物探船多纜作業(yè)阻力預(yù)報及推進(jìn)冗余評價

翟慧杰ZHAI Hui-jie

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451）

0 引言

海洋拖纜地震勘探是目前海洋油氣勘探過程中應(yīng)用最為廣泛的方法[1]。物探船尾部拖帶電纜、空氣槍、擴展器、水鳥等多個設(shè)備，通過空氣槍發(fā)出震波，經(jīng)過海底地層反射由拖帶電纜接收，從而獲得地震資料用于油氣資源的識別。為了獲得大面積高效的地震資料，通常采用三維地震勘探拖纜采集技術(shù)，三維地震勘探作業(yè)對船舶的推進(jìn)系統(tǒng)要求較高，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

①拖帶體量龐大。三維地震勘探作業(yè)拖纜數(shù)量多，國內(nèi)最先進(jìn)的物探船拖纜數(shù)可達(dá)12 根，單根纜長達(dá)數(shù)公里，對拖力要求高。

②作業(yè)工況多變。根據(jù)作業(yè)技術(shù)要求設(shè)計船舶航速、拖帶的電纜數(shù)、纜長和纜間距等方案，不同的作業(yè)配置方案對拖力要求不同。

因此，在進(jìn)行拖帶纜數(shù)較多、風(fēng)險較高的復(fù)雜工況作業(yè)時，有必要在作業(yè)前根據(jù)拖帶配置對航行阻力進(jìn)行預(yù)報，同時還要對推進(jìn)冗余進(jìn)行評估，以滿足規(guī)范及作業(yè)的要求。

1 阻力計算方法

物探船在水中航行需克服較大的阻力，主要包括船體阻力和拖帶阻力兩大部分，拖帶阻力是拖曳系統(tǒng)特有的，根據(jù)拖曳系統(tǒng)的類型可分為拖纜阻力和拖體阻力。拖纜主要包括工作電纜、用于連接船舶和電纜的前導(dǎo)纜、用于連接擴展器的主、輔拖帶繩，用于連接船舶和空氣槍的炮纜及用于電纜間連接的擴展繩等，拖體主要包括擴展器、空氣槍、頭標(biāo)、尾標(biāo)、水鳥等，如圖1 所示，物探作業(yè)拖曳系統(tǒng)大部分都位于水面以下，因此主要計算水流引起的阻力。

圖1 物探船拖曳系統(tǒng)

1.1 拖纜阻力計算公式

對于拖曳系統(tǒng)中的纜索類構(gòu)件，包括前導(dǎo)纜、主拖帶繩、纜間擴展繩等，其拖纜阻力計算公式[2]如下。

式中，F(xiàn)x、Fy、Fz分別為纜索單元在x、y、z 方向上受到的阻力；p 為瞬時入水比例；ρ 為海水密度，vn為纜索與水流的相對速度矢量，vx、vy分別為vn在x、y 方向上的分量，vz為纜索與水流在z 方向上的相對速度分量；Cdx、Cdy、Cdz分別為x、y、z 方向上的阻力系數(shù)；Dn為纜索徑向直徑，Da為纜索軸向直徑；L 為纜索單元長度。

作業(yè)過程中，等浮的電纜位于水面以下某一固定深度，沿船舶航行方向延伸并保持直線狀態(tài)，在計算沿船長方向的拖纜阻力時，不考慮纜索彎矩、扭矩及慣性力等因素的影響，單根拖纜的阻力計算公式可簡化為以下形式[3]。

式中，F(xiàn) 為單根纜索的阻力，ρw為海水密度，D 為纜索直徑，L 為纜索長度，Vt為纜索切向的相對速度，Ct為纜索的切向阻力系數(shù)。

纜索的切向阻力系數(shù)Ct主要根據(jù)經(jīng)驗公式計算[4]，該公式適用于光滑圓柱體受軸向流作用的情況，即僅考慮光滑電纜不考慮其附屬設(shè)備時可采用該公式計算的系數(shù)；

式中，ReL為與纜長有關(guān)的切向雷諾數(shù)，單位長度的切向雷諾數(shù)公式如下：

式中，η 為海水的動力粘性系數(shù)。

對于電纜來說，可以將以往作業(yè)中前彈段（連接于電纜前端）處測得的拉力值近似為電纜整體阻力，并按阻力公式逆推切向阻力系數(shù)。根據(jù)該方法獲得的切向阻力系數(shù)是將電纜及電纜上的附屬設(shè)備，包括水鳥、浮魚等考慮在內(nèi)的。

纜索的法向阻力系數(shù)Cn在沒有可用的試驗數(shù)據(jù)時，可以參考典型纜索的阻力系數(shù)取值[5，6]，如表1 所示。一般纜間擴展繩為減阻型纜，配有導(dǎo)流罩，前導(dǎo)纜和主拖帶繩上配有減震須。

表1 纜索的阻力系數(shù)

1.2 拖體阻力計算公式

在地震勘探拖曳系統(tǒng)中，主要的拖體為擴展器和浮魚。對于擴展器浮筒及浮魚來說，受到的阻力由下式[2]計算：

式中，fDx、fDy、fDz分別為拖體在x、y、z 方向上的阻力；ρ為海水密度，vn為拖體與水流的相對速度矢量，vx、vy分別為vn在x、y 方向上的分量，vz為拖體與水流在z 方向上的相對速度分量；An為垂向拖曳面積，Aa為軸向拖曳面積，為拖體垂向阻力系數(shù)，為拖體軸向阻力系數(shù)。

擴展器由上部圓柱形浮體和下部多個機翼型葉片組成。作業(yè)時，兩個擴展器對稱布置在電纜陣列的兩側(cè)，由主、輔拖帶纜牽拉，并與船舶航行方向形成一定的夾角，水流流經(jīng)葉片產(chǎn)生升力，形成將電纜陣列擴展一定間距的擴力，擴展器的傾斜角度越大，擴力越大，同時也伴隨著阻力。擴展器的擴力和阻力可以根據(jù)作業(yè)設(shè)計的傾斜角度從產(chǎn)品手冊中查到相應(yīng)的擴力和阻力值。

1.3 拖力計算方法

對于多纜的物探作業(yè)來說，逐個纜索及拖體的阻力計算較為繁瑣，尤其是前導(dǎo)纜這種水平及垂向投影均為彎曲形狀的纜索，并每根前導(dǎo)纜的阻力均不一樣，因此，采用OrcaFlex 軟件進(jìn)行整體建模計算，某12 纜物探船的拖曳模型（對稱顯示一半）如圖2 所示。由于工作電纜長達(dá)幾公里，為簡化計算采用上述提到的方法計算每根電纜的阻力，并將阻力施加在電纜前端點連接處，方向沿船舶航行反方向；擴展器的阻力和擴力根據(jù)前述公式計算之后，施加在主、輔拖帶繩的交點處，阻力方向與船舶航行方向相反，擴力垂直于航行方向并向外兩側(cè)對稱施加。

圖2 物探船拖曳計算模型

根據(jù)各構(gòu)件的尺寸及材料屬性進(jìn)行建模，按要求的航速計算與船連接處各纜索，包括前導(dǎo)纜、炮纜和主拖帶繩前端點沿船縱向水平方向的力，將力的大小累加作為總的拖力。分別計算得到正常作業(yè)工況航速下對應(yīng)的拖力和發(fā)生故障并損失一半動力工況下航速對應(yīng)的拖力。

2 推進(jìn)冗余評價

船舶阻力根據(jù)船模拖曳試驗結(jié)果換算成實船阻力獲得。船舶的推進(jìn)系統(tǒng)提供的有效推力為船舶阻力與總的拖力之和[7]。將有效推力與航速相乘換算成有效功率。根據(jù)有效功率與推進(jìn)效率和軸系效率的比值計算得到螺旋槳的收到功率及主機需要發(fā)出功率。

物探作業(yè)過程中，推進(jìn)功率的大幅降低不僅會因為航速降低導(dǎo)致電纜下沉，此外，對于多纜物探船，航速降低還會引起擴展力不足，擴展間距縮小，嚴(yán)重的會引起纜索纏繞。以某12 纜物探船為例，該船采用柴油電力推進(jìn)系統(tǒng)，配備4 臺柴油機，各驅(qū)動一臺發(fā)電機，采可調(diào)螺距螺旋槳，在拖航狀態(tài)通常采用較小的螺距，單個主機額定功率為4200kW，校核用到的主機發(fā)出功率的限值為額定功率的80%。

如圖3 所示，該船配備兩個主配電板，1 號6.6KV 配電板連接1&2 號發(fā)電機，2 號配電板連接3&4 號發(fā)電機，二者之間通過斷路器互聯(lián)，該斷路器在冗余推進(jìn)操作時是閉合的。其中，1 號配電板負(fù)載有：1 號主推變壓器、1 號日用變壓器、1 號物探變壓器，艏側(cè)推；2 號配電板負(fù)載有：2號主推變壓器、2 號日用變壓器、2&3 號物探變壓器、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器啟動器。參考該船失效模式及影響分析報告，最嚴(yán)重的工況是失去一段母排，或者兩個發(fā)電機，或者一組推進(jìn)器，此時用于推進(jìn)的動力喪失50%。根據(jù)DNV 規(guī)范[8]要求，船舶在發(fā)生任何單個故障之后仍能有50%的推進(jìn)功率及輔助系統(tǒng)可以使用，剩余的推進(jìn)能力能夠確保船舶在足夠安全的條件下航行一段時間。對于物探船來說，一般要求在作業(yè)過程中應(yīng)能夠保持至少3 節(jié)的航速。

圖3 冗余推進(jìn)簡化示意圖

根據(jù)1 號和2 號主配電板上的日用配電負(fù)荷、物探及輔助設(shè)備負(fù)荷，以及主機發(fā)出功率限值推出各配電板可用于推進(jìn)的最大功率。推進(jìn)冗余功率為最大可用推進(jìn)功率與推進(jìn)功率消耗值之差，根據(jù)推進(jìn)冗余功率的正負(fù)來判斷是否滿足規(guī)范及作業(yè)要求。

計算物探船12 纜，纜長6.45km，纜間距100m 電纜配置下正常作業(yè)工況（航速4.5 節(jié)）和推進(jìn)故障工況（航速3節(jié)）下的推進(jìn)冗余結(jié)果，其中，推進(jìn)故障工況考慮配電板1和配電板2 分別關(guān)閉的情況，配電板1 和配電板2 的日用負(fù)載分別為600kW 和400kW，配電板1 和配電板2 的物探及輔助設(shè)備負(fù)載分別700kW 和300kW。計算結(jié)果如表2 所示，表中數(shù)據(jù)與作業(yè)時電氣監(jiān)控系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)相符。

表2 推進(jìn)冗余計算結(jié)果

3 結(jié)語

通過本文介紹的方法可以實現(xiàn)物探作業(yè)阻力的預(yù)報和推進(jìn)冗余的評估，根據(jù)計算結(jié)果可以有效預(yù)判主機功率的分配情況，為降低作業(yè)風(fēng)險提供了參考。根據(jù)拖曳系統(tǒng)阻力與推進(jìn)冗余的相反關(guān)系，降低阻力是提高冗余增加安全性的重要手段。因此，選用阻力系數(shù)較低的纜索導(dǎo)流裝置的選用，并且定期清理電纜上的海生物都是降低拖曳系統(tǒng)阻力的有效手段。