水下生產(chǎn)設(shè)施吊裝入水砰擊動態(tài)模擬

孫 青，張昊楠

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451）

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)在深水油氣田開發(fā)領(lǐng)域有著重要作用，無論是新油田開發(fā)還是油田棄置，都會涉及水下管匯、采油樹、跨接管和水下基盤等水下生產(chǎn)設(shè)施的安裝和拆除。采用工程船吊機(jī)吊裝水下生產(chǎn)設(shè)施具有機(jī)動靈活、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，配備動力定位系統(tǒng)和升沉補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)可較容易地滿足其水下安裝定位的要求，但對于帶有防沉板的水下管匯等尺寸較大的設(shè)施來說，在將其下放至與水面接觸的瞬間，容易引起過大的砰擊載荷，造成吊機(jī)鋼絲繩及其索具等受損。因此，必須對整個系統(tǒng)入水過程中受到的動載荷進(jìn)行分析，避免瞬時過載發(fā)生。

目前用于計算海上吊裝作業(yè)入水過程中的水動力載荷的方法主要有簡化計算法、設(shè)計規(guī)則波法、時域計算法和計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）法等4種[1]，不同方法對模型的簡化程度不同，計算量也有所不同，可分別適用于不同的計算場合。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對工程船吊裝水下生產(chǎn)系統(tǒng)入水砰擊開展了一系列研究。例如：陳可欽等[2]根據(jù)IMCA、DNV-RP-C205和DNV-RP-H103規(guī)范計算了南海某項(xiàng)目三通防沉板吊裝入水的動態(tài)放大系數(shù)；張暉[3]根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范中的砰擊力公式計算了南海某水下終端管匯安裝入水時受到的砰擊載荷，考慮了多種基本工況和組合工況，得到了允許安裝作業(yè)的最大有效波高；陳勇等[4]以南海某水下基盤的安裝為例，采用簡化算法計算了基盤入水的動態(tài)放大系數(shù)，并將其與OrcaFlex軟件時域模擬結(jié)果相對比，分析了簡化算法的適用性；DING等[5]基于流體體積模型對敞口結(jié)構(gòu)在飛濺區(qū)受到的波浪砰擊進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并通過試驗(yàn)對其準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證；WU[6]采用SIMA軟件對水下基盤通過飛濺區(qū)時鋼絲繩的受力情況進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)分析，并考慮了被動升沉補(bǔ)償系統(tǒng)；JIA等[7]采用將船舶時域繞射模擬與CFD相結(jié)合的方法分析了船舶吊裝水下設(shè)施通過飛濺區(qū)時的運(yùn)動和受力情況，并進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析；NAESS等[8]通過模型試驗(yàn)和CFD法，在時域下模擬了帶吸力錨的基盤結(jié)構(gòu)吊裝入水過程中鋼絲繩的動載荷，驗(yàn)證了吸力錨頂部入水時其開口灌入的空氣和海水量的重要性；JEONG等[9]對海洋工程支持船吊裝水下設(shè)施過程中的多個步驟進(jìn)行了動態(tài)模擬，得到了在不同波浪周期、波高和下放速度下鋼絲繩的拉力和碰撞校核結(jié)果；KANG等[10]研究了水下吊裝作業(yè)過程中吊機(jī)繩索的參數(shù)共振問題，運(yùn)用馬修方程對吊機(jī)繩索的有效浸沒長度和動態(tài)張力變化進(jìn)行了數(shù)值計算和預(yù)測。本文對吊裝作業(yè)入水過程中船舶吊索和水下生產(chǎn)設(shè)施的受力狀態(tài)進(jìn)行研究，并利用OrcaFlex軟件對其進(jìn)行動態(tài)時域模擬分析，根據(jù)瞬時動載荷的變化規(guī)律和影響因素指導(dǎo)海上作業(yè)條件和作業(yè)方法的選擇。

1 吊物受力和運(yùn)動方程

水下生產(chǎn)設(shè)施吊裝入水過程中，其運(yùn)動響應(yīng)是由吊索的拉力、自身重力、浮力、波浪力、入水砰擊力、慣性力和拖曳力等多種載荷共同作用的結(jié)果。

1.1 入水砰擊力

吊物在入水過程中與水面之間因有相對速度而產(chǎn)生碰撞，引起其底部表面出現(xiàn)伴有高壓峰值的沖擊載荷，即砰擊力[11]。入水砰擊力的計算式[1]可表示為

式(1)和式(2)中：ρ為海水密度；sC為砰擊系數(shù)；pA為吊物在水面上的投影面積；?˙為波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度；η˙為吊物的垂向速度；η˙~為波浪引起的吊物垂向運(yùn)動速度，即船體受到波浪的作用產(chǎn)生的運(yùn)動傳遞至吊物處的運(yùn)動速度，可根據(jù)船體運(yùn)動響應(yīng)幅值算子（Response Amplitude Operator, RAO）計算得到；cv為吊物下放速度。

1.2 波浪力

吊物在下放過程中會因遭遇波浪而受到波浪激勵力的作用，其中包括Froude-Kriloff力、繞射力、拖曳力和波浪引起的浮力改變。垂直方向的波浪力的計算式[1]可表示為

式(3)～式(5)中：g為重力加速度；wA為水線面面積；?(t)為瞬時波面升高；V為吊物排水體積；?˙˙為波浪水質(zhì)點(diǎn)加速度；A33為吊物附加質(zhì)量；CA為附加質(zhì)量系數(shù)；RV為參考體積；dF為垂直方向拖曳力；dC為拖曳力系數(shù)；rv為吊物與波浪水質(zhì)點(diǎn)之間的相對速度。

1.3 運(yùn)動方程

結(jié)合吊裝入水過程中吊物的受力情況，建立吊物的運(yùn)動方程為

式(6)和式(7)中：M為吊物質(zhì)量；η˙˙為吊物的垂向加速度；V(t)為吊物的瞬時排水體積；Fline(t)為起重鋼絲繩受力；K為鋼絲繩剛度；zct為吊機(jī)的臂頭位移；η為重物位移。

2 判別準(zhǔn)則

2.1 避免鋼絲繩松弛

當(dāng)?shù)跷镌谌胨^程中受到的向上的動載荷（包括砰擊力和波浪力）大于其自身重力時，會造成起重鋼絲繩在受到很大的短時載荷的作用之后松弛。鋼絲繩松弛會導(dǎo)致吊物以一定的速度做自由落體運(yùn)動，并使鋼絲繩受到一個很大的瞬時拉力；同時，吊物會受到來自于水面的更大的沖擊力，帶來破壞性影響[2]。因此，在吊裝作業(yè)過程中，應(yīng)完全避免鋼絲繩松弛，即使鋼絲繩受到的拉力始終大于零，滿足關(guān)系式

2.2 動態(tài)放大系數(shù)

動態(tài)放大系數(shù)為吊物入水過程中受到的動載荷與靜載荷之比，應(yīng)小于要求值[4]。

式(9)中：λ為動態(tài)放大系數(shù)；Fdynamic為動載荷；Fstatic為靜載荷。

3 數(shù)值模擬

借助OrcaFlex軟件模擬某工程船吊裝水下管匯入水的整個過程，并通過加載隨機(jī)波浪，考慮船體、吊索具和吊物之間的耦合作用，使計算結(jié)果更真實(shí)可靠。工程船和起重設(shè)備參數(shù)見表1，計算中涉及到的水下管匯參數(shù)見表2，根據(jù)吊機(jī)特性曲線中的載重量、工作半徑和起升高度確定管匯的吊點(diǎn)位置，并確保吊放過程中管匯與吊機(jī)和船體之間有足夠的間隙。根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范[12]選取管匯的水動力參數(shù)：對于平底結(jié)構(gòu)，其砰擊系數(shù)Cs應(yīng)不小于2π；對于長寬比為1.25的平板結(jié)構(gòu)，其垂向附加質(zhì)量系數(shù)CA可取為0.642；對于雷諾數(shù)Re＞104的平板結(jié)構(gòu)，其垂向拖曳力系數(shù)Cd可取為1.9。

表1 工程船和起重設(shè)備參數(shù)

表2 水下管匯參數(shù)

作業(yè)船舶配備有動力定位系統(tǒng)，作業(yè)過程中動力定位系統(tǒng)開啟，船體在平面內(nèi)的運(yùn)動受限，可簡化為只考慮平面外的運(yùn)動，即升沉、縱搖和橫搖。船體在波浪入射角為0°、15°和30°時的升沉、縱搖和橫搖RAO見圖1～圖3?；诖w升沉、橫搖和縱搖RAO計算臂頭垂向運(yùn)動RAO，分析吊臂臂頭的運(yùn)動特點(diǎn)，計算式為

式(10)中：ctη為臂頭垂向運(yùn)動幅值；3η為船舶升沉運(yùn)動幅值；4η為船舶橫搖運(yùn)動幅值；5η為船舶縱搖運(yùn)動幅值；b為臂頭與船中心線的水平距離；l為臂頭與船中橫剖面的水平距離。

分別計算船舶迎浪和波浪與船首成0°、15°和30°情況下的臂頭垂向運(yùn)動RAO，結(jié)果見圖4。

圖1 波浪與船首成0°角時的運(yùn)動RAO

圖2 波浪與船首成15°角時的運(yùn)動RAO

圖3 波浪與船首成30°角時的運(yùn)動RAO

圖4 吊臂臂頭垂向運(yùn)動RAO

從圖4中可看出：當(dāng)波浪周期為16.4s時，臂頭的垂向運(yùn)動達(dá)到峰值；尤其是當(dāng)波浪與船首成30°角時，臂頭的垂向運(yùn)動幅值達(dá)到2.8m。因此，當(dāng)在作業(yè)過程中遇到該周期成分較多的波浪時，需格外注意。

在OrcaFlex中建立的仿真模型見圖5，吊機(jī)與船體剛性連接，鋼絲繩采用Line單元模擬，其頂端通過一個Winch單元與船上的吊機(jī)相連，底端加入一個用來模擬吊鉤的3D Buoy，并將其與管匯吊索連接。由于管匯防沉板的面積較大，模型中采用8個相互銜接的6D Buoy模擬防沉板，用于細(xì)化波浪中的防沉板不同位置觸碰水面時引起的水動力載荷。模擬過程從管匯距水面以上3m開始，至海水完全浸沒管匯為止，吊機(jī)以0.15m/s的速度勻速下放管匯，整個入水過程采用時域方法進(jìn)行動態(tài)模擬。

選取波浪方向?yàn)橛?，并與船首成15°角；波浪平均過零周期Tz的取值范圍為3～13s，以1s為單位遞增；波浪有義波高Hs的取值范圍為0.5～4.0m，以0.5m為單位遞增。由此得到75種隨機(jī)波浪工況，計算鋼絲繩的張力變化情況，根據(jù)式(9)計算得到不同有義波高Hs下的動態(tài)放大系數(shù)，并繪制動態(tài)放大系數(shù)隨波浪周期Tz的變化曲線，結(jié)果見圖6，其中：橫線表示允許動態(tài)放大系數(shù)1.3；橫線以下的部分為推薦的作業(yè)窗口。

圖5 OrcaFlex仿真模型

4 影響因素分析

在實(shí)際吊裝作業(yè)過程中，管匯的結(jié)構(gòu)、作業(yè)設(shè)備和吊裝方法已基本確定，若要降低作業(yè)風(fēng)險，可通過選擇在有利的海況下作業(yè)和選擇合適的吊放速度來達(dá)到減小動載荷的目的。在此之前，需明確波浪因素和下放速度對鋼絲繩拉力的影響，以指導(dǎo)實(shí)際作業(yè)。由圖6可知，大部分情況下相同波浪周期對應(yīng)的波高越高，鋼絲繩受到的最大拉力越大，而波浪周期對鋼絲繩拉力的影響無明顯變化規(guī)律，故本文通過選取幾種典型的隨機(jī)波列模擬不同下放速度下鋼絲繩的受力過程，并進(jìn)行拉力最大值及其出現(xiàn)時間對比。

圖6 動態(tài)放大系數(shù)對比曲線

圖7為Hs=2m、Tz=6s時根據(jù)JONSWAP譜產(chǎn)生的隨機(jī)波列（隨機(jī)波列1）。分別計算下放速度為0.1m/s、0.2m/s和0.5m/s時鋼絲繩拉力隨時間的變化情況，并統(tǒng)計最大拉力值和出現(xiàn)時間，結(jié)果見圖8和表3，其中出現(xiàn)時間在圖7中按從右到左的順序用豎線表示。

圖7 隨機(jī)波列1

圖8 隨機(jī)波列1對應(yīng)的鋼絲繩張力變化曲線

表3 隨機(jī)波列1對應(yīng)計算結(jié)果

由表3可知：在隨機(jī)波列1的作用下，0.1m/s下放速度下的鋼絲繩最大拉力值比0.2m/s和0.5m/s下放速度下的鋼絲繩最大拉力值大，且呈現(xiàn)出下放速度增大，最大拉力減小的趨勢；最大拉力的出現(xiàn)時間均在波谷附近，其中在下放速度為0.5m/s的情況下，最大拉力出現(xiàn)時管匯還未入水；鋼絲繩在下放速度為0.1m/s和0.2m/s時均出現(xiàn)了松弛現(xiàn)象。

圖9為Hs=2m、Tz=10s時根據(jù)JONSWAP譜產(chǎn)生的隨機(jī)波列（隨機(jī)波列2）。分別計算下放速度為0.1m/s、0.2m/s和0.5m/s時鋼絲繩拉力隨時間的變化情況，并統(tǒng)計最大拉力值及其出現(xiàn)時間，結(jié)果見圖10和表4，其中出現(xiàn)時間在圖9中按從右到左的順序用豎線表示。

圖9 隨機(jī)波列2

圖10 隨機(jī)波列2對應(yīng)的鋼絲繩張力變化曲線

表4 隨機(jī)波列2對應(yīng)計算結(jié)果

隨機(jī)波列2與隨機(jī)波列1相比，波浪周期增大。由表4可知，在隨機(jī)波列2的作用下，隨著下放速度的增大，最大拉力有減小的趨勢，最大拉力均在波谷附近出現(xiàn)，與表3所示的結(jié)果相比，0.1m/s和0.2m/s下放速度下的鋼絲繩最大拉力減小，且均未出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。

圖11為Hs=0.5m、Tz=10s時根據(jù)JONSWAP譜產(chǎn)生的隨機(jī)波列（隨機(jī)波列3）。分別計算下放速度為0.1m/s、0.2m/s和0.5m/s時鋼絲繩拉力隨時間的變化情況，并統(tǒng)計最大拉力值及其出現(xiàn)時間，結(jié)果見圖12和表5。

圖11 隨機(jī)波列3

圖12 隨機(jī)波列3對應(yīng)的鋼絲繩張力變化曲線

表5 隨機(jī)波列3對應(yīng)計算結(jié)果

隨機(jī)波列3與隨機(jī)波列2相比，僅波高下降。由圖12可知，隨著下放速度的增大，入水過程中鋼絲繩拉力減小更迅速。由表5可知，在隨機(jī)波列3的作用下，鋼絲繩最大拉力均出現(xiàn)在入水之前，與隨機(jī)波列2相比，波高的下降使得入水時波浪對鋼絲繩拉力的負(fù)面影響減小，因此拉力均處于較低的水平。

5 結(jié) 語

水下生產(chǎn)設(shè)施在吊放入水過程中會受到砰擊力和波浪激勵力等多種載荷的作用，本文通過采用OrcaFlex軟件建模并進(jìn)行時域模擬分析，確定了結(jié)構(gòu)在入水過程中受到的動載荷的大小，并通過避免吊裝作業(yè)過程中出現(xiàn)松弛現(xiàn)象和對動態(tài)放大系數(shù)進(jìn)行校核，得到了吊裝作業(yè)窗口，不僅有利于對吊裝作業(yè)中的風(fēng)險進(jìn)行評估，而且能更加靈活地掌握工程船作業(yè)時機(jī)。

通過在3種隨機(jī)波列下模擬不同下放速度的鋼絲繩受到的拉力可知：

1) 波浪對吊裝作業(yè)入水階段的動載荷的影響隨著波高的升高而增大，波高越高，越容易引起吊機(jī)鋼絲繩過載，應(yīng)盡量選擇在低浪高時進(jìn)行作業(yè)；

2) 波浪周期不是影響鋼絲繩拉力的決定性因素，但在波高相同的情況下，波浪周期的增加（即波陡減?。┦沟跷锶胨畷r與波浪的作用更緩和，在長周期波浪下作業(yè)相比在短周期波浪下作業(yè)更有利；

3) 吊物下放速度減小有可能會使動載荷增大，該現(xiàn)象與靜水中的情況不符，因此實(shí)際作業(yè)時不能盲目通過減小下放速度來減小動載荷。