波浪下“藍(lán)鯨”號起重船系泊吊裝組塊耦合運(yùn)動響應(yīng)

朱紹華1, 于文太1, 李廣帥1, 季紅葉, 謝 芃, 駱寒冰

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461； 2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

0 引 言

在系泊起重船吊裝海洋平臺大型上部組塊時，現(xiàn)場風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境條件復(fù)雜。如果上部組塊運(yùn)動幅度較大，其將不能被正常安裝到導(dǎo)管架上，影響現(xiàn)場施工進(jìn)度。在嚴(yán)重情況下，劇烈的組塊運(yùn)動會威脅海洋平臺結(jié)構(gòu)物和現(xiàn)場施工人員的安全。隨著需吊裝的上部組塊質(zhì)量的逐漸提高，合理分析預(yù)報施工時吊物的運(yùn)動響應(yīng)，可有效指導(dǎo)現(xiàn)場安裝作業(yè)，提高作業(yè)效率及安全性。開展波浪下系泊起重船與吊物的耦合運(yùn)動研究具有重大的理論意義和工程應(yīng)用價值。

近年來國內(nèi)專家學(xué)者對起重船-吊物系統(tǒng)的耦合運(yùn)動做了一定的研究工作。董艷秋等[1]研究起重船在波浪中作業(yè)時吊物系統(tǒng)的動力響應(yīng)，建立在起吊過程中重物運(yùn)動的非線性微分方程，采用新切片理論在頻域內(nèi)得到船體的運(yùn)動，用Runge-Kutta方法在時域內(nèi)求得重物在空間的動力響應(yīng)和吊索的動張力。汪娟娟等[2]利用 MOSES 計算軟件，分析船舶-吊物耦合系統(tǒng)的運(yùn)動特性。通過改變起吊要素，分析這些要素對吊重運(yùn)動和船體運(yùn)動的影響，以及吊重擺動與船體橫搖運(yùn)動的相互影響。駱寒冰等[3]對在涌浪環(huán)境下船舶-吊物耦合運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值模擬，并對波浪周期、吊高、浪向等主要因素進(jìn)行敏感性分析，并提出降低吊裝組塊運(yùn)動響應(yīng)的建議措施。許鑫等[4]以一艘半潛式起重船為研究對象，分別用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法研究其空鉤和最大起重時在波浪作用下的運(yùn)動性能。

波浪下系泊起重船吊裝的耦合運(yùn)動響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，涉及船舶和吊物兩個剛體以及系泊系統(tǒng)和吊纜等柔性體。探索系統(tǒng)的耦合機(jī)理并合理預(yù)報運(yùn)動響應(yīng)特性，具有一定的挑戰(zhàn)性。本文依托東海實(shí)際吊裝施工項(xiàng)目，采用水池模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究波浪下系泊起重船吊裝耦合系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)。

1 海上吊裝施工項(xiàng)目介紹

本研究主要依托東海黃巖孔雀亭A/B組塊項(xiàng)目。孔雀亭氣田位于東海大陸架上，在上海市東南方向397 km處，屬黃巖滾動開發(fā)項(xiàng)目中的平北黃巖油氣田二期，海域水深80 m左右?？兹竿HPA組塊重約3 300 t，WHPB組塊重約2 600 t。采用系泊起重船吊裝作業(yè)方式安裝上部組塊，現(xiàn)場作業(yè)船選用“藍(lán)鯨”號起重船，最大起重能力為7 500 t，該項(xiàng)目于2016年5月-6月施工作業(yè)并順利完成安裝。

在海上吊裝作業(yè)前，需根據(jù)吊物質(zhì)量和海洋環(huán)境氣象條件，選擇合適的起重作業(yè)船，確定拋錨就位方案。在吊裝施工時，對于有采氣樹的導(dǎo)管架平臺，需保證組塊井口區(qū)域與采氣樹之間具有足夠的安裝間隙。組塊至少需吊至高于采氣樹頂部3 m的高度后實(shí)施套采氣樹操作，組塊不能與采氣樹發(fā)生任何碰撞。最后，根據(jù)OWS氣象預(yù)報和現(xiàn)場實(shí)際海況條件，選擇在合適的氣象窗口條件下進(jìn)行吊裝作業(yè)。

以“藍(lán)鯨”號起重船吊裝孔雀亭WHPB組塊為例，吊裝步驟為：(1)“藍(lán)鯨”在安裝位置北側(cè)東西向上就位；(2)組塊運(yùn)輸駁船靠“藍(lán)鯨”左舷；(3)“藍(lán)鯨”在吊機(jī)全回轉(zhuǎn)工況下在舷側(cè)起吊，運(yùn)輸駁船離開“藍(lán)鯨”；(4)“藍(lán)鯨”帶組塊向南絞船至安裝位置；(5)組塊套井口施工。在上述施工過程中：當(dāng)組塊從駁船上起吊運(yùn)輸時，組塊重心的起吊高度距水面約25 m；在套井口安裝狀態(tài)下，組塊重心的起吊高度距水面約48 m。25 m和48 m吊高分別是組塊在吊裝安裝過程中的最低和最高典型高度。

2 水池模型試驗(yàn)

2.1 模型參數(shù)及工況介紹

圖1 系泊起重船吊裝試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型試驗(yàn)于天津大學(xué)港口與海洋工程試驗(yàn)水池進(jìn)行，水池的長、寬、深尺寸分別為55.0 m、40.0 m、1.8 m，造波區(qū)域?qū)挾葹?4.0 m。模型縮尺比選擇1∶60，試驗(yàn)水深為1.33 m，模擬東海80 m水深。試驗(yàn)測試船舶和組塊的6個自由度運(yùn)動、波浪波高、錨纜系泊力等參數(shù)，采樣頻率取50 Hz。運(yùn)動響應(yīng)測試采用加拿大NDI Optotrak Certus 三維動態(tài)非接觸光學(xué)測量系統(tǒng),最高精度可達(dá)0.1 mm,分辨率為0.01 mm(光學(xué)鏡頭距被測物2.25 m時)。系泊拉力采用威思特公司的VS16微小型拉力傳感器，量程為2 kg，精度為2 g。船舶模型采用玻璃鋼材質(zhì)加工制作，上部組塊采用塑料制作，模型對吊機(jī)系統(tǒng)作了相應(yīng)簡化。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。起重船及組塊的基本參數(shù)如表1所示，其中縱坐標(biāo)指向艉為正。

表1 “藍(lán)鯨”號起重船及其模型基本參數(shù)

圖2 水池模型試驗(yàn)系泊布置

圖3 系泊系統(tǒng)剛度位移曲線對比

模型試驗(yàn)系泊系統(tǒng)選取30°/60°對稱系泊布置方案，共8根纜繩，每根纜繩的實(shí)船長度不小于1 000 m。模型試驗(yàn)系泊系統(tǒng)布置如圖2所示。水池左側(cè)布置造波機(jī)(圖中標(biāo)示“WM”)，右側(cè)布置消波器(圖中標(biāo)示“WA”)。在模型試驗(yàn)中，針對不同浪向、波高、周期、組塊吊物高度、系泊預(yù)張力等參數(shù)，開展規(guī)則波試驗(yàn)，研究不同參數(shù)組合對耦合運(yùn)動響應(yīng)的影響。

2.2 系泊系統(tǒng)剛度位移曲線

對模型系泊系統(tǒng)進(jìn)行總體剛度位移曲線測試，得到縱向位移剛度曲線。將試驗(yàn)結(jié)果與MOSES軟件數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示。所有數(shù)值都已轉(zhuǎn)化為實(shí)船尺度。結(jié)果表明兩者吻合較好。

2.3 靜水中自由衰減試驗(yàn)

在正式試驗(yàn)前進(jìn)行靜水中的自由衰減運(yùn)動測試。通過對自由衰減運(yùn)動結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，得到船舶各方向運(yùn)動的固有周期和阻尼因數(shù)，為后期數(shù)值模擬的修正提供依據(jù)。為了研究吊物的運(yùn)動特性，模型試驗(yàn)還進(jìn)行吊物的自由衰減運(yùn)動測試，測得吊物擺動固有周期為17.4 s。

3 數(shù)值分析方法及其模擬模型

3.1 系泊系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)分析方法

根據(jù)初始系泊纜預(yù)張力、風(fēng)力、流力、一階波浪力、二階波浪力確定船舶初始浮態(tài)、位置，求解船舶在時域中的運(yùn)動方程為

(1)

對于系泊在水中的海洋結(jié)構(gòu)物：在規(guī)則波中除了產(chǎn)生與波浪頻率一致的高頻振動外，還會發(fā)生偏離平衡位置的位移；在不規(guī)則波中發(fā)生長周期的漂移運(yùn)動，這一運(yùn)動的周期長、頻率低，被稱為低頻慢漂運(yùn)動。這些現(xiàn)象說明，作用在海洋結(jié)構(gòu)物上的波浪力有波頻下的波浪力和二階力，而二階力包括定常的漂移力(也稱平均波浪力)和低頻的緩變漂移力(也稱慢漂力)。二階力計算方法包括二階傳遞函數(shù)方法和Newman近似法。Newman近似法無需計算二階速度勢，計算效率較高，精度滿足工程需要[5]。MOSES水動力軟件采用Newman近似法分析二階力。

3.2 數(shù)值模擬模型

選用商業(yè)軟件MOSES進(jìn)行數(shù)值模擬。起重船及吊物系統(tǒng)模型如圖4所示，起重船的系泊系統(tǒng)布置如圖5所示，起重船水動力網(wǎng)格模型如圖6所示。為提高數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和精確性，根據(jù)模型試驗(yàn)得到的無量綱阻尼系數(shù)對MOSES計算的阻尼矩陣進(jìn)行修正[6]。

圖4 起重船及吊物系統(tǒng)數(shù)值模擬 圖5 數(shù)值模擬系泊系統(tǒng)布置圖 圖6 起重船計算網(wǎng)格模型圖

4 典型工況結(jié)果對比分析

對起重船在空鉤狀態(tài)以及有吊物狀態(tài)下的規(guī)則波測試結(jié)果進(jìn)行討論，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。其中：吊物重3 000 t，吊物重心距水面高度為48 m，預(yù)張力為50 t，頂浪浪向，波浪周期為5～22 s,波高為1.5 m。

4.1 “藍(lán)鯨”號起重船無吊物運(yùn)動分析

圖7分別為系泊船舶在無吊物狀態(tài)下縱蕩運(yùn)動、升沉運(yùn)動和縱搖運(yùn)動的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對比結(jié)果，可以看出，3個自由度的結(jié)果吻合較好。其中，數(shù)值模擬采用模型試驗(yàn)所測得的無量綱阻尼系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果所測得的無量綱阻尼系數(shù)應(yīng)用與數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖7 系泊起重船無吊物運(yùn)動規(guī)則波結(jié)果對比

4.2 “藍(lán)鯨”號起重船吊裝組塊耦合運(yùn)動分析

圖8分別為規(guī)則波情況下系泊船舶在有吊物工況下縱蕩、升沉、縱搖運(yùn)動和吊物縱蕩、升沉運(yùn)動結(jié)果。對比結(jié)果可知：

(1) 起重船3個自由度運(yùn)動、吊物2個自由度運(yùn)動的數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(2) 吊物縱蕩運(yùn)動曲線出現(xiàn)1個峰，換算成實(shí)船周期約18 s，該周期與吊物自身自由擺動周期接近，說明在波浪周期接近吊物固有運(yùn)動周期時，會引起吊物的共振運(yùn)動。

(3) 數(shù)值模擬得到的吊物縱蕩運(yùn)動與模型試驗(yàn)結(jié)果對比，出現(xiàn)峰值的周期一致，但是數(shù)值模擬的共振點(diǎn)運(yùn)動幅值偏大。這是由于在模型試驗(yàn)時在吊物運(yùn)動過程中存在吊纜與滑輪組等造成的阻尼，而在數(shù)值模擬時，MOSES軟件無法對吊物施加阻尼參數(shù)。

圖8 系泊起重船有吊物耦合運(yùn)動規(guī)則波結(jié)果對比

5 結(jié) 論

針對波浪中系泊“藍(lán)鯨”號起重船吊裝組塊耦合運(yùn)動問題，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了耦合運(yùn)動的特性及其機(jī)理。選擇頂浪規(guī)則波下運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果，對比分析后得到如下結(jié)論：

(1) 在頂浪規(guī)則波中，對于起重船的縱蕩、升沉和縱搖運(yùn)動以及吊物縱蕩、升沉運(yùn)動，模型試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果均吻合較好。

(2) 當(dāng)頂浪波浪周期接近吊物擺動固有周期時，模型試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果表明，吊物縱蕩運(yùn)動出現(xiàn)共振，在共振周期方面，兩者吻合較好。不過，數(shù)值模擬的共振點(diǎn)運(yùn)動幅值偏大，可能是由于阻尼原因。

本文研究揭示了波浪中系泊起重船吊裝組塊耦合運(yùn)動機(jī)理。下一步將繼續(xù)對比數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果，提高數(shù)值模擬的精度，深入討論各個參數(shù)對耦合運(yùn)動響應(yīng)的影響程度，包括浪向、吊重、系泊預(yù)張力、吊高等，為海洋平臺吊裝施工作業(yè)提供技術(shù)支持。