導(dǎo)管架平臺雙船浮托法安裝的數(shù)值模擬與水池試驗(yàn)

李新超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

浮托法又可劃分為單船浮托和雙船浮托，這兩種方法的區(qū)別是承載駁船的數(shù)量[1-2]。目前單船浮托法，包括常規(guī)單船、T型駁船、動力定位船等多種浮托安裝方法，在我國工程實(shí)例更是多達(dá)20余項(xiàng)。雙船浮托法是采用兩條駁船托舉上部組塊，并從兩側(cè)駛?cè)肫脚_區(qū)域，到達(dá)預(yù)定設(shè)計位置后，下放上部組塊至下部結(jié)構(gòu)，從而完成上部組塊安裝作業(yè)，相對與單船浮托，平臺的下部結(jié)構(gòu)不需要設(shè)計進(jìn)船槽口，所以設(shè)計要求相對較低。為全面掌握雙船浮托法安裝設(shè)計技術(shù)，以我國某海域重量為1萬t的導(dǎo)管架平臺上部組塊為例，分析雙船浮托安裝過程，從中選擇6個典型工況，采用數(shù)值分析和水池試驗(yàn)兩種方法分析駁船和上部組塊的運(yùn)動以及各結(jié)構(gòu)的受力。

1 導(dǎo)管架平臺雙船浮托安裝簡介

在雙船浮托安裝前，需要在陸上建造上部組塊并完成設(shè)備調(diào)試，從建造場地轉(zhuǎn)移到運(yùn)輸駁船上，選擇合適的氣候窗口，運(yùn)輸上部組塊到目標(biāo)海域。雙船浮托安裝海上作業(yè)主要包括過駁作業(yè)和雙船浮托作業(yè)2個階段。

過駁作業(yè)階段，運(yùn)輸船(駁船C)采用錨泊系統(tǒng)定位，兩浮托船(駁船A和駁船B)在絞車，定位拖輪等設(shè)備輔助下逐漸向運(yùn)輸船靠攏，并通過橫向護(hù)舷及縱向限位輔助定位，直至浮托船上LMU(leg mating unit，樁腿對接單元[3])與上部組塊外側(cè)插尖相對齊；兩艘浮托船和運(yùn)輸船同步壓排載，保持兩浮托船吃水，逐步增加運(yùn)輸船吃水，使上部組塊插尖與LMU逐漸對接，將上部組塊的重量由運(yùn)輸船轉(zhuǎn)移到兩艘浮托船上；繼續(xù)增加運(yùn)輸船吃水，直至上部組塊內(nèi)側(cè)插尖與運(yùn)輸船上DSU(deck support unit，甲板支撐結(jié)構(gòu))垂向間隙達(dá)到設(shè)計值，在絞車和拖船的輔助下逐漸從兩浮托船區(qū)域退出。

雙船浮托作業(yè)階段,兩浮托船在絞車，定位拖船等設(shè)備輔助下逐漸向?qū)Ч芗芸繑n，并通過橫向護(hù)舷和縱向限位準(zhǔn)確定位，直至上部組塊內(nèi)側(cè)插尖與導(dǎo)管架上LMU對齊；兩浮托船同步壓載，將上部組塊重量由兩艘浮托船逐步轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架；繼續(xù)壓載，直到浮托船上LMU與上部組塊外側(cè)插尖垂向間隙達(dá)到設(shè)計值時，停止壓載，在絞車和拖輪的輔助下逐漸從導(dǎo)管架區(qū)域退出。見圖1。

圖1 雙船浮托法安裝過程示意

雙船浮托安裝過程中，兩浮托船通過LMU A托舉上部組塊，LMU A采用半球形凸出和半球形接收器配合，能夠有效釋放雙船浮托安裝過程中由于兩艘浮托船運(yùn)動不同步引起的彎矩，從而更好地保護(hù)上部組塊和浮托船結(jié)構(gòu)[3]；運(yùn)輸船通過DSU托舉上部組塊，根據(jù)雙船浮托的特點(diǎn)，采用一種多用途DSU結(jié)構(gòu)；上部組塊與導(dǎo)管架之間通過LMU B相連，其一端為錐形或半球形凸出，下部接收器中有減震裝置，在對接時，能夠減緩水平和垂向的碰撞力。

在雙船浮托安裝作業(yè)中，運(yùn)輸船和兩浮托船的側(cè)向偏移不宜過大，以免運(yùn)輸船和兩浮托船以及兩浮托船與導(dǎo)管架產(chǎn)生較大的碰撞，船舶垂向運(yùn)動也需要控制，以免幅度過大，導(dǎo)致碰撞載荷超過LMU或DSU的設(shè)計能力；另外，上部組塊的插尖與LMU接收器的相對運(yùn)動必須小于接收器的捕捉半徑，如果插尖從LMU接收器脫出，將導(dǎo)致浮托安裝失敗。因此，需要通過對雙浮托過程中船舶和上部組塊的運(yùn)動，LMU和DSU的受力進(jìn)行研究分析，準(zhǔn)確預(yù)報。LMU和DSU結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 LMU和DSU結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

2.1 環(huán)境條件

如表1所示，參考常規(guī)單船浮托，選取3種海洋環(huán)境參數(shù)作為雙船浮托法安裝的設(shè)計海況，設(shè)計水深15 m。

表1 海洋環(huán)境參數(shù)

2.2 船舶參數(shù)

根據(jù)上部組塊尺寸和重量選取載重量為18 000 t的駁船C作為運(yùn)輸船，選取載重量為16 000 t的2艘姐妹船駁船A和駁船B作為浮托船，駁船及上部組塊的主要參數(shù)見表2。

表2 駁船與上部組塊主要參數(shù)

運(yùn)輸船上布置6個DSU、2浮托船上布置6個LMU A、導(dǎo)管架上布置6個LMU B，分為上下兩排，每排3個，見圖3。

圖3 LMU和DSU布置

通過對整個雙船浮托法安裝上部組塊流程的剖析，選取表3所示的6個典型工況進(jìn)行分析。

在設(shè)計探究活動時建議增加一個標(biāo)題，用標(biāo)題概括該活動的探究主題。同時，要寫明該活動需研究的問題，圍繞標(biāo)題逐層設(shè)問，讓學(xué)生的探究更加連貫和深入。

表3 雙船浮托工況設(shè)置

2.3 建模與求解

運(yùn)輸船及浮托船的水動力模型見圖4，采用WAMIT計算得到運(yùn)輸船及浮托船的水動力數(shù)據(jù)，并將其作為輸入信息導(dǎo)入MOSES，通過非線性時域耦合分析船舶和上部組塊的運(yùn)動，LMU和DSU的受力。

圖4 運(yùn)輸船及浮托船的水動力模型

3 水池試驗(yàn)

在天津大學(xué)建筑工程學(xué)院港口工程試驗(yàn)水池進(jìn)行水池試驗(yàn)，模型縮尺比為1∶40。駁船模型材料為玻璃鋼，加工的船模主尺度符合設(shè)計圖紙要求，型線光順，表面光滑流暢，并調(diào)整船舶模型的總重量，重心縱向位置、重心垂向高度，調(diào)整模型的轉(zhuǎn)動慣量，與實(shí)船滿足相似關(guān)系。

試驗(yàn)中按照0.05 Hz的采樣頻率記錄所有的測量數(shù)據(jù)，并且所有工況的記錄時間均在10 min以上(相當(dāng)于實(shí)船1 h)，保證獲得足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和譜分析。

模型試驗(yàn)主要包括：港池的靜水試驗(yàn)，規(guī)則波、不規(guī)則波中過駁對接、雙船浮托對接試驗(yàn)，其中靜水試驗(yàn)主要用于測量及校準(zhǔn)系泊系統(tǒng)的剛度；由自由衰減試驗(yàn)得到駁船各自由度的固有周期；由規(guī)則波試驗(yàn)得到駁船各自由度的RAO；由不規(guī)則波試驗(yàn)得到不同工況下運(yùn)輸船、浮托船、上部組塊、LMU和DSU運(yùn)動和受力情況的測量數(shù)據(jù)。

模型試驗(yàn)過程主要測量船舶和上部組塊六自由度運(yùn)動；錨纜、LMU和DSU受力。模型試驗(yàn)中駁船、LMU和導(dǎo)管架的模型見圖5。

圖5 駁船、LMU和導(dǎo)管架模型

4 結(jié)果分析

頻域分析和規(guī)則波試驗(yàn)分別得到了駁船六自由度運(yùn)動和波浪力的RAO，波浪角頻率范圍0.01～1.50 rad/s并進(jìn)行對比。對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)的結(jié)果變化趨勢基本一致。運(yùn)輸船和浮托船在首迎浪工況下數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)的RAO對比見圖6、7，通過譜分析發(fā)現(xiàn)，駁船的縱蕩有明顯的低頻運(yùn)動特性，縱搖的峰值出現(xiàn)在角頻率0.3 rad/s附近。

圖6 過駁對接轉(zhuǎn)移0%工況首迎浪運(yùn)輸船RAO

圖7 雙浮托對接轉(zhuǎn)移0%工況首迎浪浮托船RAO

相同浪向不同工況的運(yùn)輸船和浮托船縱搖RAO見圖8，比較發(fā)現(xiàn)：縱搖RAO的趨勢基本相同，峰值會隨吃水的增加向高頻方向移動，幅值隨吃水的增加增大。

圖8 運(yùn)輸船及浮托船首迎浪縱搖RAO對比

運(yùn)輸船垂蕩運(yùn)動時域分析和不規(guī)則波試驗(yàn)的結(jié)果對比見圖9。由圖9可見，水池數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，垂蕩運(yùn)動幅值的差別約為12%。

圖9 首迎浪過駁預(yù)對接階段運(yùn)輸船垂蕩時歷

首迎浪下，過駁預(yù)對接、轉(zhuǎn)移0%和轉(zhuǎn)移100%3個工況下的統(tǒng)計值結(jié)果見表4。由表4可見，運(yùn)輸船及浮托船的運(yùn)動幅值均在許可范圍內(nèi)，錨纜最大張力為1 158.3 hN，滿足安全系數(shù)的要求。

表4 過駁階段模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

過駁預(yù)對接過程中，上部組塊LMU插尖與浮托船上接收端的水平相對運(yùn)動在0.2 m左右，小于接收端的捕捉半徑(0.5 m)，可以確保成功對接；另外，插尖垂向運(yùn)動的最小值-0.33 m，而插尖與浮托船上接收端的靜態(tài)垂向間隙為1.0 m，所以上部組塊LMU插尖與浮托船上接收端沒有發(fā)生碰撞。

重量轉(zhuǎn)移0%，與預(yù)對接相比，駁船的縱搖運(yùn)動幅值有所減小而縱蕩和垂蕩運(yùn)動幅值有所增大，這是由于駁船、上部組塊相互限制并且LMU內(nèi)減震裝置發(fā)揮作用。運(yùn)輸船上DSU垂向受力的時程見圖10，DSU平均受力為30 500 kN，周期性地增加到33 000 kN或減小到28 000 kN左右；浮托船上LMU垂向受力的時程見圖11，LMU垂向受力呈周期性的脈沖形狀，最小值為0，瞬間的碰撞力可達(dá)5 000 kN。這是由上部組塊插尖與浮托船上LMU接收端相互碰撞引起的，實(shí)際作業(yè)時，應(yīng)著重關(guān)注瞬間的碰撞載荷，防止瞬時沖擊力過大。

圖10 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移0%工況下DSU受力模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

圖11 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移0%工況下LMU受力模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

重量轉(zhuǎn)移100%，相比轉(zhuǎn)移0%，由于上部組塊的完全由運(yùn)輸船轉(zhuǎn)移到浮托船上，導(dǎo)致運(yùn)輸船的質(zhì)量分布發(fā)生變化，進(jìn)而運(yùn)輸船的運(yùn)動幅值均有所增大。運(yùn)輸船上DSU垂向受力的時程見圖12，浮托船上LMU垂向受力的時程曲線見圖13，類似轉(zhuǎn)移0%，DSU的受力最小值為0，瞬間的碰撞力可達(dá)5 200 kN左右；LMU平均受力為30 000 kN，周期性地增加到33 000 kN或減小到28 000 kN左右，實(shí)際作業(yè)時，應(yīng)著重關(guān)注瞬間的碰撞載荷。

圖12 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移100%工況下DSU受力模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

圖13 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移100%工況下LMU受力模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

首迎浪下，雙浮托預(yù)對接、轉(zhuǎn)移0%和轉(zhuǎn)移100%3個工況下的比較見表4。由表4可見，兩浮托船的運(yùn)動幅值均在許可范圍內(nèi)，錨纜最大張力為696.9 kN，滿足安全系數(shù)的要求。

雙浮托預(yù)對接過程中，上部組塊插尖與浮托船上接收端的水平相對運(yùn)動在0.21 m左右，小于接收端的捕捉半徑(0.6 m)，可以確保成功對接；另外，插尖垂向運(yùn)動的最小值-0.32 m，而插尖與浮托船上接收端的靜態(tài)垂向間隙為0.8 m，所以上部組塊插尖與導(dǎo)管架上LMU接收端沒有發(fā)生碰撞。

轉(zhuǎn)移0%，與預(yù)對接相比，駁船的縱搖運(yùn)動幅值有所減小而縱蕩和垂蕩運(yùn)動幅值有所增大，這是由于駁船、上部組塊受到導(dǎo)管架的限制，并且LMU內(nèi)減震裝置發(fā)揮作用。浮托船上LMU垂向受力的時程見圖14，平均受力為26 000 kN，周期性地增加到31 000 kN或減小到22 000 kN左右；導(dǎo)管架上LMU垂向受力的時程曲線，垂向受力呈周期性的脈沖形狀，最小值為0，瞬間的碰撞力可達(dá)500 kN。

圖14 首迎浪雙浮托對接轉(zhuǎn)移0%工況下浮托船上LMU受力模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

轉(zhuǎn)移100%，相比轉(zhuǎn)移0%，由于上部組塊的完全由浮托船轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上，導(dǎo)致浮托船的質(zhì)量分布發(fā)生變化，進(jìn)而浮托船的運(yùn)動幅值均有所增大。導(dǎo)管架上LMU垂向受力的時程見圖15，導(dǎo)管架上LMU平均受力為22 000 kN，周期性地增加到26 000 kN或減小到14 00 kN左右，浮托船上LMU的受力最小值為0，瞬間的碰撞力可達(dá)1 800 kN左右。

表5 雙浮托工況下模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

5 結(jié)論

1)分別采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法模擬雙船浮托安裝上部組塊過程，通過對比，二者在頻域和時域上，吻合較好，所述數(shù)值模擬方法可用于雙船浮托法工程項(xiàng)目方案設(shè)計。

2)駁船頻域分析和規(guī)則波試驗(yàn)表明，縱蕩具有明顯的低頻效應(yīng)，縱搖峰值會隨吃水的增加向高頻方向移動，幅值隨吃水的增加增大。

3)時域分析和不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果表明，雙船浮托過程中，預(yù)對接工況下上部組塊插尖的水平運(yùn)動在LMU接收端捕捉半徑范圍內(nèi)，并且與浮托船接收端保持足夠的垂向間隙；DSU最大受力為33 000 kN，浮托船上LMU最大受力26 000 kN，導(dǎo)管架上LMU最大受力16 000 kN，上述載荷可作為類似工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始載荷。

4)數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)結(jié)果證明，采用雙船浮托法安裝1萬t導(dǎo)管架平臺上部組塊具有可實(shí)施性。