300 m水深級深水導(dǎo)管架拖航分析方法

張艷芳,趙佳寧,黃懷州,王亮,袁玉杰

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

海上平臺分為固定式平臺和浮式平臺兩大類。固定式海上平臺井口數(shù)量多,井口壓力大,工程投資少,運營成本低,被認為是水深500 m以淺最為經(jīng)濟的油氣資源開發(fā)方式。浮式平臺適用于500～3 000 m深水海上油氣資源開發(fā),深水開發(fā)能力強,可移動性強,安全穩(wěn)定 。但對于300～500 m水深的油氣資源開發(fā),浮式平臺受限于生產(chǎn)成本和效率,固定式平臺受限于深水技術(shù)能力,一直以來都是我國深海油氣資源開發(fā)的空白區(qū)與挑戰(zhàn)區(qū)[1]。原因在于,根據(jù)常規(guī)導(dǎo)管架的設(shè)計規(guī)范,300 m水深的導(dǎo)管架重量要達到4萬t以上[2],而目前國內(nèi)最大的可入水駁船海洋石油229最大下水能力僅有3萬t,無法滿足實際條件。同時,在拖航過程中巨大的重量和剛度不僅會帶來諸如裝船強度要求高,也會帶來在位動力荷載增大等一系列問題[3]。因此,如何優(yōu)化深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)算法成為亟待解決的問題。本文以拖航算法為例,對比兩種高度、重量差異巨大的導(dǎo)管架,利用MOSES和SCAS軟件對其在相同拖航工況下進行拖航分析,對拖航工況的算法進行優(yōu)化,使其更貼合工程實際,滿足300 m水深級導(dǎo)管架拖航設(shè)計需求。

1 拖航參數(shù)

兩型導(dǎo)管架的拖航模型見圖1。100 m水深的常規(guī)導(dǎo)管架設(shè)計高度140 m,重量為12 500 t,結(jié)構(gòu)形式為8腿12裙樁。300 m水深級深水導(dǎo)管架設(shè)計高度345 m,重量為36 500 t,結(jié)構(gòu)形式為4腿(4下水腿)16裙樁。兩型導(dǎo)管架拖航路徑均位于南海東部開敞海域,該海域有效波高為4.7 m,譜峰周期11.69 s,拖航風速22.68 m/s。拖航駁船為 “海洋石油229”,駁船型深14.5 m,長度為215 m,最大入水深度22.5 m。

圖1 導(dǎo)管架拖航結(jié)構(gòu)模型

2 剛性船體法與計算結(jié)果

以DNVGL-ST-N001規(guī)范為依據(jù)的常規(guī)導(dǎo)管架拖航分析方法是以假設(shè)拖航駁船為剛性作為設(shè)計前提的[4],也稱為剛性船體法。方法針對T型駁船,采用三維勢流理論計算作用在船體上的波浪荷載,使用頻域分析方法計算導(dǎo)管架重心處的運動位移幅值和加速度幅值的1/1 000最大值,考慮迎浪、隨浪、橫浪和斜浪8個來浪方向[5]。通過SACS軟件將運動產(chǎn)生的慣性力荷載、導(dǎo)管架自重、風荷載聯(lián)合作用在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型上。最后對導(dǎo)管架重心處6個自由度的拖航運動荷載幅值進行組合,以考慮不同自由度運動的相位差。

剛性船體法計算結(jié)果見圖2。

圖2 剛性船體法導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

在相同邊界條件下,100 m水深級常規(guī)導(dǎo)管架對于剛性船體有良好的適應(yīng)性,結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻,主傳力路徑集中在下水桁架結(jié)構(gòu)和與桁架結(jié)構(gòu)相連的水平層結(jié)構(gòu)上,整體應(yīng)力水平比較低,見圖2a)。300 m水深級深水導(dǎo)管架拖航工況整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平雖不高,但出現(xiàn)了相對集中的兩處高應(yīng)力區(qū)域,分別是為外懸結(jié)構(gòu)提供支撐的船艏船艉處的下水桁架以及相鄰桿件結(jié)構(gòu)上,見圖2b)。以上位置桿件出現(xiàn)較多超應(yīng)力的原因:受現(xiàn)有船舶資源限制,對于300 m水深級導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)無法全部置于駁船之上,船艏船艉以外存在大量的外懸結(jié)構(gòu),其僅靠一端支撐的結(jié)構(gòu)特點決定其在駁船運動時受慣性荷載影響很大[6],同時大尺度也帶來了整體結(jié)構(gòu)變形較大;此外,假定的剛性船體與導(dǎo)管架變形匹配性的差異產(chǎn)生了較高的位移荷載。

對于100 m水深級的常規(guī)導(dǎo)管架整體尺度較小,剛度大,長度小于駁船型長,下水桁架整體位于駁船滑道上,拖航過程中的產(chǎn)生的變形較小,且沿船長方向整體位移比較平均。因此,剛性船體法可適用于設(shè)計高度100 m左右的導(dǎo)管架拖航分析。然而,對于300 m水深級導(dǎo)管架,若采用剛性船體法結(jié)構(gòu)柔性的增加會導(dǎo)致導(dǎo)管架整體變形增加,產(chǎn)生極大的變形荷載。因此,傳統(tǒng)設(shè)計方法已無法滿足300 m水深級導(dǎo)管架的設(shè)計需要,需對分析計算法進行優(yōu)化。

3 柔性船體法與計算結(jié)果

基于波浪載荷計算中的切片理論,即船體在運動時會產(chǎn)生沿船體方向疊加的流體作用力,船舶在流體的作用力影響下產(chǎn)生6個自由度的加速度幅值,從而使導(dǎo)管架產(chǎn)生慣性荷載,同時考慮導(dǎo)管架對船體剛度的貢獻,對二者進行運動耦合分析,通過迭代計算可得到相對準確的船體變形。分別考慮靜水、中垂、中拱三種工況[7-8];對于靜水工況不考慮風、波、流的影響,可模擬導(dǎo)管架裝船完成平穩(wěn)狀態(tài)下船體的初始變形;中垂、中拱工況則可模擬出駁船航行狀態(tài)下船體的最大凸起或凹陷的變形。模擬結(jié)果見圖3a),對于300 m水深級導(dǎo)管架在假設(shè)船艏、船艉為位移0點的前提下;靜水中船體變形整體為正值,最大變形出現(xiàn)在船中位置,由船中向艏艉兩側(cè)線性減小;中拱變形整體趨勢與靜水變形相近,位移值約為靜水變形的1.5倍;中垂變形趨勢與中拱變形相反,整體變形均為負值,變形絕對值與中拱變形相當。

圖3 船體變形和支反力分布

靜水工況下,導(dǎo)管架和駁船聯(lián)合體僅受自重影響,因此靜水變形僅考慮聯(lián)合體自重荷載,從而得到導(dǎo)管架平穩(wěn)狀態(tài)下的初始結(jié)構(gòu)受力。拖航離港前需在導(dǎo)管架與駁船間焊接裝船固定,使二者牢牢固定在一起,在拖航過程中受風、波、流荷載作用,船體和導(dǎo)管架聯(lián)合體此時會在初始變形的基礎(chǔ)上產(chǎn)生進一步的變形。因此,中垂、中拱變形會與運動產(chǎn)生的慣性力荷載共同作用,從而得到導(dǎo)管架拖航運動過程中的運動結(jié)構(gòu)受力。優(yōu)化后的算法改變了常規(guī)算法中剛性船體的假設(shè),充分考慮了船體柔性產(chǎn)生的變形,因此可稱為柔性船體法。

導(dǎo)管架下水桁架支反力可較為直觀的反應(yīng)導(dǎo)管架拖航期間的受力狀態(tài)。由圖3b)可以看出,對于不同模擬方法,導(dǎo)管架受到的駁船的支反力相差較大,剛性船體產(chǎn)生支反力最大,且反力分布差異明顯,也可證明300 m水深級導(dǎo)管架對于剛性船體法并不適用;而柔性船體所產(chǎn)生的支反力較剛性船體減少超過15%,支反力分布也更為均衡。

由柔性船體法分析得出的導(dǎo)管架應(yīng)力見圖4,可以看到在相同的邊界條件下,高應(yīng)力比桿件數(shù)量明顯減少,且無超應(yīng)力桿件。導(dǎo)管架整體應(yīng)力水平更為均衡,高應(yīng)力桿件集中出現(xiàn)的區(qū)域應(yīng)力下降約30%。

圖4 柔性船體法導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

此外,為了直觀展示導(dǎo)管架的變形及趨勢,對比剛性船體法與柔性船體法的變形趨勢見圖5,剛性船體法在剛性船體擠壓下船艏、艉以外導(dǎo)管架懸臂部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的凸增變形,有分析認為常規(guī)高強鋼材的彈性極限約為0.15%,超出彈性極限則會發(fā)生不可逆的永久變形即塑性變形[9]。然而通過優(yōu)化算法,用柔性船體分析方法進行模擬,導(dǎo)管架的變形趨勢更為平緩,船艏、船艉的導(dǎo)管架變形平順,無明顯的塑性變形痕跡。因此,考慮柔性船體的算法優(yōu)化對300 m水深級導(dǎo)管架的拖航分析更為適用。

圖5 剛性船體與柔性船體導(dǎo)管架拖航分析位移對比

4 結(jié)論

1)剛性船體法適用于100 m水深級導(dǎo)管架的拖航模擬,不適用于300 m水深的導(dǎo)管架拖航模擬。

2)考慮拖航過程中船體變形的柔性船體法適用于水深300 m水深級導(dǎo)管架拖航模擬。