波浪按照作用方向分為橫浪、斜浪及迎浪(或隨浪)，對應的環(huán)境方向見表1。

表1 浮托作業(yè)波浪分類與環(huán)境方向?qū)P(guān)系

利用MOSES軟件對浮托安裝工況進行建模，其中進船工況護舷與導管架碰撞位置、對接工況LMU及DSU模擬為彈簧形式，見圖7。LMU位于導管架頂部，其外緣靠近船體舷側(cè)，DSU位于船體中心線兩側(cè)，連接組塊底部與船體。

圖7 計算模型示意

2.2 波高變化對浮托作業(yè)設備作業(yè)影響

以浮托控制海況橫浪環(huán)境作為研究對象，放寬橫浪環(huán)境條件，具體環(huán)境參數(shù)對比見表2。

表2 常規(guī)工況與研究工況環(huán)境參數(shù)對比

對比兩種環(huán)境下浮托作業(yè)概率，見圖8。與常規(guī)工況相比，橫浪許用有義波高從0.5 m增加到0.6 m后，浮托作業(yè)概率增加了5%～7%。

圖8 不同波高下浮托作業(yè)概率對比

對比進退船階段不同波高下船體護舷與導管架碰撞力及插尖運動結(jié)果，見表3。

表3 不同波高下護舷碰撞力及組塊插尖運動對比

浮托作業(yè)橫浪增加0.1 m后，進退船護舷碰撞力增加顯著，尤其退船階段橫蕩護舷碰撞力增加51.5%，與常規(guī)浮托環(huán)境下導管架設計方案相比，增加橫浪許用波高對導管架建造成本影響較大，同時也對橡膠護舷吸能量有更高需求。

另一方面，波高增大，組塊插尖運動隨之增大，設計中應考慮浮托進船間隙及LMU捕捉半徑留有余量[9]，避免浮托進船時間隙不夠或?qū)与A段組塊插尖捕捉困難。

2.3 波浪周期變化對浮托安裝設備作業(yè)影響

根據(jù)浮托安裝海域波浪周期聯(lián)合分布概率統(tǒng)計，按照不同有義波高Hs計算多個超越概率下譜峰周期值Tp(即該波高下周期低于計算值的概率為超越概率)，模擬其與波高周期對應關(guān)系見圖9。

圖9 不同超越概率下的波峰周期

根據(jù)以往項目經(jīng)驗，常規(guī)浮托周期取值范圍一般對應20%～80%超越概率，本項目統(tǒng)計得到浮托作業(yè)波浪許用環(huán)境條件見表4。

表4 浮托安裝波浪許用環(huán)境條件

選取幾組典型進退船工況進行周期敏感性分析，結(jié)果見表5～7。

表5 橫蕩護舷碰撞力周期敏感性分析結(jié)果

表6 組塊插尖運動周期敏感性分析

表7 DSU分離點及船底垂向運動周期敏感性分析

通過對橫蕩護舷碰撞力、組塊插尖、DSU分離點及船底運動進行時歷統(tǒng)計分析，可以推出浮托安裝設備作業(yè)期間受波浪周期的影響顯著，在同等波高小周期環(huán)境下，橫蕩護舷碰撞力及浮托對接設備運動都比較小，隨著周期增大，護舷碰撞力及其他相關(guān)設備運動增長顯著，因此浮托作業(yè)周期也應成為項目執(zhí)行的控制因素之一。

3 結(jié)論

浮托安裝海域橫浪條件下，波高小幅增加將導致進退船護舷碰撞力增加顯著，組塊插尖水平向及垂向運動也隨之增加，相應的需要加強導管架結(jié)構(gòu)、增加浮托進船間隙以及增大LMU捕捉半徑來應對環(huán)境變化對浮托作業(yè)影響。放寬許用波高可以增加作業(yè)概率，但結(jié)構(gòu)加強將產(chǎn)生額外工程費用；若堅持按常規(guī)浮托波高進行作業(yè)，可能需要增加待機時間，現(xiàn)場船隊待機費用會增加，建議對比兩種額外費用，找出最優(yōu)施工方案。

浮托海域波浪周期增加后(下限值20%超越概率增加至上限值80%超越概率)，進退船護舷碰撞力增加2倍，組塊插尖、DSU及船底觀測點運動增加3～4倍，計算結(jié)果表明，波浪周期變化也是影響浮托作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)，浮托護舷碰撞力、插尖運動等參數(shù)與周期變化呈正相關(guān)。建議作業(yè)時除測量預報波高數(shù)據(jù)之外，還應預報波浪周期值，避免長周期(涌浪)下進行浮托作業(yè)，提前指定應急措施，保證施工安全。