導管架下水時的駁船總縱強度分析

楊小龍，楊 輝，劉 波，董曉曼，阮勝福

(海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451)

隨著海洋石油開采不斷向深水發展，固定式平臺的應用水深已超過400 m。目前300 m水深以內的固定式平臺絕大部分采用樁基式導管架形式。隨著下部基礎的體積和重量越來越大，如何經濟、安全地進行下部基礎的安裝成為海洋工程界的熱點問題之一。

導管架的滑移下水是指通過調整安裝船舶浮態，使導管架與駁船做相對的滑動或轉動，自行運動到脫離駁船，在水中運行一段時間后處于穩態的過程。20世紀70年代初國外已開始在海上實施導管架的滑移下水，隨后有關導管架滑移下水的數值模擬分析和安裝技術日趨成熟［1］。下水過程中導管架的強度及穩性是設計關注的重點，但隨著導管架重量增加，目前國內采用滑移下水形式安裝的導管架重量已超過3萬t，下水過程中駁船總縱強度破壞成為整個下水安裝過程的危險因素，應引起足夠重視。

為科學地評估下水過程中船舶的強度，進行導管架的下水的數值模擬，在此基礎上，提出一種用于計算下水過程中駁船總縱強度的簡化方法，精度可以滿足工程應用的要求。

1 計算方法

首先對某18 000 t導管架下水過程進行時域數值模擬，在得到不同時刻船體的各項受力后，結合駁船浮態與裝載工況進行船體總縱強度評估。下水時域模擬程序在Moses內置宏命令的基礎上開發，導管架和駁船看成是兩個獨立的6自由度剛體。下水過程中導管架上的水動力載荷通過Morison方程計算。對于駁船，選用定常的附加質量系數和線性輻射阻尼系數計算水動力慣性載荷和粘性載荷。下水環境條件假定為靜水，這是因為下水過程持續時間很短，通常在1 min內既可完成，環境力對其影響很小。

研究結果表明，導管架在下滑過程中與駁船作用力逐漸減小且沒有大的波動［2］，為使評估結果具有代表性，選取下水過程中三個典型工況:①導管架剛開始滑移，見圖1;②滑移過程中;③導管架開始翻轉，見圖2。

圖1 導管架準備滑移下水

圖2 導管架開始翻轉

2 算例

2.1 計算軟件

Moses是一款通用的浮式計算軟件，可進行大部分海上施工的數值模擬，計算結果有著很高的計算精度，國際上應用廣泛。

2.2 設計參數

坐標系定義見圖3，X軸原點位于船艏，正向由船艏指向船艉，Y軸原點位于船體中線，向右為正，Z軸原點位于船體基線上，向上為正，坐標系定義服從右手定則。

圖3 船體坐標系

計算下水駁設計參數見表1，下水導管架設計參數見表2，組塊在駁船上的位置見圖4。

表1 下水駁設計參數

表2 運載結構物的設計參數

圖4 導管架在駁船上位置(側視)

2.3 計算結果

在整個下水過程中選取的3個典型時間節點，對應的駁船裝載工況見表3。

在3個典型下水時刻提取駁船所受的外載荷，包括導管架反力、靜水載荷和水動力載荷，編制Moses程序進行駁船總縱強度評估。剪力和彎矩計算結果見圖5、6。

表3 三個典型裝載工況

圖5 下水過程中剪力計算結果

圖6 下水過程中彎矩計算結果

為考慮不同的壓載方案對下水過程中駁船總縱強度的影響，在總縱受力較大的導管架翻轉時刻選用兩種壓載方案，一種是Moses程序自動配載，另一種經過人為處理，將壓載水向船中部集中，減小“中拱”效應的影響。對應的總縱強度的計算結果見圖7、8。

圖7 不同壓載方案下剪力計算結果

圖8 不同壓載方案下彎矩計算結果

3 結論

1)從導管架開始滑動到即將翻轉，駁船剪力和彎矩的持續增大，最大值出現在導管架翻轉時刻，此時駁船艏部已經出水，縱傾基本達到最大值，導管架重量集中在船艉搖臂銷軸上。此后導管架開始翻轉，作用在駁船上的反力持續減小，直至最后于駁船完全分離。

2)在下水分析中假定駁船為剛體，不同的壓載方案不影響導管架下水的計算結果。但是壓載水布置對駁船的總縱強度計算結果影響很大，船艏出水縱傾持續增加會“放大”這種影響。從圖8中可以看出，最大的彎矩計算結果兩者相差接近25%，大型導管架下水前優化壓載方案以減小駁船的總縱受力是很有必要的。

3)下水時駁船的初始浮態，導管架在駁船上的初始位置等因素都會影響整個下水過程進而對駁船的總縱受力產生影響。除此之外，船體的總縱強度僅是下水分析中的一個關鍵因素，進行參數化設計綜合考慮下水過程中的導管架的強度、穩性、搖臂上的反力及船艉最大吃水等各個方面是設計的基本原則。

［1］余建星，譚振東，田 佳.導管架下水參數計算程序設計［J］.大連理工大學學報，2007，25(1):9-14.

［2］張廣發，李鐵驪，紀卓尚，等.深水導管架下水扶正過程定量風險分析［J］.海洋工程，2004，44(3):416-420.