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)
在系泊起重船吊裝海洋平臺(tái)大型上部組塊時(shí),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(dòng)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(dòng)會(huì)威脅海洋平臺(tái)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(bào)施工時(shí)吊物的運(yùn)動(dòng)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(dòng)研究具有重大的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
近年來國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)起重船-吊物系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)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(shí)吊物系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng),建立在起吊過程中重物運(yùn)動(dòng)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(dòng),用Runge-Kutta方法在時(shí)域內(nèi)求得重物在空間的動(dòng)力響應(yīng)和吊索的動(dòng)張力。汪娟娟等[2]利用 MOSES 計(jì)算軟件,分析船舶-吊物耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。通過改變起吊要素,分析這些要素對(duì)吊重運(yùn)動(dòng)和船體運(yùn)動(dòng)的影響,以及吊重?cái)[動(dòng)與船體橫搖運(yùn)動(dòng)的相互影響。駱寒冰等[3]對(duì)在涌浪環(huán)境下船舶-吊物耦合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)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(dòng)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(duì)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(shí)在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)性能。
波浪下系泊起重船吊裝的耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜,涉及船舶和吊物兩個(gè)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(bào)運(yùn)動(dòng)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(dòng)響應(yīng)。
本研究主要依托東海黃巖孔雀亭A/B組塊項(xiàng)目??兹竿馓镂挥跂|海大陸架上,在上海市東南方向397 km處,屬黃巖滾動(dòng)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(hào)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(shí),對(duì)于有采氣樹的導(dǎo)管架平臺(tái),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(bào)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(hào)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(shí),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。
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(gè)自由度運(yùn)動(dòng)、波浪波高、錨纜系泊力等參數(shù),采樣頻率取50 Hz。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測試采用加拿大NDI Optotrak Certus 三維動(dòng)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(shí))。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(duì)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(hào)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(duì)比
模型試驗(yàn)系泊系統(tǒng)選取30°/60°對(duì)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(duì)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(duì)耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。
對(duì)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(duì)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。
在正式試驗(yàn)前進(jìn)行靜水中的自由衰減運(yùn)動(dòng)測試。通過對(duì)自由衰減運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到船舶各方向運(yùn)動(dòng)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(dòng)特性,模型試驗(yàn)還進(jìn)行吊物的自由衰減運(yùn)動(dòng)測試,測得吊物擺動(dòng)固有周期為17.4 s。
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(shí)域中的運(yùn)動(dòng)方程為
(1)
對(duì)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(dòng)外,還會(huì)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(dòng),這一運(yùn)動(dòng)的周期長、頻率低,被稱為低頻慢漂運(yùn)動(dòng)。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(jì)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(jì)算二階速度勢,計(jì)算效率較高,精度滿足工程需要[5]。MOSES水動(dòng)力軟件采用Newman近似法分析二階力。
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(dòng)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(duì)MOSES計(jì)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(jì)算網(wǎng)格模型圖
對(duì)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(duì)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。
圖7分別為系泊船舶在無吊物狀態(tài)下縱蕩運(yùn)動(dòng)、升沉運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果,可以看出,3個(gè)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(dòng)規(guī)則波結(jié)果對(duì)比
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(dòng)和吊物縱蕩、升沉運(yùn)動(dòng)結(jié)果。對(duì)比結(jié)果可知:
(1) 起重船3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)、吊物2個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)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(dòng)曲線出現(xiàn)1個(gè)峰,換算成實(shí)船周期約18 s,該周期與吊物自身自由擺動(dòng)周期接近,說明在波浪周期接近吊物固有運(yùn)動(dòng)周期時(shí),會(huì)引起吊物的共振運(yùn)動(dòng)。
(3) 數(shù)值模擬得到的吊物縱蕩運(yùn)動(dòng)與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(dòng)幅值偏大。這是由于在模型試驗(yàn)時(shí)在吊物運(yùn)動(dòng)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(shí),MOSES軟件無法對(duì)吊物施加阻尼參數(shù)。
圖8 系泊起重船有吊物耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)則波結(jié)果對(duì)比
針對(duì)波浪中系泊“藍(lán)鯨”號(hào)起重船吊裝組塊耦合運(yùn)動(dòng)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(dòng)的特性及其機(jī)理。選擇頂浪規(guī)則波下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果,對(duì)比分析后得到如下結(jié)論:
(1) 在頂浪規(guī)則波中,對(duì)于起重船的縱蕩、升沉和縱搖運(yùn)動(dòng)以及吊物縱蕩、升沉運(yùn)動(dòng),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(dòng)固有周期時(shí),模型試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果表明,吊物縱蕩運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)理。下一步將繼續(xù)對(duì)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(gè)參數(shù)對(duì)耦合運(yùn)動(dòng)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(tái)吊裝施工作業(yè)提供技術(shù)支持。