王文科，韓井波，劉吉林

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東蓬萊265607

文昌13-6導(dǎo)管架下水過(guò)程模擬與分析

王文科1，韓井波2，劉吉林1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東蓬萊265607

導(dǎo)管架滑移下水過(guò)程是指導(dǎo)管架從有一定縱傾的下水駁船上靠自重滑移下水，直至與駁船分離并在水中達(dá)到漂浮狀態(tài)的過(guò)程。文章以文昌13-6導(dǎo)管架為模型，采用MOSES軟件對(duì)下水過(guò)程進(jìn)行時(shí)域模擬，并且運(yùn)用敏感性分析計(jì)算來(lái)綜合判斷導(dǎo)管架和駁船下水過(guò)程的穩(wěn)定性與安全性，計(jì)算結(jié)果表明整個(gè)下水過(guò)程安全可靠，且與海上施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本一致。

導(dǎo)管架；駁船；下水；敏感性分析

1 概述

國(guó)內(nèi)200 m水深以?xún)?nèi)海上油氣田通常采用導(dǎo)管架形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由于浮吊能力的限制，深水導(dǎo)管架海上安裝通過(guò)滑移下水來(lái)實(shí)現(xiàn)。海上安裝風(fēng)險(xiǎn)大、作業(yè)成本高，所以下水過(guò)程的分析與計(jì)算十分關(guān)鍵。本文采用MOSES軟件進(jìn)行三維過(guò)程數(shù)值模擬分析和結(jié)構(gòu)分析。把導(dǎo)管架和駁船看作具有6個(gè)自由度的剛體，且兩個(gè)剛體之間通過(guò)滑道和搖臂相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)分析要考慮導(dǎo)管架和駁船的變形。

2 下水過(guò)程模擬

2.1 模擬步驟

（1）根據(jù)船舶資料在MOSES軟件中建立駁船模型。

（2）從SACS中導(dǎo)出導(dǎo)管架模型，注意添加額外的附件。比如下水滑道、導(dǎo)管架上的滑道梁等連接件，防沉板和陽(yáng)極等附屬結(jié)構(gòu)。

（3）定義初始下水狀態(tài)的參數(shù)，包括：駁船縱傾、吃水、導(dǎo)管架初始位置、絞車(chē)速度等。將系統(tǒng)壓載至所需要的狀態(tài)，導(dǎo)管架和駁船系統(tǒng)準(zhǔn)備好進(jìn)行時(shí)域模擬。

（4）調(diào)整導(dǎo)管架，使其滑移到重心通過(guò)搖臂，導(dǎo)管架成傾斜狀態(tài)。

（5）在搖臂的協(xié)助下導(dǎo)管架繼續(xù)滑移直至與駁船完全脫離，俯沖入水最后達(dá)到穩(wěn)定的漂浮狀態(tài)。

2.2 模擬過(guò)程分析

導(dǎo)管架下水示意見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)管架下水示意

在導(dǎo)管架滑移下水過(guò)程中，導(dǎo)管架和駁船都是運(yùn)動(dòng)物體。模擬物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用動(dòng)態(tài)平衡原理，即運(yùn)動(dòng)物體的慣性力和其所受外力是瞬時(shí)平衡的，利用該平衡方程來(lái)求解物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，即時(shí)間歷程分析法（時(shí)域分析法）。

導(dǎo)管架滑移下水過(guò)程是在水中的一個(gè)三維空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在數(shù)值模擬分析中，要考慮動(dòng)水拖曳力、動(dòng)水慣性力、駁船和導(dǎo)管架的相互作用力、桿件慣性力、重力和浮力等。其中二者的相互作用是指在初始階段駁船和導(dǎo)管架被約束在一起的運(yùn)動(dòng)，此約束需在方程的剛度矩陣?yán)锟紤]。

在初始階段，帶有質(zhì)量和慣性特征的導(dǎo)管架作為剛體，受絞車(chē)索引力或液壓缸的推力，當(dāng)引力或推力大于靜摩擦力時(shí)，導(dǎo)管架沿駁船滑道滑移。當(dāng)駁船的縱傾角度使導(dǎo)管架的自重克服動(dòng)摩擦力向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)導(dǎo)管架的運(yùn)動(dòng)是加速的過(guò)程。此時(shí)計(jì)算導(dǎo)管架與駁船之間的相互作用力，并可預(yù)測(cè)導(dǎo)管架何時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

同樣，駁船也被模擬成可動(dòng)的，當(dāng)導(dǎo)管架加速向船艉運(yùn)動(dòng)時(shí)，駁船也向離開(kāi)導(dǎo)管架的方向運(yùn)動(dòng)。駁船在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力特性包括附加水質(zhì)量、阻力、摩擦力和水面剛度。

當(dāng)導(dǎo)管架的頂部鉆入水中時(shí)，導(dǎo)管架所受的靜水壓力和動(dòng)水壓力用Morison公式計(jì)算。此時(shí)，要隨時(shí)累積附加水質(zhì)量，因此在每一時(shí)段都要修正方程中的質(zhì)量矩陣。駁船運(yùn)動(dòng)和濕表面壓力可以通過(guò)2D切片理論求得。

在下水運(yùn)動(dòng)分析中，導(dǎo)管架和駁船的相互運(yùn)動(dòng)是通過(guò)解耦的方法進(jìn)行分析的，即把導(dǎo)管架和駁船離散成單個(gè)體來(lái)考慮動(dòng)態(tài)平衡，建立運(yùn)動(dòng)方程。導(dǎo)管架和駁船的相互作用力體現(xiàn)在各自的運(yùn)動(dòng)方程中。

由以上分析方法可知，導(dǎo)管架的重量、重心及構(gòu)件型式和駁船的詳細(xì)參數(shù)對(duì)分析結(jié)果影響很大，為準(zhǔn)確模擬導(dǎo)管架的下水過(guò)程，需要盡可能準(zhǔn)確模擬導(dǎo)管架和駁船的模型，包括導(dǎo)管架附件。

3 工程實(shí)例

3.1 計(jì)算模型

文昌13-6導(dǎo)管架為4腿12裙樁結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為7 012 t，其立體視圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管架立體視圖

駁船海洋石油221規(guī)格142 m×36 m×9.75 m，空船質(zhì)量8 592.5 t，下水駁船模型如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)水深116.3 m。

圖3 下水駁船模型

3.2 下水初始條件

導(dǎo)管架距駁船艏部52 m，滑道高度1.8 m，下水前駁船壓載，船舯吃水7.25 m，縱傾4.25°，動(dòng)摩擦系數(shù)0.06。計(jì)算分析中常用到圖4所示的四種坐標(biāo)系。

3.3 結(jié)果分析

導(dǎo)管架從開(kāi)始滑移狀態(tài)到下水至最終分離狀態(tài)的時(shí)間是50.3 s。導(dǎo)管架下水軌跡和關(guān)鍵步驟見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，整個(gè)下水過(guò)程導(dǎo)管架的運(yùn)動(dòng)軌跡基本平穩(wěn)。駁船和導(dǎo)管架橫搖角度都很小，搖臂順利轉(zhuǎn)動(dòng)，支反力也遠(yuǎn)小于許用載荷（單個(gè)搖臂許用荷載為31 360 kN，駁船入水深度7.32 m，許用值21.1 m，泥面間隙64.41 m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。因而下水過(guò)程安全可行。

圖4 計(jì)算分析坐標(biāo)系統(tǒng)

4 敏感性研究

影響下水過(guò)程的參數(shù)眾多，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)的要求選取適當(dāng)?shù)闹匦淖鴺?biāo)位置、動(dòng)摩擦系數(shù)、導(dǎo)管架重量三類(lèi)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，并且與基本工況結(jié)果進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證基本工況參數(shù)是否恰當(dāng)，見(jiàn)表2。

從表2可以看出，敏感性研究選擇的工況計(jì)算結(jié)果與基本工況比較變化很小，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度敏感。因此敏感性滿(mǎn)足規(guī)格書(shū)要求。

圖5 導(dǎo)管架下水軌跡

表2 敏感性工況計(jì)算

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了文昌13-6導(dǎo)管架的下水計(jì)算過(guò)程及計(jì)算方法，對(duì)基本工況和敏感性的10種工況的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，導(dǎo)管架和駁船的運(yùn)動(dòng)軌跡平穩(wěn)，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)格書(shū)和相關(guān)規(guī)范要求。下水之前導(dǎo)管架的4根濕拖纜與駁船提前掛好，保證導(dǎo)管架和駁船的安全，待下水完成后立即濕拖就位。計(jì)算結(jié)果最終也得到了海上施工現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證：駁船壓載到尾傾3°左右開(kāi)始切割防滑板，導(dǎo)管架開(kāi)始在滑道上緩緩移動(dòng)，過(guò)后加速下滑至俯沖入水，整個(gè)過(guò)程十分平穩(wěn)。

表2 敏感性工況計(jì)算（續(xù)）

[1]DNV-RP-H103，Modelling and Analysis of Marine Operations [S].

[2]Ultramarine-USER-10，Moses Manual[S].

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Simulation and Analysis ofWenchang 13-6 Jacket L aunch

Wang Wenke1，Han Jingbo2，Liu Jilin1
1.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.PenglaiJutalOffshore Engineering Heavy Industries Co.，Ltd.，Penglai265607，China

Jacket launch is the procedure that a jacket sliding into water from a trim barge by itself weight，until being separated from the barge and floating on the water.In this paper，Wenchang 13-6 jacket is taken as a model to simulate the launching process in time-domain by software MOSES，and the sensitivity analysis calculation is used to determine the stability and safety of the integrated jacket and barge launching process.The simulation results show that the whole launching process is safe and reliable，which is then verified by offshore construction practice.

jacket；barge；launch；sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.006

王文科（1980-），男，安徽太湖人，工程師，2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋石油工程設(shè)計(jì)與安裝工作。

2014-04-10；

2014-07-07