鉆井平臺裝船關(guān)鍵點拖纜張力極限值算法研究
——基于實踐經(jīng)驗和拖纜張力計算模型的交互實踐

王國亮

（煙臺港引航站，山東 煙臺 264000）

目前，鉆井平臺裝船作業(yè)的研究，主要停留在引航員及裝船總指揮的經(jīng)驗歸納中，少有量化的總結(jié)，缺乏普遍的指導(dǎo)意義。在上述作業(yè)中，鉆井平臺首尾線與半潛船甲板支撐底座中心線重合后，由拖輪調(diào)整鉆井平臺船位，靠半潛船纜繩將鉆井平臺絞入半潛船固定平臺的位置，這一過程是鉆井平臺裝船作業(yè)的關(guān)鍵節(jié)點。該節(jié)點須建立于誤差最小，穩(wěn)定性最高的平臺位移操縱的基礎(chǔ)上。因此，該節(jié)點的作業(yè)，需要各方面極其精確的量化掌控。本文僅從該節(jié)點下，引航員操控拖輪調(diào)整鉆井平臺位移過程中，引航員要求拖輪拖纜張力極限區(qū)間的方面進行研究。即：引航員要求拖輪拖纜張力的可控區(qū)間計算。這一張力量化區(qū)間與引航員經(jīng)驗交互，得出一套可實踐的操控方法。

1 研究現(xiàn)狀

鉆井平臺裝船作業(yè)的研究，主要集中在水域環(huán)境限制要求，安全作業(yè)方案及技術(shù)協(xié)調(diào)方面。以引航員及裝船總指揮的經(jīng)驗為主要研究對象，缺乏對關(guān)鍵節(jié)點的量化總結(jié)。研究方向主要為以下三個方面：

（1）對成功案例的技術(shù)因素、環(huán)境因素、管理因素的歸納。如李晗、章文俊等對大連雙鉆井平臺裝船作業(yè)的過程歸納。

（2）結(jié)合成功經(jīng)驗，對作業(yè)過程中的要素分析。如張錫海、龍啟汛對此種作業(yè)中環(huán)境要素、穩(wěn)性要素的分析。從而系統(tǒng)性地從多維角度闡述了平臺裝船作業(yè)的流程總結(jié)及要素分析。

（3）以技術(shù)協(xié)調(diào)為主要研究對象的經(jīng)驗分享。如宋炳貴對此種作業(yè)中拖輪使用經(jīng)驗的分享。

（4）仿真模擬方面的研究。國內(nèi)對鉆井平臺裝船仿真模擬方面的研究目前處于起步階段，并沒有大規(guī)模全方位的指導(dǎo)意義。僅僅停留在平臺六自由度操縱模擬、拖輪頂推拖帶仿真模擬方面。如張玉喜對于鉆井平臺拖帶運動的模擬仿真研究。對于裝船作業(yè)的關(guān)鍵節(jié)點，即平臺距半潛船裝載距離50 厘米以內(nèi)的模擬操縱研究，尚處空白。

綜上見表1，鉆井平臺裝船作業(yè)的研究，目前集中在泛論階段。對于平臺裝船的關(guān)鍵節(jié)點的平臺位移操縱，多為經(jīng)驗總結(jié)，缺乏量化管理。

表1 鉆井平臺裝船研究現(xiàn)狀表

2 關(guān)鍵節(jié)點概述

鉆井平臺首位線與半潛船甲板支撐底座中心線重合后，利用半潛船的纜繩將鉆井平臺絞至平臺安裝位置的過程，特別是平臺距半潛船甲板固定平臺位置50 厘米內(nèi)的平臺位移操縱，是鉆井平臺裝船作業(yè)的關(guān)鍵節(jié)點。如圖1

圖1 鉆井平臺裝船作業(yè)的關(guān)鍵節(jié)點

其關(guān)鍵要素在于以下兩點：

2.1 拖輪對鉆井平臺的位移控制

通常，當(dāng)鉆井平臺在半潛船處帶妥纜繩后，僅在平臺離船側(cè)（距半潛船較遠(yuǎn)側(cè)，下同）帶有兩艘拖輪，通過拖輪的頂推拖拉對平臺位置移動進行微調(diào)。（見圖1拖輪）其作用在于，當(dāng)半潛船纜繩絞入平臺速度過快，拖輪拖拉平臺，起到降速的作用；其難點在于，拖輪拖拉過度，平臺會停止進入半潛船的勻速運動，轉(zhuǎn)而變成遠(yuǎn)離平臺的加速運動。在這一加速運動中，很可能產(chǎn)生因兩艘拖輪拖拉力臂不一致而導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)運動。這一運動在空間受限的半潛船內(nèi)極易產(chǎn)生碰撞危險。

2.2 半潛船纜繩對平臺的拉力作用

半潛船纜繩對平臺的拉力作用，是平臺進入半潛船的主要作用力。作業(yè)過程的關(guān)鍵點在于，微速、勻速地拉動平臺進入半潛船固定平臺位置。確保平臺首位線始終垂直于半潛船首尾線，確保平臺首位線始終重合與半潛船甲板支撐底座中心線，其誤差應(yīng)小于15 厘米。

3 關(guān)鍵節(jié)點處的拖輪拖纜拉力極限區(qū)間值求取及其應(yīng)用

如前述：鉆井平臺裝船作業(yè)的關(guān)鍵節(jié)點處，拖輪對平臺的拖拉作用，可以有效防止半潛船纜繩拉動平臺產(chǎn)生加速運動，造成平臺碰撞半潛船的事故。拖輪的拖拉作用，是平臺能夠安全進入預(yù)定位置的核心要素。但同時，對拖輪拖拉平臺的操縱，目前停留在引航員基于現(xiàn)場情況的經(jīng)驗判斷，沒有量化數(shù)據(jù)支撐這一判斷，往往造成拖輪拖拉過大而致使平臺停止進入半潛船的勻速運動，甚至產(chǎn)生平臺遠(yuǎn)離預(yù)定位置的加速運動及不能重合半潛船甲板支撐底座中心線的偏轉(zhuǎn)運動。因此，關(guān)鍵節(jié)點處，拖纜張力應(yīng)控制在一個合適的區(qū)間內(nèi)，為引航員控制拖輪提供數(shù)據(jù)參考具有重大意義。引航員在實際工作中，對于拖纜張力的把握并不直觀，每時每刻查詢當(dāng)時的拖輪張力沒有實際意義，因此，應(yīng)利用拖纜張力與拖輪速度的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過拖纜張力求得拖輪速度，將拖輪速度控制在極限值以下的方法，可以幫助引航員直觀地控制拖輪拖纜張力。

3.1 通過拖纜張力的極限值求得關(guān)鍵節(jié)點處拖輪速度

為保持平臺近勻速緩慢進入預(yù)定位置，拖纜張力極限值應(yīng)小于等于半潛船纜繩對平臺的拉力直至張力為0。通過拖纜張力極限值同拖輪航速間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以求得式（1）：

式中：——拖輪拖纜張力，KN

——半潛船纜繩拉力，KN

其中，可以通過纜繩產(chǎn)品質(zhì)量證明書上的安全工作符合查到，因此，可以得到的極限值。根據(jù)《U.S.NAVY Towing Manual》，可得式（2）：

式中：T——拖輪穩(wěn)態(tài)拉力

T——拖輪因偏當(dāng)運動產(chǎn)生的動態(tài)拉力

T——拖輪和被拖船受波浪運動產(chǎn)生的動態(tài)拉力

其中：根據(jù)張錫海對鉆井平臺裝船環(huán)境影響的研究及實踐可知，此種作業(yè)所需海浪、風(fēng)力、洋流有嚴(yán)格限制。如表2。

表2 鉆井平臺裝船作業(yè)對環(huán)境要求表

因此，在此種環(huán)境下，拖輪受海浪影響的偏當(dāng)運動幅度很小，由此產(chǎn)生的T、T可以忽略不計。因此可得式（3）：

根據(jù)《海上拖船指南》，可得式（4）：

式中：R——拖輪總阻力，KN

R——拖纜阻力，KN

T——拖纜張力的垂直分量

其中：因拖輪拖纜為尼龍纜，拖帶平臺時幾乎沒有下垂量，因此拖纜張力的垂直分量T忽略不計；根據(jù)崔鶴懷關(guān)于《基于.NET 的拖航中拖纜張力監(jiān)測與輔助決策系統(tǒng)的開發(fā)》的研究成果，拖纜阻力R經(jīng)驗值為拖輪總阻力R的10%。因此，通過式4 可求導(dǎo)出拖輪總阻力R。

將R代入式（5）。

式中：R——被拖船（鉆井平臺）的摩擦阻力，KN

R——被拖船（鉆井平臺）的剩余阻力

R——拖船的摩擦阻力

R——拖船的剩余阻力

其中：拖船的摩擦阻力R、拖船的剩余阻力R可通過查閱拖輪設(shè)計資料獲取。因此，通過式（5）可得出R+R的和，設(shè)該和為W。

將R+R結(jié)果W 代入式（6）。

將式（6） 展開，得式（7）。

V——船舶拖航速度，M/s

A——船舶水下濕表面積，m

A——浸水部分的船中橫剖面，m

4 關(guān)鍵節(jié)點處引航員對上述數(shù)學(xué)公式的實踐驗證交互研究及技術(shù)協(xié)調(diào)

4.1 實踐驗證交互研究

引航員在鉆井平臺作業(yè)前，通過計算求導(dǎo)出拖纜張力極限值時的速度V 后，在關(guān)鍵節(jié)點作業(yè)時應(yīng)時刻注意，拖輪速度不能超過極限速度V。如果超過極限速度V，意味著拖輪拉力大于半潛船纜繩拉力，則鉆井平臺將會有遠(yuǎn)離半潛船的趨勢。因此，船速越高，引航員警覺性應(yīng)該越強。時刻注意不要讓拖輪速度超過極限速度V。見圖2

圖2

4.2 技術(shù)協(xié)調(diào)

在裝船作業(yè)的關(guān)鍵處控制拖輪時，引航員及裝船總指揮不可教條，拖輪速度V 的求值只能作為關(guān)鍵處拖輪操縱的量化參考。對于現(xiàn)場情況變化所導(dǎo)致的一切不可預(yù)測因素，如風(fēng)力突然增大，風(fēng)向突然改變，潮汐變化異常等，應(yīng)及時調(diào)整對拖輪速度V 的預(yù)期。不可在不考慮環(huán)境因素改變的情況下完全依靠量化結(jié)果操船。