深水Spar平臺組塊吊裝過程動力響應(yīng)研究

趙晶瑞，謝 彬，王世圣，粟 京

(中海油研究總院，北京 100028)

0 引 言

Spar平臺運(yùn)動性能良好，具備鉆井功能并可干式采油，是深遠(yuǎn)海油氣田開發(fā)的重要裝備。由于平臺吃水深，無法在船塢或碼頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)上部組塊與船體合攏，因此在建造完成后，平臺船體用半潛駁船運(yùn)輸至目標(biāo)油氣田附近遮蔽海域，經(jīng)浮卸、扶正之后臨時(shí)系泊就位；而上部組塊則由運(yùn)輸駁船運(yùn)至同一地點(diǎn)；最后由浮吊完成吊裝合攏，如圖1所示。Spar平臺的上部組塊設(shè)有銷孔，平臺船體上設(shè)有支墩及導(dǎo)向銷，在吊裝過程中，導(dǎo)向銷首先插入銷孔，以約束上部組塊和船體之間的相對水平向運(yùn)動，之后組塊繼續(xù)下放，直至全部重量傳遞至支墩上，此時(shí)吊繩繼續(xù)釋放直至松弛完成吊裝作業(yè)，如圖2所示。

相對于陸上或碼頭作業(yè)，海上吊裝由于無法避免Spar船體及浮吊在環(huán)境載荷作用下產(chǎn)生的運(yùn)動，下放過程中導(dǎo)向銷、支墩與上部組塊之間、吊線內(nèi)部均可能出現(xiàn)動態(tài)或沖擊載荷，危及局部結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行有針對性的模擬分析，所采取的步驟包括：

1）給予一個(gè)初始的環(huán)境條件與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，通過模擬獲得組塊、船體以及之間連接體在吊裝過程中可能承受的最極端載荷，以確定整體系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)；

圖1 Spar平臺吊裝作業(yè)Fig.1 Lifting installation for a Spar platform

圖2 接觸位置局部示意圖Fig.2 Local schematic diagram at touch location

2）根據(jù)上一步計(jì)算結(jié)果，對最薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加強(qiáng)，或修改安裝方案并降低安裝工況環(huán)境載荷強(qiáng)度，直至滿足安裝要求。

由于Spar平臺組塊安裝風(fēng)險(xiǎn)高、重要性強(qiáng)，需動用多種船舶資源協(xié)同完成，是整體工程最關(guān)鍵的一環(huán)，歷來受到工程界高度重視。目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界的研究主要集中于總體安裝方案的安全性評估[1–6]，但針對吊裝過程中多浮體之間耦合響應(yīng)，特別是接觸過程的模擬研究還較少，無法透徹了解該過程中系統(tǒng)整體的力學(xué)特性和相關(guān)因素的敏感性，與實(shí)際需求存在差距。為此本文以1座Spar平臺組塊吊裝過程為研究對象，建立了Spar平臺組塊吊裝整體分析模型，模擬了在實(shí)際海況下平臺、浮吊船體、組塊以及之間連接系統(tǒng)吊裝過程的動力響應(yīng)，分析了不同因素對響應(yīng)結(jié)果的影響，從而初步形成了吊裝過程模擬技術(shù)，希望能夠?yàn)榻窈蟾∈狡脚_安裝提供借鑒與參考。

1 吊裝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 船體與組塊

1.1.1 Spar平臺

選用1座深水Truss Spar為研究對象，該平臺由1個(gè)圓柱體硬艙、2層垂蕩板、1個(gè)方形軟艙及桁架式結(jié)構(gòu)所組成。其中硬艙直徑36.0 m，垂蕩板為方形，寬度40.0 m，厚度2.0 m，平臺總型深210.0 m，安裝工況吃水200.0 m，排水量110 000.0 t。

1.1.2 浮吊安裝船

浮吊船長200.0 m、船寬40.0 m、型深10.0 m、吃水5.0 m、排水量37 000.0 t，吊機(jī)位于船尾，最大提吊高度100.0 m。

1.1.3 組塊

組塊的重量為2 000.0 t，尺度為30.0 m×30.0 m×10.0 m。

1.2 連接系統(tǒng)

1.2.1 吊線

采用4根直徑為80 mm的螺旋鋼纖維芯鋼纜作為貨物吊線，纜繩的破斷載荷為8 090 kN，貨物吊線的下端分別與組塊的4個(gè)提吊點(diǎn)相連接，上端與吊鉤相連接；采用1根160 mm的螺旋鋼芯鋼纜作為吊鉤吊線，破斷載荷為26 594 kN，吊鉤吊線的上端與吊機(jī)相連并可伸縮，下端與吊鉤相連，在安裝過程中，為保證吊物重心與吊鉤在同一鉛垂線上，對于吊裝線長度有嚴(yán)格的精度要求，通常要求誤差小于2.5‰。在靜平衡狀態(tài)下，每根貨物吊線軸向拉力為532 t，吊鉤吊線軸向拉力為2 000 t。

1.2.2 支墩與導(dǎo)向銷

Spar平臺頂部設(shè)有4個(gè)支墩，與組塊下端的4個(gè)支撐點(diǎn)相對應(yīng)，其中組塊下端支撐點(diǎn)為純鋼體，不考慮其軸向變形，而平臺頂部支墩則采用壓縮彈簧模擬，彈簧原長為0.5 m，軸向剛度為2 000 t/m，單個(gè)支墩能承受的最大載荷約為800 t，其所承受的靜態(tài)載荷約為500 t。每個(gè)支墩的旁邊設(shè)有導(dǎo)向銷與銷孔，在模型中采用水平彈簧模擬，彈簧的原長為0.0 m，軸向剛度為200 t/m，能承受的最大載荷約為100 t。

1.2.3 臨時(shí)系泊系統(tǒng)

原輔料采購入庫起始于采購中心的采購訂單，倉儲依據(jù)采購訂單核對入庫物料的品種、規(guī)格及數(shù)量進(jìn)行核對，而質(zhì)檢科及三級站按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對入庫物料進(jìn)行質(zhì)量抽檢，兩方面檢查通過后即可完成入庫。

Spar平臺與浮吊均采用4點(diǎn)分布式懸鏈線系泊實(shí)施臨時(shí)定位，系泊纜為鋼芯鋼纜，直徑為105 mm，破斷拉力為10 622.7 kN，鋼纜重量為58.7 kg/m。

1.3 耦合模型

建立初始時(shí)刻起重船、組塊、Spar平臺船體、系泊系統(tǒng)以及之間連接體的耦合分析模型如圖3所示。

2 吊裝過程時(shí)域模擬

2.1 環(huán)境條件

Spar平臺擬進(jìn)行吊裝的遮蔽海域水深為300 m，環(huán)境條件為有義波高Hs為2.0 m，譜峰周期Tp為7.0 s，流速Vcurrent為0.5 m/s，風(fēng)速10.0 m/s。其中環(huán)境載荷方向?yàn)轱L(fēng)浪流同向，并沿浮吊船首方向入射。

圖3 Spar平臺吊裝耦合分析模型Fig.3 Coupled model for module lifting of a Spar platform

2.2 結(jié)果分析

假設(shè)吊機(jī)釋放吊繩的速度為0.2 m/s，最大（自吊鉤釋放）長度為50 m。

圖4為吊鉤吊線長度隨時(shí)間歷程。圖5為支墩垂向載荷時(shí)間歷程。圖6為導(dǎo)向銷水平載荷時(shí)間歷程。圖7為貨物吊線與吊機(jī)吊線軸向張力時(shí)間歷程。

圖5與圖7反映了支墩與吊線載荷的變化，即在組塊與支墩接觸之前，支墩垂向載荷為0，此時(shí)浮吊受環(huán)境載荷作用，其運(yùn)動傳遞至組塊，導(dǎo)致吊機(jī)吊線載荷上下波動，最大值約為貨物總重的115%，達(dá)到其自身破斷載荷的80%；在組塊與支墩接觸之后，支墩載荷逐漸增大并呈波動規(guī)律。而吊線張力逐漸減小至0。

圖4 吊鉤吊線長度時(shí)間歷程Fig.4 Time history of boom length

圖5 支墩垂向載荷時(shí)間歷程Fig.5 Time history of vertical load for support

圖6 導(dǎo)向銷水平向載荷時(shí)間歷程Fig.6 Time history of horizontal load for guide pipe

圖7 貨物吊線與吊機(jī)吊線軸向張力時(shí)間歷程Fig.7 Time history of axial tension in boom and sling

對于導(dǎo)向銷而言，其水平載荷始終存在，且對于組塊與支墩是否接觸并不敏感，表明當(dāng)導(dǎo)向銷插入銷孔后便會承受水平載荷作用以約束組塊和船體之間的相對水平位移，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，每個(gè)導(dǎo)向銷的水平載荷小于17 t。

圖8 支墩垂向載荷頻譜Fig.8 Spectrum of vertical load for support

圖9 導(dǎo)向銷水平向載荷頻譜Fig.9 Spectrum of horizontal load for guide pipe

圖10 吊機(jī)吊線軸向張力頻譜Fig.10 Spectrum of axial tension in boom

選取其中一個(gè)支墩和對應(yīng)的支點(diǎn)，輸出其垂向相對位置時(shí)間歷程與頻譜如圖11所示。圖11顯示，當(dāng)?shù)跹b作業(yè)開始時(shí)2點(diǎn)之間垂向相對距離約為18 m，當(dāng)?shù)跹b作業(yè)完成后2點(diǎn)之間垂向相對距離已接近于0。

以上計(jì)算分析表明，在初始的環(huán)境與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件下，貨物吊線、吊機(jī)吊線、支墩及導(dǎo)向銷的最大載荷均滿足設(shè)計(jì)要求，其中吊線最大軸向載荷已達(dá)到其自身破斷載荷的87%；支墩動態(tài)載荷約為其靜態(tài)載荷的30%，導(dǎo)向銷載荷的安全裕度較大，僅達(dá)到其許用載荷的17%。

圖11 支墩與對應(yīng)支點(diǎn)相對垂向位置時(shí)間歷程Fig.11 Time history of relative vertical position between support and corresponding touch point

3 敏感性分析

為了了解不同因素對系統(tǒng)整體響應(yīng)的影響，現(xiàn)對吊機(jī)吊線釋放速度、有義波高和譜峰周期進(jìn)行敏感性分析。表1為不同工況列表，表2為對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

表1 敏感性分析對應(yīng)工況列表Tab.1 Load conditions list for sensitivity study

表2的計(jì)算結(jié)果表明：

1）在給定環(huán)境載荷條件下，導(dǎo)向銷水平載荷受組塊下放速度變化的影響很小，而支墩垂向載荷、吊線軸向載荷等均隨組塊下放速度的提升而增加，但增幅并不明顯；

2）在給定組塊下放速度條件下，有義波高的提高將導(dǎo)致導(dǎo)向銷水平載荷的增加，但對吊線軸向載荷、支墩垂向載荷影響較小；隨著譜峰周期的提高，支墩垂向載荷和導(dǎo)向銷水平載荷均會快速上漲，當(dāng)譜峰周期達(dá)到8 s時(shí)，支墩所受到的瞬間垂向載荷最大值將首先超過其自身承載能力。

4 結(jié) 語

本文以Spar平臺組塊吊裝作為研究對象，建立了Spar平臺船體、浮吊船體、組塊及其之間的連接系統(tǒng)耦合分析模型，并通過時(shí)域模擬方法對安裝過程進(jìn)行了安全校核與分析，開展了相關(guān)敏感性分析，得到結(jié)論如下：

1）在給定組塊下放速度與環(huán)境條件下，吊線、支墩、導(dǎo)向銷最大載荷均滿足強(qiáng)度要求，其中導(dǎo)向銷強(qiáng)度安全裕度較大，而吊機(jī)吊線軸向載荷、支墩垂向載荷均接近其自身承載能力的80%。

2）當(dāng)組塊下放速度在0.1～0.4 m/s范圍內(nèi)變化時(shí)，導(dǎo)向銷水平載荷、支墩垂向載荷、吊線軸向載荷等受組塊下放速度變化的影響較小。

表2 不同工況計(jì)算結(jié)果表Tab.2 List of calculation results for different load conditions

3）有義波高的提高將導(dǎo)致導(dǎo)向銷水平載荷的增加，但對吊線軸向載荷、支墩垂向載荷影響較小；譜峰周期對支墩垂向載荷和導(dǎo)向銷水平載荷影響較大，特別是對支墩垂向載荷，當(dāng)譜峰周期達(dá)到8 s時(shí)，支墩所受到的瞬間垂向載荷最大值首先超過其自身承載能力。

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