不同浪向下防噴器下放過程中導(dǎo)引繩系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

張大朋，嚴(yán) 謹(jǐn)，趙博文，王自發(fā)

1.廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院，廣東湛江 524088

2.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316021

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300456

防噴器（Blow Out Preventer） 又可被簡(jiǎn)稱為BOP。在現(xiàn)有的研究成果中，張躍峰等人論述了防噴器控制裝置在海洋油氣開發(fā)中的重要作用并展望了其研發(fā)與應(yīng)用前景[1]；趙欣欣等人對(duì)防噴器在位運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，得到了防噴器不同位置的溫度場(chǎng)分布情況[2]；顧和元等人對(duì)防噴器控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的安全性與可靠性[3]。綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)防噴器下放過程的分析較少。

張大朋等人分析了特定海況下防噴器下放過程的動(dòng)力學(xué)特性，但對(duì)于環(huán)境載荷的變化考慮不足，且沒有對(duì)導(dǎo)引繩在防噴器下放過程的能量傳遞特性進(jìn)行研究[4]。海洋環(huán)境的改變，尤其是浪向的改變對(duì)于導(dǎo)引繩系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有著非常重要的影響，而國(guó)內(nèi)外對(duì)于浪向改變時(shí)導(dǎo)引繩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究較少。為了保證不同浪向下防噴器在下落過程中的安全，有必要對(duì)不同浪向下限制引導(dǎo)防噴器下落的導(dǎo)引繩系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行進(jìn)一步研究與分析，并對(duì)防噴器下放過程中導(dǎo)引繩上的能量傳遞情況進(jìn)行分析。針對(duì)這種情況，本文結(jié)合防噴器下放的具體過程，建立了不同浪向下防噴器下放過程中導(dǎo)引繩系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的歸納總結(jié)，得到了一些不同浪向下對(duì)于防噴器下放過程有價(jià)值的結(jié)論以及導(dǎo)引繩在防噴器下放過程中受到的碰撞能量在導(dǎo)引繩上的傳遞情況，對(duì)于合理選擇防噴器作業(yè)海況、保證防噴器的安全下放、對(duì)導(dǎo)引繩相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)置、進(jìn)一步延長(zhǎng)導(dǎo)引繩在位運(yùn)行的壽命以及減緩導(dǎo)引繩所受到的疲勞損傷都有著一定的指導(dǎo)意義。

1 在OrcaFlex中防噴器與導(dǎo)引繩水動(dòng)力特性的計(jì)算原理

導(dǎo)引繩屬于典型的海洋撓性構(gòu)件，對(duì)于導(dǎo)引繩采用凝集質(zhì)量法進(jìn)行建模，把導(dǎo)引繩視為有限個(gè)微段，每個(gè)微段的質(zhì)量和流體作用力等均凝集在使用線性或非線性彈簧連接的節(jié)點(diǎn)上。被離散為凝集質(zhì)量模型的導(dǎo)引繩，由若干個(gè)分段和節(jié)點(diǎn)組成，其中分段為連續(xù)、無質(zhì)量的，節(jié)點(diǎn)處于各分段終點(diǎn)處且集中了兩個(gè)相鄰分段各一半的質(zhì)量，力和力矩都作用于節(jié)點(diǎn)上[5-13]。關(guān)于凝集質(zhì)量法的詳細(xì)推導(dǎo)情況，筆者在文獻(xiàn)[14]及專著[15]進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，這里不再展開。防噴器在OrcaFlex中可以被看做是6自由度的Spar浮標(biāo)，通過將相關(guān)的水動(dòng)力特性參數(shù)及幾何尺寸賦予Spar浮標(biāo)后即可對(duì)防噴器的水動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算。

2 在OrcaFlex中防噴器下放過程中導(dǎo)引繩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立

在低海況下，鉆井船的波浪載荷響應(yīng)依據(jù)其位移RAO進(jìn)行計(jì)算。防噴器下放過程中導(dǎo)引繩系統(tǒng)模型如圖1所示，在防噴器下放過程中，由于外在水動(dòng)力載荷的作用，防噴器會(huì)發(fā)生平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)其外在幾何尺寸對(duì)防噴器進(jìn)行建模，將防噴器水動(dòng)力參數(shù)賦予6D浮標(biāo)，以便在仿真過程中盡量保持外在水動(dòng)力載荷對(duì)防噴器響應(yīng)的真實(shí)性。具體幾何參數(shù)及防噴器水動(dòng)力參數(shù)以及具體參數(shù)設(shè)置可參見文獻(xiàn)[4]。

圖1 防噴器下放過程示意

具體海況為：水深為234 m，海床類型為平坦海床，海水密度為1 025 kg/m3。根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]中得出的結(jié)論可知，依據(jù)斯托克斯五階波的計(jì)算理論計(jì)算出的結(jié)果更加保守，可以提高實(shí)際工程的安全裕度。因此，波浪的類型選擇斯托克斯五階波，波高為4 m，周期為8 s。波浪方向?yàn)?°～90°，每隔15°取一個(gè)浪向。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同浪向下防噴器下放速度的變化 （見圖2）

觀察圖2發(fā)現(xiàn)，浪向的改變主要影響的是防噴器在初始下放階段的下放合速度V。進(jìn)一步觀察圖2中的分速度曲線發(fā)現(xiàn)：浪向的改變對(duì)于防噴器下放過程中在水平方向的兩個(gè)分速度Vx和Vy的影響較大，也正是這兩個(gè)方向上分速度的改變導(dǎo)致了防噴器下放合速度的改變，且這種影響也是在防噴器下放的初始階段較為明顯；但浪向的改變對(duì)防噴器下放過程中垂直方向的分速度Vz的影響不大，不同浪向下防噴器垂直方向的分速度Vz的時(shí)域曲線高度重合。

對(duì)于防噴器水平方向的兩個(gè)分速度Vx和Vy來說，發(fā)生最大速度波動(dòng)時(shí)的浪向是不同的。對(duì)于Vx來說，在浪向?yàn)?0°時(shí)其速度在初始階段波動(dòng)最大；但對(duì)于Vy來說，在浪向?yàn)?0°時(shí)其速度在初始階段波動(dòng)最大。這也告訴我們，當(dāng)浪向變化的范圍為0°～90°時(shí)，在防噴器下放的過程中，存在著兩個(gè)傾斜浪向會(huì)對(duì)防噴器下放的水平方向的兩個(gè)分速度影響較大，會(huì)導(dǎo)致在下放初始階段防噴器水平方向分速度過大。因此，在實(shí)際工程實(shí)踐中，應(yīng)通過合理調(diào)節(jié)平臺(tái)與波浪的相對(duì)位置盡量避開這兩個(gè)浪向以進(jìn)行防噴器的下放作業(yè)，從而提高海上施工作業(yè)的安全裕度。換言之，浪向的改變通過影響防噴器在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)而影響防噴器下放的總的平動(dòng)速度。

3.2 不同浪向下導(dǎo)引繩張力的變化 （見圖3）

圖3 不同浪向下導(dǎo)引繩的張力變化

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)：隨著浪向的改變，導(dǎo)引繩系統(tǒng)承受的有效張力T的分布情況發(fā)生了明顯的變化；不同浪向下，導(dǎo)引繩系統(tǒng)承受的最大有效張力在導(dǎo)引繩2和導(dǎo)引繩3之間交替變換；不同浪向下，導(dǎo)引繩系統(tǒng)承受的最小有效張力在導(dǎo)引繩1和導(dǎo)引繩4之間交替變換。且進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)：在15°～75°浪向下，導(dǎo)引繩1和導(dǎo)引繩4承受的有效張力在每一個(gè)時(shí)間步上基本相差不大；在0°和90°浪向下，導(dǎo)引繩1和導(dǎo)引繩4承受的有效張力在每一個(gè)時(shí)間步上會(huì)有較為明顯的差別。在0°～90°的浪向區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)于整個(gè)導(dǎo)引繩系統(tǒng)承受的最大有效張力而言：當(dāng)浪向?yàn)?°和90°時(shí)，導(dǎo)引繩系統(tǒng)中承受最大有效張力的導(dǎo)引繩為導(dǎo)引繩2；當(dāng)浪向?yàn)?5°～75°時(shí)，導(dǎo)引繩系統(tǒng)中承受最大有效張力的導(dǎo)引繩為導(dǎo)引繩3。

各個(gè)導(dǎo)引繩的有效張力在初始階段發(fā)生小幅度急劇變化后迅速穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定后在時(shí)域上周期性波動(dòng)，且各個(gè)導(dǎo)引繩的張力波動(dòng)周期相同、變化步調(diào)一致，不存在相位滯后。這種張力周期波動(dòng)的相同性與步調(diào)的一致性有助于提高整個(gè)撓性系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，可以保證防噴器以相對(duì)較為垂直的姿態(tài)平穩(wěn)下放到海底。

3.3 不同浪向下導(dǎo)引繩接觸碰撞力的變化 （見圖4）

圖4 不同浪向下導(dǎo)引繩接觸碰撞力的變化

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著浪向的變化，對(duì)于導(dǎo)引繩系統(tǒng)中的某一根導(dǎo)引繩來說，沿導(dǎo)引繩長(zhǎng)度方向其承受的最大接觸碰撞力的曲線是不同的。這說明浪向發(fā)生改變對(duì)導(dǎo)引繩承受的接觸碰撞力影響是比較大的。觀察最大接觸碰撞力沿某一導(dǎo)引繩長(zhǎng)度方向的分布情況發(fā)現(xiàn)：沿導(dǎo)引繩長(zhǎng)度方向自上而下承受的最大接觸碰撞力是不同的，且越靠近頂端導(dǎo)引繩承受的最大接觸碰撞力越大；不同浪向下，均存在最大碰撞力為0的區(qū)域，這些區(qū)域一般情況下（90°浪向除外）是沿導(dǎo)引繩長(zhǎng)度方向不連續(xù)的離散分布；而當(dāng)浪向?yàn)?0°時(shí)，各個(gè)導(dǎo)引繩在25～230 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的最大接觸碰撞力均為0，這說明在90°浪向下，當(dāng)防噴器脫離頂端入水后，4個(gè)接觸環(huán)與各個(gè)導(dǎo)引繩幾乎均未發(fā)生碰撞或接觸，防噴器沿著導(dǎo)引繩系統(tǒng)光順下滑至海底。

接觸碰撞力的標(biāo)準(zhǔn)差大小反映了接觸碰撞力在時(shí)域上波動(dòng)起伏的劇烈程度，接觸碰撞力標(biāo)準(zhǔn)差越大，則碰撞的程度越急劇猛烈。觀察導(dǎo)引繩接觸碰撞力標(biāo)準(zhǔn)差沿導(dǎo)引繩長(zhǎng)度方向的分布情況可發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)引繩接觸碰撞力標(biāo)準(zhǔn)差大的部位與最大接觸碰撞力的分布區(qū)域存在大幅度重合，這說明導(dǎo)引繩接觸碰撞力較大的區(qū)域也是導(dǎo)引繩與防噴器的接觸環(huán)碰撞較為急劇猛烈的區(qū)域。

結(jié)合防噴器下放速度及接觸碰撞力計(jì)算結(jié)果可知，90°浪向是防噴器下放的最佳浪向。

3.4 不同浪向下導(dǎo)引繩與接觸環(huán)碰撞能量的變化（見圖5）

圖5 不同浪向下導(dǎo)引繩與接觸環(huán)碰撞能量的變化

結(jié)合圖4再觀察圖5發(fā)現(xiàn)：不同浪向下，導(dǎo)引繩與接觸環(huán)發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞能量的最大值都集中在導(dǎo)引繩的接觸碰撞力最大值所在區(qū)域，這說明導(dǎo)引繩的接觸碰撞能量與其承受的碰撞形式密切相關(guān)。浪向的變化不僅會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)引繩承受的碰撞力的大小發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)引繩的接觸碰撞能量發(fā)生變化。這是由于導(dǎo)引繩在某一節(jié)點(diǎn)承受的碰撞力的大小直接影響其速度大小，而碰撞速度所導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)動(dòng)能是碰撞能量最主要的表現(xiàn)形式。由此可見，碰撞能量的大小也反映了導(dǎo)引繩碰撞后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的碰撞動(dòng)能分布情況。因?yàn)榻佑|碰撞能量比較小，故而導(dǎo)引繩各個(gè)節(jié)點(diǎn)碰撞后的動(dòng)能是比較小的，所以導(dǎo)引繩與接觸環(huán)碰撞所導(dǎo)致的導(dǎo)引繩的運(yùn)動(dòng)速度是非常小的，這也是符合工程經(jīng)驗(yàn)的。如果碰撞導(dǎo)致導(dǎo)引繩發(fā)生較大速度的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)和抖動(dòng)，那么防噴器是無法順利下放的。

3.5 不同浪向下導(dǎo)引繩曲率的變化 （見圖6）

圖6 不同浪向下導(dǎo)引繩曲率的變化

由于導(dǎo)引繩為撓性構(gòu)件，如果發(fā)生局部彎曲過大，對(duì)于防噴器的下放會(huì)起到阻礙作用，因此要避免防噴器下放過程中導(dǎo)引繩局部彎曲過大的情況出現(xiàn)。觀察圖6發(fā)現(xiàn)，不同浪向下各個(gè)導(dǎo)引繩的曲率沿長(zhǎng)度方向的數(shù)值數(shù)量級(jí)均很?。?0-5），因此不同浪向下各個(gè)導(dǎo)引繩的彎曲半徑的數(shù)量級(jí)為105，這說明不同浪向下各個(gè)導(dǎo)引繩自上而下各個(gè)部位幾乎均未發(fā)生彎曲，可以認(rèn)為各個(gè)導(dǎo)引繩整體上處于豎直的狀態(tài)，這對(duì)于防噴器的下放是有利的。

對(duì)比觀察圖4與圖6發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)引繩曲率較大的部位也是導(dǎo)引繩受到碰撞力較大的部位，這說明導(dǎo)引繩與防噴器接觸環(huán)之間的碰撞導(dǎo)致了導(dǎo)引繩小幅度彎曲的發(fā)生。

4 結(jié)論

浪向的改變對(duì)于導(dǎo)引繩系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有著非常顯著的影響。

（1）浪向的改變通過影響防噴器在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)而影響防噴器下放的總的平動(dòng)速度，存在著兩個(gè)傾斜浪向會(huì)對(duì)防噴器下放的水平方向的兩個(gè)分速度影響較大的浪向，這會(huì)導(dǎo)致在下放初始階段防噴器水平方向分速度過大。

（2）在工程實(shí)踐中，應(yīng)通過合理調(diào)節(jié)平臺(tái)與波浪的相對(duì)位置盡量避開這兩個(gè)浪向以進(jìn)行防噴器的下放作業(yè)，從而提高海上施工作業(yè)的安全裕度。

（3）各個(gè)導(dǎo)引繩的張力周期波動(dòng)的相同性與步調(diào)的一致性有助于提高整個(gè)撓性系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，可以保證防噴器以相對(duì)較為垂直的姿態(tài)平穩(wěn)下放到海底。

（4）存在一個(gè)影響防噴器下放速度及導(dǎo)引繩碰撞接觸力的最佳浪向。在實(shí)際工程實(shí)踐中，可找到這一浪向并加以利用，可大大提高施工的經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)裝置使用周期。

（5）浪向的改變會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)引繩受到的接觸碰撞力的大小及分布區(qū)域發(fā)生改變，而接觸碰撞力的改變會(huì)直接影響到導(dǎo)引繩各個(gè)節(jié)點(diǎn)的碰撞速度以及導(dǎo)引繩不同位置的彎曲情況。