基于Orcaflex 的海上升壓站浮吊耦合動(dòng)力分析

梁 寧，鄧映雪，李 磊，沈侃敏

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316022)

海上風(fēng)能是重要的清潔能源之一，近年來國內(nèi)外對海上風(fēng)能的開發(fā)呈井噴之勢。而海上升壓站是海上風(fēng)電工程的核心設(shè)備，海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能將由該設(shè)備完成升壓后通過高壓海底電纜傳輸至陸地，因此在海上風(fēng)電場的建設(shè)中，升壓站上部組塊安裝的順利與否對整個(gè)工程的進(jìn)程有著至關(guān)重要的影響。

目前國內(nèi)外海上風(fēng)電多位于幾米至幾十米水深的近岸海域，海上升壓站基礎(chǔ)多采用導(dǎo)管架式結(jié)構(gòu)，上部組塊常利用駁船運(yùn)輸至作業(yè)海域進(jìn)行錨泊固定，而后利用浮式起重船進(jìn)行升壓站上部組塊浮吊安裝。但由于受風(fēng)浪流載荷作用，起吊前駁船是否走錨對升壓站的安裝至關(guān)重要，同時(shí)也是安裝作業(yè)中最核心的技術(shù)難點(diǎn)。而目前科研人員大多關(guān)注海上升壓站的安裝技術(shù)以及總體布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問題。如王建楹等[1]以某300 MW 海上升壓站為例，開展總體結(jié)構(gòu)布置研究，通過對復(fù)雜海洋環(huán)境下的輸電設(shè)備、平臺(tái)設(shè)置以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的融合研究，提出了升壓站模塊化結(jié)構(gòu)布置的設(shè)計(jì)思路，達(dá)到了整體布置合理可行、運(yùn)維安全便捷的設(shè)計(jì)目標(biāo)。畢遠(yuǎn)濤[2]對大豐H3 海上升壓站的安裝技術(shù)開展了詳細(xì)研究，針對結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)遇到的各種技術(shù)難題，參考常用措施提出了相應(yīng)的解決方法，并經(jīng)實(shí)際施工驗(yàn)證有效可行。

本文主要計(jì)算在風(fēng)浪流載荷作用下，運(yùn)輸駁船是否會(huì)發(fā)生走錨情況。文章首先利用SESAM/HydroD 軟件進(jìn)行船體水動(dòng)力分析，求解船體附加質(zhì)量、勢流阻尼、波浪力RAO 以及位移RAO 等參數(shù)，而后將水動(dòng)力參數(shù)輸入到Orcaflex 中開展船體-系泊的時(shí)域耦合動(dòng)力分析，計(jì)算船體六自由度響應(yīng)和系泊纜張力，并根據(jù)API RP 2SK 規(guī)范進(jìn)行校核，為海上升壓站的安裝提供依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 模型參數(shù)

升壓站運(yùn)輸采用某甲板駁由南通碼頭基地運(yùn)輸至廣東某海域進(jìn)行海上吊裝，該船采用錨泊定位方式，作業(yè)水深30 m，由振華30 進(jìn)行升壓站浮吊安裝。船體基本參數(shù)如表1 所示，起吊作業(yè)工況如表2 所示，船體濕表面模型和質(zhì)量模型由SESAM/GeniE 建立，Panel 模型如圖1 所示。

表1 甲板駁基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of covered barg

表2 起吊作業(yè)工況Tab.2 Working condition of hoisting

圖1 甲板駁panel 模型Fig.1 Panel model

1.2 環(huán)境工況

考慮到浮吊安裝方便，駁船錨泊方案如圖2 所示。此時(shí)浮吊船正對于駁船船寬方向，升壓站上部組塊起吊后立即撤掉駁船，浮吊船沿船長方向移至導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)即可安裝。計(jì)算環(huán)境條件參考作業(yè)海域海洋水文資料，具體計(jì)算海況如表3 所示。其中船體系泊的耦合動(dòng)力分析在Orcaflex 中進(jìn)行，計(jì)算中流力系數(shù)和風(fēng)力系數(shù)參考OCIMF 發(fā)表的超大型油船風(fēng)載和流載計(jì)算方法[3]。

圖2 錨泊布置情況Fig.2 The arrangements of mooring

表3 作業(yè)海況Tab.3 Sea conditions

根據(jù)海洋水文資料中實(shí)際載荷作用方向，取浪向?yàn)?25°和147.5°，流向?yàn)?56°和198°，風(fēng)向?yàn)?92.7°，計(jì)算載荷組合工況如表4 所示。

表4 計(jì)算工況Tab.4 Computational conditions

1.3 限制條件

駁船工作錨纜選取依據(jù)GB/T33364-2016 海洋工程系泊用鋼絲繩，系泊纜屬性如表5 所示。

表5 錨纜屬性Tab.5 Properties of anchor cable

錨纜安全系數(shù)參考API RP 2SK 規(guī)范[4]，短時(shí)期錨泊計(jì)算下，完整工況錨索的安全系數(shù)取2，錨的安全系數(shù)為1。本設(shè)計(jì)中錨的規(guī)格為7 t，錨抓力系數(shù)為12，因此最大抓力為84 t，因此錨纜張力應(yīng)小于84 t(最大抓力84 t 乘以安全系數(shù)1)，否則會(huì)出現(xiàn)走錨問題[5]。

2 計(jì)算結(jié)果

船體錨泊的耦合動(dòng)力分析基于Orcaflex 軟件計(jì)算求解，計(jì)算中纜繩預(yù)張力約10 t，其中波譜類型選取JONSWAP 譜，并考慮風(fēng)、浪、流環(huán)境力綜合作用進(jìn)行錨泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)時(shí)域分析，得到錨纜的受力時(shí)歷曲線，最后按照3 h 回歸周期[6-7]獲得錨纜的最大張力和船體運(yùn)行響應(yīng)。

如圖3 所示，船體3 個(gè)平移運(yùn)動(dòng)自由度(橫蕩、縱蕩及垂蕩)的幅值響應(yīng)算子遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3 個(gè)自由度(橫搖、縱搖及首搖)的幅值響應(yīng)算子，因此可論證船體的平面運(yùn)動(dòng)響應(yīng)為鋪管過程的限制條件。

圖3 船體運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子(RAO)Fig.3 RAOs of ship motion

縱蕩對波浪比較敏感的頻率區(qū)間小于0.8 rad·s-1，迎浪和隨浪工況對縱蕩影響最大，橫浪向影響幾乎為零；橫蕩對波浪比較敏感的頻率區(qū)間小于1.2 rad·s-1，橫浪工況對橫蕩影響最大，而迎浪和隨浪向影響幾乎為零；對于首搖運(yùn)動(dòng)，迎浪、隨浪和橫浪向頻響函數(shù)始終為零，而艏斜浪和尾隨浪方向響應(yīng)的敏感頻率區(qū)間為0.3～1 rad·s-1，峰值出現(xiàn)在0.6 rad·s-1。

表6 所示為錨泊計(jì)算所得各工況下錨纜的最大張力。對比工況LC1 和LC2 或LC3 和LC4 數(shù)據(jù)可知，錨纜最大張力與海流力作用方向基本一致(LC1 和LC3 流力方向?yàn)?56°，與錨纜#3 布置方向基本相同；LC2 和LC4 流力方向?yàn)?98°，與錨纜#4 布置方向基本相同)。因此本計(jì)算中流致拖曳力是錨纜張力的控制因素，同樣的結(jié)論也可以對比LC1 和LC3 或者LC2 和LC4 數(shù)據(jù)可得，改變波浪入射方向?qū)ψ畲笫芰﹀^纜無影響[8]。

表6 各工況錨纜最大動(dòng)態(tài)張力Tab.6 Maximum dynamic tension of anchor cable with various conditions

由表6 可知，風(fēng)浪流載荷作用下各工況各錨纜最大張力為45 t，出現(xiàn)在125°波浪、156°海流以及192.7°風(fēng)載作用時(shí)，此時(shí)#3 受力最大。此時(shí)最大錨纜受力載荷小于纜繩破斷拉力173 t，因此纜繩可以正常工作。而此時(shí)根據(jù)API RP 2SK 規(guī)范要求，本設(shè)計(jì)選取的錨的最大抓力為7×12×1=84 t，錨纜張力遠(yuǎn)小于錨的最大抓力，因此該甲板駁錨泊狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)走錨問題。

圖4 所示為各工況下最大張力錨纜的時(shí)域動(dòng)態(tài)張力曲線。圖示可知，錨纜最大張力均為瞬態(tài)最大張力，最大張力為一個(gè)或若干峰值，張力大小在某一平衡位置上下循環(huán)往復(fù)振蕩，這與船體的大幅值平面運(yùn)動(dòng)相符[9]。同時(shí)由圖4 和表6 可知，LC1 和LC3 時(shí)的錨纜張力比LC2 和LC4 要大。結(jié)合表6 結(jié)論可知流致拖曳力是本錨泊作業(yè)的主控環(huán)境條件，而波流同向時(shí)能大大增加錨纜的受力，因此實(shí)際作業(yè)時(shí)的風(fēng)浪流是否一致是施工作業(yè)人員要特別注意的額外條件。

圖4 錨纜時(shí)域動(dòng)態(tài)張力Fig.4 Time domain dynamic tension of anchor cable

3 結(jié)論

針對陽西海上升壓站運(yùn)輸起吊過程中的走錨問題，本文基于當(dāng)?shù)厮挠^測資料，建立合理的起吊數(shù)值模型，通過開展浮體——錨泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力計(jì)算，得到船體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨纜時(shí)域動(dòng)態(tài)張力，計(jì)算獲得如下重要結(jié)論：

(1)各工況中錨纜最大張力大小隨環(huán)境條件變化。由計(jì)算結(jié)果可知，纜繩張力隨流向和浪向的改變而變化，當(dāng)流向和浪向相一致時(shí)纜繩張力較大，且最大張力亦在該工況；當(dāng)流向和浪向相反時(shí)會(huì)降低錨纜張力，出現(xiàn)受力抵消現(xiàn)象，因此實(shí)際施工中應(yīng)注意風(fēng)浪流同向問題。

(2)本設(shè)計(jì)中的纜繩和錨的型號(hào)滿足作業(yè)要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，各工況下最大錨纜張力45 t，出現(xiàn)在LC1 中的3 號(hào)錨纜，而此時(shí)最大張力小于錨纜最小破斷張力和錨的最大抓力，因此滿足要求，不會(huì)出現(xiàn)走錨問題。