基于模型試驗(yàn)的海洋核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)分析

郭沖沖，武文華, 2, 3，程叢志，吳國(guó)東，曹光明，呂柏呈，羅起航

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學(xué) 寧波研究院，浙江 寧波 315000; 3. 大連理工大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳 518057; 4. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064; 5. 中國(guó)海洋石油有限公司研究總院，北京 100010)

海洋核動(dòng)力平臺(tái)(marine nuclear power platform，簡(jiǎn)稱MNPP)是一種海上浮動(dòng)式核電站，將船舶工程與小型核反應(yīng)堆有機(jī)結(jié)合(見圖1)，可對(duì)外持續(xù)提供電力、淡水等能源保障。海洋核動(dòng)力平臺(tái)(后簡(jiǎn)稱平臺(tái))具有機(jī)動(dòng)性能好、一次裝料運(yùn)行周期長(zhǎng)、功率密度大、運(yùn)行成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[1-4]。由于平臺(tái)自身并沒有航行動(dòng)力系統(tǒng)，需要依靠定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海上長(zhǎng)期作業(yè)。在復(fù)雜海洋環(huán)境長(zhǎng)期作用下，平臺(tái)會(huì)進(jìn)行維修、修護(hù)等回塢改造，或根據(jù)作業(yè)海域的能源配置需求更換作業(yè)地點(diǎn)[5]，因此定位系統(tǒng)常規(guī)解脫作業(yè)是確保平臺(tái)長(zhǎng)期生產(chǎn)作業(yè)的要素。定位系統(tǒng)常規(guī)解脫作業(yè)作為核動(dòng)力平臺(tái)的一種典型作業(yè)方式，屬于綜合性的海洋工程問題，具有難度、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。無(wú)論是針對(duì)平臺(tái)的應(yīng)急處理還是完整性管理，對(duì)解脫作業(yè)過程的研究都具有重要的工程價(jià)值。

圖1 海洋核動(dòng)力平臺(tái)Fig. 1 Marine nuclear power platform

國(guó)內(nèi)海洋工程領(lǐng)域尚沒有浮式核動(dòng)力平臺(tái)的工程應(yīng)用案例，對(duì)于解脫作業(yè)安全性的研究主要針對(duì)于海上浮式儲(chǔ)卸油裝置(floating production storage and offloading，簡(jiǎn)稱FPSO)等海洋油氣開發(fā)平臺(tái)。目前，海洋石油工程股份有限公司、中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司等已多次成功實(shí)現(xiàn)了渤海海域FPSO系泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)。“海洋石油112”FPSO于2014年實(shí)現(xiàn)了世界首例水下軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的解脫[6]。宮學(xué)成和秦勇[7]結(jié)合“渤海長(zhǎng)青號(hào)”FPSO解脫工程項(xiàng)目，從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、施工設(shè)計(jì)等方面介紹了水上軟剛臂系泊系統(tǒng)的解脫過程。田冰等[8]進(jìn)一步總結(jié)了“渤海長(zhǎng)青號(hào)”FPSO海上解脫作業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，并介紹了相關(guān)的施工技術(shù)和施工方法，為工程管理和技術(shù)人員研究FPSO解脫/相關(guān)工程提供參考。劉雪宜[9]從水上軟剛臂單點(diǎn)組成、YOKE損壞情況、FPSO限位與浮吊就位、軟管解脫、FPSO解脫拖航、YOKE拆除等方面，介紹“海洋石油102”FPSO在YOKE損壞時(shí)的應(yīng)急解脫作業(yè)過程。劉斌[10]闡述了軟剛臂系泊系統(tǒng)在解脫方案制定時(shí)應(yīng)遵循的原則，并為非常規(guī)應(yīng)急解脫提供了幾種方案模型，通過適應(yīng)性分析為特殊情況下解脫作業(yè)提供參考。劉雪宜等[11]以“渤海友誼號(hào)”FPSO為例，論述了解脫作業(yè)的方案設(shè)計(jì)、施工準(zhǔn)備以及海上施工流程，同時(shí)針對(duì)冬季作業(yè)窗口的選擇以及通航安全評(píng)估進(jìn)行了介紹。孫丕松等[12]針對(duì)孤立塔柱式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過準(zhǔn)備工作和解脫流程對(duì)該類系泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)進(jìn)行了研究。呂子鵬[13]介紹了泰國(guó)灣FPSO的服役情況，并討論了其海上解脫、拆除及拖航方法。

以上研究主要以海洋平臺(tái)FPSO的解脫工程項(xiàng)目為背景，從項(xiàng)目施工、作業(yè)設(shè)計(jì)、作業(yè)流程和作業(yè)管理等方面進(jìn)行介紹論述。同時(shí)國(guó)內(nèi)外關(guān)于淺水軟剛臂式單點(diǎn)系統(tǒng)解脫作業(yè)指標(biāo)的研究較少，但有一些學(xué)者針對(duì)深水內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊解脫作業(yè)中的設(shè)計(jì)分析方案和關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究，對(duì)于核動(dòng)力平臺(tái)解脫作業(yè)具有一定借鑒意義。如Luo和Wang[14]提出了深水油田開發(fā)中可解脫式FPSO的概念，重點(diǎn)介紹了解脫式FPSO的關(guān)鍵技術(shù)和工程分析，同時(shí)對(duì)永久式FPSO和可解脫式FPSO的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估。劉亮等[15]介紹了可解脫式FPSO的解脫方式及解脫系統(tǒng)，針對(duì)解脫過程進(jìn)行時(shí)域模擬及相關(guān)因素的敏感性分析，結(jié)合計(jì)算得到的關(guān)鍵因素進(jìn)行了浮子的優(yōu)化設(shè)計(jì)。桂龍等[16]以淺水單點(diǎn)系泊裝置水下定位系統(tǒng)維修解脫為背景，計(jì)算了在拖輪限位狀態(tài)下FPSO的運(yùn)動(dòng)與限位纜繩張力。

可以看出，雖然國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)施了多次FPSO的解脫、拖航作業(yè)，形成了較為完整的施工方案。但是，海洋核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)的解脫作業(yè)是否可行尚待驗(yàn)證。同時(shí)解脫作業(yè)各階段潛在風(fēng)險(xiǎn)的研究還十分有限，解脫環(huán)節(jié)中關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)仍偏重于指揮人員的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于完整解脫過程關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的量化仍需深入研究。由于解脫過程具有復(fù)雜、分階段及非線性的特點(diǎn)，屬于綜合性的作業(yè)問題，理論和數(shù)值方法均存在一定局限性，無(wú)法模擬作業(yè)階段的轉(zhuǎn)變情況。而模型試驗(yàn)?zāi)茴A(yù)測(cè)尚未建造出來的核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)的性能，探索其解脫過程的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)通過嚴(yán)格控制定位系統(tǒng)的主要參數(shù)而不受外界條件和自然條件的限制，進(jìn)而更加有效地反映真實(shí)定位系統(tǒng)的解脫過程。

本文梳理了海洋核動(dòng)力平臺(tái)解脫作業(yè)流程，建立了解脫作業(yè)故障樹模型，基于故障事件風(fēng)險(xiǎn)傳遞路徑提出了定位系統(tǒng)解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)；采用1∶9縮尺比模型試驗(yàn)方法對(duì)解脫作業(yè)流程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了海洋核動(dòng)力平臺(tái)解脫作業(yè)的可行性；結(jié)合試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，對(duì)解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)，包括提升纜繩在限位狀態(tài)與解脫作業(yè)時(shí)的張力響應(yīng)、法蘭解脫時(shí)系泊腿下部萬(wàn)向節(jié)振動(dòng)響應(yīng)、系泊剛臂下放姿態(tài)等進(jìn)行了分析，研究結(jié)果為定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的設(shè)計(jì)與分析提供依據(jù)，對(duì)于核動(dòng)力平臺(tái)未來的解脫作業(yè)具有重要的參考價(jià)值。

1 解脫作業(yè)流程及關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析

我國(guó)海洋核動(dòng)力平臺(tái)采用船型浮體方案[17]，由水上軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(soft yoke single point mooring system，簡(jiǎn)稱SYMS)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的系泊定位。海洋核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：系泊支架、左右系泊腿、系泊剛臂(YOKE)、單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔以及船體支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式Fig. 2 Structure of positioning system

定位系統(tǒng)的海上解脫作業(yè)具有工程量大、流程復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高等特點(diǎn)。借鑒國(guó)內(nèi)海洋石油平臺(tái)解脫作業(yè)的成功案例，并在此基礎(chǔ)上開展解脫作業(yè)流程優(yōu)化和規(guī)范化分析，在滿足解脫作業(yè)窗口條件下，給出核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的流程為：1) 在左、右系泊腿上下滑輪之間穿掛提升纜；2)在船艏與YOKE接頭之間預(yù)布主系泊纜；3)在船艏與YOKE左、右剛臂之間預(yù)布交叉纜，如圖3(a)所示；4)艉部拖輪就位，見圖3(b)；5)YOKE壓載艙壓載液排放，見圖3(c)；6)提升纜收緊，拆除YOKE與系泊腿連接法蘭的螺栓；7)釋放提升纜，核動(dòng)力平臺(tái)后退，如圖3(d)，3(e)所示；8)解除所有工作纜繩，核動(dòng)力平臺(tái)在艉部拖輪的拖帶下離開現(xiàn)場(chǎng)，見圖3(f)。

圖3 核動(dòng)力平臺(tái)解脫作業(yè)流程示意Fig. 3 Schematic flow of MNPP disconnection operation

定位系統(tǒng)解脫作業(yè)中的主系泊纜、交叉纜以及船艉拖輪主要起到平臺(tái)限位作用。收緊各纜繩至一定的張力，可以保持平臺(tái)定位；與此同時(shí)，主系泊纜、交叉纜可以替代定位系統(tǒng)起到臨時(shí)系泊功能，保證整個(gè)解脫過程的定位安全。提升纜是解脫作業(yè)的關(guān)鍵，通過提升YOKE使系泊腿處于松弛狀態(tài)，同時(shí)系泊腿下部萬(wàn)向鉸接頭處的法蘭螺栓不再受力，YOKE的重力全部轉(zhuǎn)移至提升纜繩上。拆除法蘭螺栓后，基本實(shí)現(xiàn)了定位系統(tǒng)的物理解脫，同步釋放所有纜繩下放YOKE完成定位系統(tǒng)解脫。基于上述解脫流程梳理可知，定位系統(tǒng)解脫作業(yè)中關(guān)鍵階段可以劃分為：纜繩拴掛準(zhǔn)備、提升纜預(yù)緊、拆除法蘭螺栓、釋放提升纜下放YOKE、解脫完成。整體的作業(yè)流程見圖4。

圖4 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)流程Fig. 4 MNPP disconnect operation flow chart

由于定位系統(tǒng)解脫作業(yè)工程量大、作業(yè)設(shè)備較多以及作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，通過解脫作業(yè)流程分析并結(jié)合作業(yè)案例調(diào)查、專家走訪，建立了解脫作業(yè)故障樹，如圖5所示，其中編碼及對(duì)應(yīng)故障事件見表1?；诮饷撟鳂I(yè)故障樹的風(fēng)險(xiǎn)傳遞路徑可以看出，解脫作業(yè)各階段纜繩的受力狀態(tài)、法蘭脫離的振動(dòng)響應(yīng)和YOKE的姿態(tài)變化等都是關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)指標(biāo)，直接關(guān)系到解脫作業(yè)的安全?；诠こ探?jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)解脫方法往往缺乏對(duì)這些指標(biāo)的關(guān)注，尤其是針對(duì)于提升纜繩失效造成解脫失敗的危害考慮不足。

圖5 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)故障樹Fig. 5 MNPP disconnect operation fault tree

表1 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)故障事件Tab. 1 Fault events of MNPP disconnection operation

2 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)施

利用MG6-12EP六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開展定位系統(tǒng)解脫試驗(yàn)。電動(dòng)六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由電動(dòng)缸、上平臺(tái)、控制柜、氣懸浮系統(tǒng)和外部接口等部分組成，如圖6(a)所示。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(見圖6(b))的功能是支撐負(fù)載和驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，包括上平臺(tái)、6個(gè)電動(dòng)缸、3個(gè)懸浮氣彈簧、地基以及上下鉸鏈。上平臺(tái)根據(jù)負(fù)載安裝要求預(yù)留機(jī)械接口；6個(gè)電動(dòng)缸通過協(xié)同改變活塞桿伸出長(zhǎng)度控制上平臺(tái)的空間位置和姿態(tài)；氣懸浮系統(tǒng)的活塞桿隨著上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)作被動(dòng)運(yùn)動(dòng)并輸出向上的抬升力。整體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中位高度為3 607 mm，設(shè)計(jì)荷載不小于120 kN，可用于模擬船舶在航行中因操縱、裝載不平衡和風(fēng)浪等原因引起的縱向、橫向搖擺的工況。

圖6 六自由度電動(dòng)平臺(tái)Fig. 6 6-DOF electric stewart platform

2.2 相似準(zhǔn)則

海洋工程結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn)中，原型和模型兩者之間應(yīng)滿足的相似條件包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似[18]。一般而言，開展以研究海洋結(jié)構(gòu)物在風(fēng)、浪、流下的運(yùn)動(dòng)和受力為目的的模型試驗(yàn)，應(yīng)遵循Froude 相似和Strouhal相似準(zhǔn)則，即重力相似和慣性力相似[19]。定位系統(tǒng)的解脫模型試驗(yàn)也不例外，并且本試驗(yàn)研究目的在于探索解脫作業(yè)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)變化，重點(diǎn)關(guān)注系泊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力特性，這就意味著重力和慣性力的作用占主導(dǎo)地位。所以，試驗(yàn)中各項(xiàng)物理參數(shù)的設(shè)定遵循Froude和Strouhal相似準(zhǔn)則進(jìn)行：

(1)

(2)

其中，V是速度，L是特征線尺度，T是周期，下標(biāo)m和s分別代表模型和原型。λ是模型和原型間的線性縮尺比，綜合考慮運(yùn)動(dòng)平臺(tái)尺度和加載能力，確定本次試驗(yàn)縮尺比λ=1/9，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕叽缛绫?所示。

表2 定位系統(tǒng)的主要幾何參數(shù)Tab. 2 Geometric parameters of MNPP單位：m

繼而根據(jù)幾何縮尺比λ和選定的相似準(zhǔn)則，進(jìn)一步確定其他物理參數(shù)詳細(xì)的相似比尺關(guān)系(見表3)，從而對(duì)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行縮尺或還原。

表3 實(shí)體與模型各物理量的轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab. 3 Physical quantities of transformation relationship between prototype and model

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c流程

試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^部分相似策略對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行縮尺，利用六自由度平臺(tái)模擬核動(dòng)力平臺(tái)船體運(yùn)動(dòng)的方式，屬于半物理仿真分析試驗(yàn)方向。一些學(xué)者利用該試驗(yàn)平臺(tái)，開展了多種結(jié)果的測(cè)試分析。如進(jìn)行軟剛臂系泊系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別研究[20]；開展軟剛臂系泊系統(tǒng)橫向減振設(shè)計(jì)[21]；設(shè)計(jì)了用于室內(nèi)模型試驗(yàn)的中大比尺托管架模型試驗(yàn)樣機(jī)，利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬鋪管船運(yùn)動(dòng)[22]；采用該試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行大型儲(chǔ)液艙的液體晃蕩研究，實(shí)現(xiàn)規(guī)則和不規(guī)則的六自由度運(yùn)動(dòng)激勵(lì)[23]；同時(shí)，在航空航天領(lǐng)域六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)也具有廣泛的應(yīng)用，如利用自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行飛行器模擬，從而推動(dòng)飛行器設(shè)計(jì)和飛行員訓(xùn)練[24]。上述研究表明了利用六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來模擬船體運(yùn)動(dòng)具有合理性與準(zhǔn)確性。文中定位系統(tǒng)采用1∶9的大比尺模型結(jié)構(gòu)(見圖7)，通過改變壓載塊位置和調(diào)節(jié)壓載水艙的配重，從而調(diào)整YOKE模型的重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑，以滿足相似要求。在解脫模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，YOKE左右剛臂以及鉸接頭處焊接帶纜孔，安裝固定左右交叉纜和主系泊纜；左、右系泊腿下部安裝螺栓法蘭和滑輪組；系泊支架平臺(tái)處安裝左右舷絞車與主絞車，實(shí)現(xiàn)提升纜和主系泊纜的牽引功能。圖8給出按照定位系統(tǒng)解脫試驗(yàn)流程的穿掛提升纜、安裝主系泊纜、安裝交叉纜的環(huán)節(jié)照片。

圖7 定位系統(tǒng)模型實(shí)物照片F(xiàn)ig. 7 Model physical diagram of MNPP

圖8 定位系統(tǒng)解脫試驗(yàn)?zāi)MFig. 8 MNPP experimental simulation

2.4 數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)

基于關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)指標(biāo)建立了一套解脫模擬的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)解脫過程中的作業(yè)指標(biāo)實(shí)時(shí)采集。傳感器類型及作業(yè)指標(biāo)測(cè)量見表4。試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的傳感器布局見圖9。

表4 測(cè)量系統(tǒng)傳感器類型及作業(yè)指標(biāo)Tab. 4 Sensor type and key performance indicators of measurement system

圖9 解脫試驗(yàn)傳感器測(cè)量系統(tǒng)Fig. 9 MNPP experimental sensor measurement system

3 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)分析

3.1 各階段關(guān)鍵指標(biāo)

在YOKE下放階段，由于主系泊纜與交叉纜的限位作用，YOKE剛臂繞單點(diǎn)頭部做縱搖運(yùn)動(dòng)。圖10～12是解脫作業(yè)過程YOKE下放角度、YOKE—船體距離和YOKE自身姿態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化情況。由圖10可知，在解脫作業(yè)前YOKE的初始姿態(tài)約為17.5°，解脫完成時(shí)YOKE的最終姿態(tài)24.2°，即YOKE由連接狀態(tài)到脫離狀態(tài)的變化。由圖11可知，從解脫作業(yè)開始到結(jié)束過程，YOKE—船體距離由初始的250.1 mm增大到640.6 mm。YOKE下放角度與YOKE—船體距離的變化可以準(zhǔn)確表征當(dāng)前的作業(yè)階段。由圖12可知，YOKE下放從293.3 s處開始，下放作業(yè)持續(xù)時(shí)間110.9 s，YOKE的下放速率穩(wěn)定在0.0617°/s，YOKE—船體距離的變化速率為3.7 mm/s。可以發(fā)現(xiàn)，YOKE解脫下放速率變化關(guān)系著作業(yè)安全與作業(yè)效率，基于試驗(yàn)?zāi)M分析的量化指標(biāo)能夠?yàn)閷?shí)際作業(yè)提供參考，避免過度依靠工程經(jīng)驗(yàn)。

圖10 YOKE下放角度時(shí)程曲線Fig. 10 Time-history diagram of YOKE angle

圖11 YOKE—船體距離時(shí)程曲線Fig. 11 YOKE-ship displacement time-history diagram

圖12 YOKE姿態(tài)變化Fig. 12 YOKE attitude variation

基于解脫作業(yè)流程可知，在預(yù)緊提升纜的作業(yè)階段，YOKE姿態(tài)雖然沒有發(fā)生變化，但定位系統(tǒng)的受力狀態(tài)已發(fā)生調(diào)整。通過提升纜8繩復(fù)滑輪組的穿掛設(shè)計(jì)，錨機(jī)絞車的纜繩張力只需承擔(dān)被拴掛結(jié)構(gòu)重力的1/8。從圖13纜繩張力的變化情況，可以完整反映定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的各個(gè)階段。由圖13可知，在0～76.5 s，解脫作業(yè)處于準(zhǔn)備階段，提升纜繩保持松弛狀態(tài)，張力情況基本為0；在76.5 s時(shí)刻，左右舷錨機(jī)絞車開始收緊提升纜，在4.3 s內(nèi)提升纜繩張力增大到477 N；與此同時(shí)，由圖14可知系泊腿的軸力在對(duì)應(yīng)時(shí)刻由3 581 N變化為-148.5 N，受力狀態(tài)由拉變壓，YOKE的重力完全由系泊腿轉(zhuǎn)移到提升纜繩上，依靠提升纜、交叉纜以及主系泊纜的臨時(shí)系泊系統(tǒng)已經(jīng)完全替代定位系統(tǒng)的海上定位功能。

圖13 提升纜繩張力變化Fig. 13 Lifting cable tension time-history diagram

圖14 系泊腿軸力變化Fig. 14 Mooring leg force time-history diagram

當(dāng)提升纜繩完成定位系統(tǒng)的限位作業(yè)后，進(jìn)行法蘭螺栓的拆除作業(yè)，從圖13～14中標(biāo)注可見。在實(shí)際工程中螺栓拆除順序滿足對(duì)稱拆卸的要求，并結(jié)合YOKE壓載液的排放同步進(jìn)行。在292.4 s時(shí)，所有螺栓拆除完畢，釋放提升纜繩下放YOKE，系泊腿與YOKE分離處于不受力狀態(tài)，從圖14可知，系泊腿軸力由-148.5 N變?yōu)?。在293.3～404.2 s的YOKE下放階段，由于左右舷錨機(jī)絞車轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)，提升纜繩張力存在周期性的波動(dòng)，變化幅值約為58.4 N，波動(dòng)周期約為10.3 s，由于纜繩松動(dòng)造成的張力峰值達(dá)到407.1 N。考慮到提升纜在交變荷載作用下的安全狀態(tài)，絞車轉(zhuǎn)動(dòng)速率的選取需要進(jìn)一步關(guān)注。圖15可以更直觀呈現(xiàn)提升纜繩張力與系泊腿軸力的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)變化情況。

圖15 提升纜繩拉力與系泊腿受力對(duì)比Fig. 15 Comparison diagram of lifting cable and mooring leg

圖16給出了解脫作業(yè)過程中法蘭螺栓處加速度的曲線。注意到在292.4 s螺栓拆除完畢時(shí)，法蘭螺栓處的加速度值仍然基本為0；而在341.6 s，法蘭螺栓處的加速度突變到9.1g。這是由于螺栓拆除完畢，下部萬(wàn)向節(jié)由于法蘭盤之間距離太小無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，在提升纜繩釋放到一定距離之后，法蘭盤可完全分離不受約束，下部萬(wàn)向節(jié)在YOKE處于傾斜狀態(tài)由于自身重力而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成法蘭盤撞擊YOKE剛臂現(xiàn)象。因此，由法蘭加速度響應(yīng)分析表明，在法蘭螺栓拆除完畢后，作業(yè)人員應(yīng)及時(shí)遠(yuǎn)離下部萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，避免撞擊砸傷帶來的人員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖16 法蘭連接處加速度響應(yīng)時(shí)程Fig. 16 Flange acceleration time-history diagram

3.2 各階段關(guān)鍵指標(biāo)

為了進(jìn)一步研究平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)于解脫作業(yè)的影響，利用六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬船體的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而分析定位系統(tǒng)解脫的動(dòng)態(tài)作業(yè)指標(biāo)?？紤]到真實(shí)作業(yè)環(huán)境下拖輪及纜繩對(duì)平臺(tái)的限位作用，試驗(yàn)?zāi)M中對(duì)六自由度電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)施加垂蕩工況?；谠O(shè)計(jì)溫和海況下船體垂蕩數(shù)據(jù)換算得到試驗(yàn)參數(shù)，文中在六自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)上模擬垂蕩工況，數(shù)據(jù)為幅值100 mm，頻率0.2 Hz的正弦波。

圖17是在該工況下定位系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可以看出左右系泊腿和YOKE的x軸數(shù)據(jù)(橫蕩方向)具有明顯的周期性，是由于船體升沉帶動(dòng)系泊腿抬高或放低YOKE，定位系統(tǒng)繞YOKE的橫搖—縱搖鉸接頭進(jìn)行縱搖。定位系統(tǒng)左右系泊腿受力情況如圖18所示，可以看出左右系泊腿的初始軸力約為3 985 N；動(dòng)態(tài)工況下軸力變化趨勢(shì)基本一致，幅值變化約為160 N，動(dòng)力學(xué)效果變化4%。

圖17 定位系統(tǒng)姿態(tài)變化Fig. 17 YOKE and mooring leg attitude diagram

圖18 左右系泊腿軸力變化Fig. 18 Mooring leg force time-history diagram

同時(shí)，提升纜在保持一定張力的情況下，在動(dòng)態(tài)海況作用下的張力變化如圖19所示，左右提升纜的張力變化幅值分別為1.6 N、3.1 N，動(dòng)力學(xué)效果為8.2%、9.7%。分析結(jié)果表明，考慮真實(shí)海況的船體運(yùn)動(dòng)，會(huì)顯著增大解脫作業(yè)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)效果。同時(shí)，對(duì)于提升纜繩在滿足靜態(tài)加載的強(qiáng)度校核情況下，其在真實(shí)海況下動(dòng)力學(xué)因素在10%以內(nèi)，因此在解脫作業(yè)提升纜的選型中，要考慮增加一定的安全余量。

圖19 左右提升纜張力變化Fig. 19 Left/right lifting cable tension time-history diagram

3.3 現(xiàn)場(chǎng)解脫作業(yè)指標(biāo)推算

根據(jù)定位系統(tǒng)縮比尺模型和原型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)相似率，可以將試驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成核動(dòng)力平臺(tái)真實(shí)結(jié)構(gòu)在解脫過程的作業(yè)指標(biāo)值。表5給出了平臺(tái)實(shí)際作業(yè)條件下YOKE下放的角速度、纜繩張力和提升纜繩張力幅值等指標(biāo)，可以為定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)解脫設(shè)備選型、作業(yè)設(shè)計(jì)、人員操作安全性提供參考。

表5 作業(yè)指標(biāo)原型推算Tab. 5 Prototype calculation table of key performance indicators

4 結(jié) 語(yǔ)

開展了海洋核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的模型試驗(yàn)，考慮了各階段作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)和動(dòng)態(tài)作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)的變化，得出以下結(jié)論：

1)在國(guó)內(nèi)FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)解脫經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出了海洋核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)解脫作業(yè)流程，建立了定位系統(tǒng)解脫作業(yè)故障樹模型。

2)基于故障事件的風(fēng)險(xiǎn)傳遞路徑給出了定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，包括提升纜繩在限位狀態(tài)與解脫作業(yè)時(shí)的張力響應(yīng)、法蘭解脫時(shí)系泊腿下部萬(wàn)向節(jié)振動(dòng)響應(yīng)、系泊剛臂下放姿態(tài)等。搭建了定位系統(tǒng)1∶9縮尺比模型試驗(yàn)平臺(tái)，模擬了定位系統(tǒng)全流程解脫作業(yè)，驗(yàn)證了海洋核動(dòng)力平臺(tái)定位系統(tǒng)解脫作業(yè)流程的可行性與有效性。

3)通過試驗(yàn)結(jié)果分析了風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)指標(biāo)，可以準(zhǔn)確表征解脫作業(yè)的試驗(yàn)準(zhǔn)備、提升纜預(yù)緊、拆除法蘭螺栓、釋放提升纜下放YOKE、解脫完成等各個(gè)作業(yè)階段?？紤]船體動(dòng)力學(xué)因素，基于試驗(yàn)系統(tǒng)相似準(zhǔn)則將風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)指標(biāo)推算到真實(shí)結(jié)構(gòu)，為定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)解脫設(shè)備選型、作業(yè)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，可結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)解脫作業(yè)安全高效地實(shí)施。