風(fēng)浪流載荷下超大型海洋平臺雙船拆解系統(tǒng)運動特性數(shù)值模擬

劉永澤，劉夕全，趙鵬飛，呂 濤，任少飛

(1. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 山東海洋藍(lán)鯤運營有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3. 山東海洋工程裝備有限公司，山東 青島 266000)

0 引 言

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，越來越多海洋平臺被應(yīng)用于海上油氣田的開采生產(chǎn)中，并且海洋平臺向著大型化、綜合化的方向發(fā)展。一般海洋平臺的設(shè)計壽命為20年左右，未來將有大量超大型海洋平臺因達(dá)到使用壽命而需要拆解[1]。雙船拆解系統(tǒng)是目前最新的超大型海洋平臺一體化拆解方法，拆解時一般需要3艘拆解船協(xié)同作業(yè)，先將海洋平臺與2艘拆解船的舉升臂固定（2艘拆解船與海洋平臺構(gòu)成雙船拆解系統(tǒng)），之后通過調(diào)整壓載水系統(tǒng)將切割后的海洋平臺托起轉(zhuǎn)運到第3艘運輸船甲板上，從而大幅度提高拆解的效率和作業(yè)安全性[2]。

目前，對海洋平臺安裝和拆解開展了較為廣泛的研究。Hu等[3]針對大型海上平臺上部組塊浮托安裝作業(yè)問題，基于數(shù)值模擬與模型試驗對風(fēng)浪流耦合載荷下非線性沖擊載荷、作業(yè)船運動特性進(jìn)行了研究。李巍等[4]基于模型試驗研究了風(fēng)浪流耦合載荷下雙船起重拆解平臺及運輸環(huán)節(jié)，驗證了雙船拆解協(xié)同運輸平臺的可行性。易叢等[5]針對東海海域研究了3條浮托駁船的浮托安裝過程，并重點分析了作業(yè)中的進(jìn)退船及對接問題。昝英飛等[6]研究了浮托安裝時風(fēng)浪流載荷下駁船與錨鏈之間的時域耦合動力學(xué)問題，對駁船的運動和錨鏈頂端拉力進(jìn)行了分析。王飚等[7]以南海某海洋平臺15 000噸級組塊動力定位浮托安裝為例，分析了浮托安裝過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并對其在東海作業(yè)的適用性進(jìn)行了論證。彭景環(huán)[8]基于三維勢流理論對多浮體在波浪上的運動耦合響應(yīng)進(jìn)行了研究，并對浮托作業(yè)過程中雙駁船耦合的水動力和波浪力進(jìn)行了預(yù)報。

研究雙船海洋平臺拆解系統(tǒng)在風(fēng)浪流載荷下的運動特性，對于保證拆解作業(yè)的可行性和安全性具有極其重要的意義。然而，目前針對雙船海洋平臺拆解系統(tǒng)的研究相對較少，為此本文基于Sesam軟件對雙船拆解系統(tǒng)在風(fēng)浪流載荷下的運動特性進(jìn)行分析。首先采用HydroD模塊對雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船進(jìn)行頻域計算，得到波浪載荷下雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船的運動特性及相關(guān)水動力參數(shù)，然后將以上計算結(jié)果導(dǎo)入Sima模塊，求解雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船在風(fēng)浪流載荷下的時域運動特性，重點探討了雙船拆解系統(tǒng)與單個拆解船運動差異，并給出了1～3級海況下雙船拆解系統(tǒng)六自由運動短期預(yù)報，旨在為雙船起重海洋平臺拆解作業(yè)提供一定的數(shù)值參考。

1 雙船拆解系統(tǒng)及環(huán)境載荷參數(shù)

雙船拆解系統(tǒng)由2艘拆解船和待拆解海洋平臺組成，其中拆解船總長200 m，寬45 m，型深16 m，吃水9.5 m，安裝4根舉升臂后總排水量約65 000 t，拆解船配備2套首部側(cè)推進(jìn)器和2套尾部吊艙式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，配合DP-3級動力定位系統(tǒng)可實現(xiàn)作業(yè)時精準(zhǔn)定位。待拆解海洋平臺長85 m，寬55 m，高71 m，重約20 000 t，待拆解海洋平臺與2艘拆解船組成雙船拆解系統(tǒng)后吃水12 m。

圖1 雙船拆解系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the twin-ship offshore platform dismantling system

海洋平臺拆解作業(yè)海域為挪威北海，為保證安全需在3級及以下海況下進(jìn)行拆解作業(yè)。因此，采用1～3級海況參數(shù)進(jìn)行計算，得到雙船拆解系統(tǒng)在風(fēng)浪流載荷下的最大運動幅值。采用Jonswap譜描述波浪載荷，NPD譜描述風(fēng)載荷，具體環(huán)境載荷參數(shù)見表1[9]。

表1 挪威北海環(huán)境載荷參數(shù)Tab. 1 Environmental load parameters of the Norway North Sea

2 雙船拆解系統(tǒng)運動特性頻域分析

對多浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水動力分析時可以將其簡化為浮體間剛性連接[8]，本文將2艘拆解船與海洋平臺簡化為剛性連接的整體。首先在HydroD模塊中對雙船拆解系統(tǒng)整體及單個拆解船進(jìn)行水動力分析，得到波浪載荷下雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船六自由度運動響應(yīng)幅值以及運動傳遞函數(shù)和附加質(zhì)量等水動力參數(shù)。由于雙船拆解系統(tǒng)水線以下的部分完全對稱，故將浪向角設(shè)置為0°～180°，間隔30°，拆解船浪向角設(shè)置為0°～360°，間隔30°。根據(jù)挪威北海波浪平均周期概率分布[9]，設(shè)置雙船拆解系統(tǒng)作業(yè)水深為100 m，波浪周期為0.1～1.1 rad/s。

由于將船首朝向風(fēng)浪加載方向能顯著提高船舶操控性[10]，故重點對150°，180°和210°典型工況下的運動特性進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果如圖3所示。可以看出：在多數(shù)情況下，雙船拆解系統(tǒng)在波浪載荷下六自由度的運動幅值小于單個拆解船，其中橫搖和首搖減小幅度最大，如圖3（a）～圖3（f）所示；雙船拆解系統(tǒng)垂蕩、橫搖、縱搖及首搖運動幅值隨波浪頻率變化較大，其中首搖運動幅值會隨波浪頻率增大在0.3 rad/s和0.7 rad/s附近出現(xiàn)2個峰值，縱搖運動幅值會在波浪頻率為0.2 rad/s時急劇增大，如圖3（c）～圖3（f）所示。

圖3 波浪載荷下雙船拆解系統(tǒng)和拆解船六自由度運動特性頻域計算結(jié)果Fig. 3 The 6-DOF motion characteristics of the twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wave predicted by the frequency domain algorithm

3 雙船拆解系統(tǒng)運動特性時域分析

將頻域計算中得到雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船六自由度運動傳遞函數(shù)和附加質(zhì)量等水動力參數(shù)導(dǎo)入至Sima模塊中，對雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船在3級海況、180°風(fēng)浪流載荷下的運動特性進(jìn)行10 800 s的時域模擬。由于縱蕩、橫蕩及首搖運動對拆解作業(yè)影響最大[10]，故重點對上述3個方向的運動進(jìn)行分析，計算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，雙船拆解系統(tǒng)在180°風(fēng)浪流載荷作用下的橫蕩和首搖運動遠(yuǎn)小于單個拆解船，始終接近于0，如圖4（b）和圖4（c）所示。這主要是因為雙船拆解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱，當(dāng)風(fēng)浪流載荷從180°方向加載時雙船拆解系統(tǒng)橫向的合力和首搖力矩均較小使得運動幅度減?。浑p船拆解系統(tǒng)的縱蕩運動幅度較單個拆解船減小了55.5%，如圖4（a）所示。

圖4 雙船拆解系統(tǒng)和拆解船在180°風(fēng)浪流載荷方向下時運動時歷曲線Fig. 4 The motion-time curves of the twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wind,wave and current load of 180° direction

為進(jìn)一步探究雙船拆解系統(tǒng)縱蕩運動幅度較單個拆解船大幅減小的原因，對雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船在180°風(fēng)浪流載荷下的各推進(jìn)器方位角及推力時歷曲線進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，雙船耦合時船尾的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器方位角始終保持在0°左右，而單船的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器方位角則會在-160°～10°之間劇烈波動（見圖5），進(jìn)而導(dǎo)致雙船耦合后的拆解系統(tǒng)和單船受到的推進(jìn)器橫向合力差異巨大，如圖6所示。由于單個拆解船安裝4根舉升臂破壞了結(jié)構(gòu)的對稱性使得其在180°風(fēng)浪流載荷下橫蕩和首搖運動幅度較大，所以其動力定位控制系統(tǒng)需要改變船尾的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的方位角來修正橫蕩及首搖偏差，且船首布置的側(cè)推進(jìn)器無法修正縱蕩方向上的位移偏差，造成單個拆解船的縱蕩運動幅度較大。雙船耦合拆解系統(tǒng)則由于結(jié)構(gòu)對稱，橫蕩和首搖運動幅度小，尾部的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器能始終保持在0°附近抵抗縱蕩方向的位移偏差，使雙船耦合拆解系統(tǒng)縱蕩運動幅度較小。

圖5 雙船拆解系統(tǒng)和拆解船在180°風(fēng)浪流載荷方向下時全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器方位角時歷曲線Fig. 5 The history-time curves of the thuruster azimuth of the twinship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wind, wave and current load of 180° direction

圖6 雙船拆解系統(tǒng)和拆解船在180°風(fēng)浪流載荷方向下推進(jìn)器橫向合力時歷曲線Fig. 6 The history-time curves of the lateral resultant force of the twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wind, wave and current load of 180° direction

由于海洋平臺拆解作業(yè)所需時間較長且挪威北海風(fēng)浪方向變化較為頻繁[9,11]，故對雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船在0°～360°（間隔30°）風(fēng)浪流載荷方向下的運動進(jìn)行數(shù)值模擬，對比雙船拆解系統(tǒng)和單個拆解船在不同方向風(fēng)浪流載荷下的運動差異，計算結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出：雙船拆解系統(tǒng)在各方向風(fēng)浪流載荷下的六自由度運動幅度均小于單個拆解船，如圖7（a）～圖7（f）所示；當(dāng)風(fēng)浪流載荷關(guān)于X軸對稱時（如圖2所示），雙船拆解系統(tǒng)的在六自由度上的運動也大致對稱，如圖7（a）～圖7（f）所示；雙船拆解平臺在180°風(fēng)浪流載荷下縱蕩、橫蕩及首搖相比其他載荷方向時運動幅度更小，更適合拆解作業(yè)，如圖7（a）、圖7（b）和圖7（f）所示。

圖2 推進(jìn)器布置及坐標(biāo)系規(guī)定Fig. 2 Propeller arrangement and the definition of coordinate system

圖7 三級海況下雙船拆解系統(tǒng)及拆解船六自由度運動幅度Fig. 7 The 6-DOF amplitude of motion for twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under sea conditions of Class 3

雙船拆解系統(tǒng)在1，2級海況下六自由度運動短期預(yù)報如圖8所示。從圖中可以看出，多數(shù)情況下雙船拆解系統(tǒng)在1級海況下的運動幅度小于2級海況時，如圖8（a）～圖8（f）所示。但是，當(dāng)風(fēng)浪流載荷方向為90°和270°時雙船拆解系統(tǒng)在1級海況下的垂蕩和縱搖運動大于2級海況時，這主要是因為1，2級海況在有義波高有差別的同時對應(yīng)的波浪頻率也不同，且雙船拆解系統(tǒng)由于水下部分為雙體結(jié)構(gòu)，在不同頻率波浪載荷下的運動響應(yīng)幅值有較大差別（見圖3），從而造成雙船拆解系統(tǒng)在更低等級海況下運動幅度更大，如圖8（c）和圖8（f）所示。

圖8 1，2級海況下雙船拆解系統(tǒng)六自由度運動幅度短期預(yù)報Fig. 8 The short-term prediction of 6-DOF amplitude of motion for twin-ship offshore platform dismantling system under sea conditions of Class 1 and 2

4 結(jié) 語

本文以超大型海洋平臺雙船拆解系統(tǒng)為研究對象，對其進(jìn)行頻域分析后得到波浪載荷下無動力雙船拆解系統(tǒng)運動特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時域分析研究了動力定位下雙船拆解系統(tǒng)在風(fēng)浪流載荷下的運動特性，重點對比了雙船拆解系統(tǒng)與耦合前單個拆解船運動特性的差異，并給出雙船拆解系統(tǒng)在1，2，3級海況下運動幅度短期預(yù)報。研究結(jié)果表明：

1）雙船拆解系統(tǒng)在波浪載荷下運動響應(yīng)普遍小于單個拆解船，由于雙船拆解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱，其在風(fēng)浪流載荷下橫搖及首搖運動遠(yuǎn)小于單個拆解船，橫搖和首搖擾動減小后大部分推力可用來修正縱蕩和橫蕩偏移，從而使雙船拆解系統(tǒng)在風(fēng)浪流載荷下六自由度運動均小于單個拆解船。

2）由于雙拆拆解系統(tǒng)水下為雙體結(jié)構(gòu)，雙船拆解系統(tǒng)的垂蕩、縱搖和首搖運動對波浪頻率變化更加敏感，造成雙船拆解系統(tǒng)在某些有義波高較小海況下垂蕩、縱搖及首搖運動幅度反而更大，作業(yè)時在考慮有義波高的同時不能忽略波浪頻率的影響。

3）雙船拆解系統(tǒng)在180°的風(fēng)浪流載荷下縱蕩、橫蕩及首搖運動幅度相對其他載荷方向時較小，為保證安全應(yīng)盡量使船首朝向風(fēng)浪流加載方向進(jìn)行作業(yè)。