波高及波浪周期對(duì)浮托關(guān)鍵設(shè)備作業(yè)影響的計(jì)算分析

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

中海油于2005年引入浮托技術(shù)，首次在南堡35-2油田實(shí)施組塊浮托安裝[1]，到2019年為止已經(jīng)完成了22個(gè)平臺(tái)組塊浮托安裝，形成了針對(duì)渤海、南海浮托作業(yè)環(huán)境許用標(biāo)準(zhǔn)，即以不同波浪入射方向設(shè)定浮托許用波高，以安裝海域波高周期分布概率確定波浪周期范圍，通過(guò)監(jiān)測(cè)安裝船舶運(yùn)動(dòng)以及設(shè)備作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行浮托作業(yè)決策。

由于浮托安裝作業(yè)對(duì)海洋環(huán)境條件要求較為苛刻[2-3]，因此,在惡劣海域進(jìn)行浮托作業(yè)，需要評(píng)估作業(yè)環(huán)境對(duì)安裝方案影響，確定安裝船舶、安裝設(shè)備能力是否滿足需求。本文以常規(guī)浮托為研究對(duì)象，針對(duì)LMU,DSU和護(hù)舷等浮托安裝關(guān)鍵設(shè)備在不同波高和波浪周期作用下的受力及運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)小范圍增加波高、波浪周期取值大小，以數(shù)值模擬形式對(duì)浮托作業(yè)過(guò)程中各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行頻域及時(shí)域分析，總結(jié)環(huán)境參數(shù)變化對(duì)各個(gè)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)產(chǎn)生的變化規(guī)律，并為后續(xù)施工作業(yè)提供指導(dǎo)。

1 浮托安裝關(guān)鍵設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 腿部對(duì)接裝置

腿部對(duì)接裝置LMU(leg matting unit)主要由錐形接收器、垂向及橫向彈性緩沖裝置、外套筒組成[4]，是傳統(tǒng)高位浮托進(jìn)船及對(duì)接階段較為常見(jiàn)的重要設(shè)備(見(jiàn)圖1)，其功能是在組塊及導(dǎo)管架(或其他下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu))浮托間隙減少的過(guò)程中通過(guò)LMU頂部接收裝置捕捉組塊插尖。這期間需要控制船舶及插尖運(yùn)動(dòng)范圍，避免組塊插尖脫出接收器。LMU尺寸設(shè)計(jì)需考慮對(duì)接運(yùn)動(dòng)幅值及作業(yè)天氣窗口影響[5]。

圖1 組塊對(duì)接裝置LMU功能示意

關(guān)于LMU的設(shè)計(jì)運(yùn)用，基于以下考慮。

LMU在對(duì)接階段組塊載荷傳遞前期可以減少組塊對(duì)接樁腿與到導(dǎo)管架樁腿之間垂向及水平向受力。LMU在對(duì)接階段組塊載荷傳遞中可以保持組塊樁腿與導(dǎo)管架樁腿垂向及水平向的連接靈活性。對(duì)接完成后確保組塊樁腿末端與導(dǎo)管架頂部實(shí)現(xiàn)鋼碰鋼接觸。

1.2 船體護(hù)舷系統(tǒng)

浮托作業(yè)駁船進(jìn)入導(dǎo)管架、就位以及安裝完成后撤離導(dǎo)管架過(guò)程中，為了避免船體與導(dǎo)管架產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞損壞船體設(shè)備，需在船體上安裝護(hù)舷系統(tǒng)。船體護(hù)舷系統(tǒng)分為橫蕩護(hù)舷及縱蕩護(hù)舷，見(jiàn)圖2。橫蕩護(hù)舷主要功能是限制駁船在導(dǎo)管架槽口內(nèi)橫向運(yùn)動(dòng)，防止安裝作業(yè)過(guò)程中駁船對(duì)導(dǎo)管架樁腿內(nèi)側(cè)碰撞過(guò)大造成樁腿損壞和變形[6]；縱蕩護(hù)舷在安裝過(guò)程中起兩方面的作用：①起船限位作用,當(dāng)縱蕩護(hù)舷沿進(jìn)船方向碰到導(dǎo)管架樁腿時(shí),駁船不能繼續(xù)前進(jìn),此時(shí)組塊插尖正好位于導(dǎo)管架樁腿上方,縱蕩護(hù)舷控制插尖運(yùn)動(dòng)位于LMU接收器捕捉半徑范圍內(nèi);②在安裝過(guò)程中防止過(guò)大縱蕩對(duì)LMU碰撞而造成損壞。

圖2 橫蕩護(hù)舷及縱蕩護(hù)舷示意

船艏通常還設(shè)有導(dǎo)向護(hù)舷，見(jiàn)圖3，用于導(dǎo)管架樁腿捕捉駁船，并引導(dǎo)駁船沿著護(hù)舷邊緣進(jìn)入導(dǎo)管架槽口。該部分護(hù)舷能夠有效保證駁船安全平穩(wěn)地進(jìn)入導(dǎo)管架，也對(duì)導(dǎo)管架樁腿起到緩沖保護(hù)作用[7]。

圖3 導(dǎo)向護(hù)舷示意

1.3 組塊支撐裝置

組塊支撐裝置DSU(deck support unit)固定于駁船上(見(jiàn)圖4)，運(yùn)輸時(shí)組塊支撐立柱底部通過(guò)DSU、滑靴或者組塊支撐框架(deck support frame，DSF)與駁船連接，將組塊重量均勻分布至船體。DSU附近加裝臨時(shí)支撐、智能腿等結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

圖4 組塊分離裝置DSU功能示意

DSU根據(jù)緩沖形式分為橡膠型和沙箱型兩種，對(duì)接作業(yè)完成后，組塊重量完全轉(zhuǎn)移至導(dǎo)管架，駁船繼續(xù)加載，上部組塊與駁船上組塊支撐結(jié)構(gòu)之間間隙繼續(xù)增加[8]，直至達(dá)到設(shè)計(jì)間隙值,實(shí)現(xiàn)退船。DSU在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)沙箱或者橡膠件降低組塊與船體分離時(shí)產(chǎn)生碰撞載荷。

2 浮托安裝數(shù)值分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

常規(guī)浮托安裝作業(yè)數(shù)值分析可以拆分為頻域計(jì)算與時(shí)域計(jì)算兩部分，通過(guò)頻域分析船體運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力性能，將頻域計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入時(shí)域模型，計(jì)算得到所需運(yùn)動(dòng)及受力。見(jiàn)圖5。

圖5 浮托安裝數(shù)值分析流程

組塊重量約為12 000 t，布置在T形駁船船體前端，見(jiàn)圖6，總體坐標(biāo)系GCS(定義駁船及錨點(diǎn)位置)原點(diǎn)位于導(dǎo)管架進(jìn)船口外軸中心點(diǎn)，Z向從水線面向上為正。船體坐標(biāo)系BCS(定位LMU、DSU及各個(gè)碰撞點(diǎn)位置)位于船艏基線中點(diǎn)，Z向從基線指向甲板為正。

圖6 坐標(biāo)系及環(huán)境方向定義

常規(guī)浮托將波浪按照作用方向分為橫浪、斜浪及迎浪(或隨浪)，對(duì)應(yīng)的環(huán)境方向見(jiàn)表1。

表1 浮托作業(yè)波浪分類與環(huán)境方向?qū)?yīng)關(guān)系

利用MOSES軟件對(duì)浮托安裝工況進(jìn)行建模，其中進(jìn)船工況護(hù)舷與導(dǎo)管架碰撞位置、對(duì)接工況LMU及DSU模擬為彈簧形式，見(jiàn)圖7。LMU位于導(dǎo)管架頂部，其外緣靠近船體舷側(cè)，DSU位于船體中心線兩側(cè)，連接組塊底部與船體。

圖7 計(jì)算模型示意

2.2 波高變化對(duì)浮托作業(yè)設(shè)備作業(yè)影響

以浮托控制海況橫浪環(huán)境作為研究對(duì)象，放寬橫浪環(huán)境條件，具體環(huán)境參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)工況與研究工況環(huán)境參數(shù)對(duì)比

對(duì)比兩種環(huán)境下浮托作業(yè)概率，見(jiàn)圖8。與常規(guī)工況相比，橫浪許用有義波高從0.5 m增加到0.6 m后，浮托作業(yè)概率增加了5%～7%。

圖8 不同波高下浮托作業(yè)概率對(duì)比

對(duì)比進(jìn)退船階段不同波高下船體護(hù)舷與導(dǎo)管架碰撞力及插尖運(yùn)動(dòng)結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 不同波高下護(hù)舷碰撞力及組塊插尖運(yùn)動(dòng)對(duì)比

浮托作業(yè)橫浪增加0.1 m后，進(jìn)退船護(hù)舷碰撞力增加顯著，尤其退船階段橫蕩護(hù)舷碰撞力增加51.5%，與常規(guī)浮托環(huán)境下導(dǎo)管架設(shè)計(jì)方案相比，增加橫浪許用波高對(duì)導(dǎo)管架建造成本影響較大，同時(shí)也對(duì)橡膠護(hù)舷吸能量有更高需求。

另一方面，波高增大，組塊插尖運(yùn)動(dòng)隨之增大，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮浮托進(jìn)船間隙及LMU捕捉半徑留有余量[9]，避免浮托進(jìn)船時(shí)間隙不夠或?qū)与A段組塊插尖捕捉困難。

2.3 波浪周期變化對(duì)浮托安裝設(shè)備作業(yè)影響

根據(jù)浮托安裝海域波浪周期聯(lián)合分布概率統(tǒng)計(jì)，按照不同有義波高Hs計(jì)算多個(gè)超越概率下譜峰周期值Tp(即該波高下周期低于計(jì)算值的概率為超越概率)，模擬其與波高周期對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖9。

圖9 不同超越概率下的波峰周期

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)浮托周期取值范圍一般對(duì)應(yīng)20%～80%超越概率，本項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)得到浮托作業(yè)波浪許用環(huán)境條件見(jiàn)表4。

表4 浮托安裝波浪許用環(huán)境條件

選取幾組典型進(jìn)退船工況進(jìn)行周期敏感性分析，結(jié)果見(jiàn)表5～7。

表5 橫蕩護(hù)舷碰撞力周期敏感性分析結(jié)果

表6 組塊插尖運(yùn)動(dòng)周期敏感性分析

表7 DSU分離點(diǎn)及船底垂向運(yùn)動(dòng)周期敏感性分析

通過(guò)對(duì)橫蕩護(hù)舷碰撞力、組塊插尖、DSU分離點(diǎn)及船底運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)歷統(tǒng)計(jì)分析，可以推出浮托安裝設(shè)備作業(yè)期間受波浪周期的影響顯著，在同等波高小周期環(huán)境下，橫蕩護(hù)舷碰撞力及浮托對(duì)接設(shè)備運(yùn)動(dòng)都比較小，隨著周期增大，護(hù)舷碰撞力及其他相關(guān)設(shè)備運(yùn)動(dòng)增長(zhǎng)顯著，因此浮托作業(yè)周期也應(yīng)成為項(xiàng)目執(zhí)行的控制因素之一。

3 結(jié)論

浮托安裝海域橫浪條件下，波高小幅增加將導(dǎo)致進(jìn)退船護(hù)舷碰撞力增加顯著，組塊插尖水平向及垂向運(yùn)動(dòng)也隨之增加，相應(yīng)的需要加強(qiáng)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、增加浮托進(jìn)船間隙以及增大LMU捕捉半徑來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境變化對(duì)浮托作業(yè)影響。放寬許用波高可以增加作業(yè)概率，但結(jié)構(gòu)加強(qiáng)將產(chǎn)生額外工程費(fèi)用；若堅(jiān)持按常規(guī)浮托波高進(jìn)行作業(yè)，可能需要增加待機(jī)時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)船隊(duì)待機(jī)費(fèi)用會(huì)增加，建議對(duì)比兩種額外費(fèi)用，找出最優(yōu)施工方案。

浮托海域波浪周期增加后(下限值20%超越概率增加至上限值80%超越概率)，進(jìn)退船護(hù)舷碰撞力增加2倍，組塊插尖、DSU及船底觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)增加3～4倍，計(jì)算結(jié)果表明，波浪周期變化也是影響浮托作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)，浮托護(hù)舷碰撞力、插尖運(yùn)動(dòng)等參數(shù)與周期變化呈正相關(guān)。建議作業(yè)時(shí)除測(cè)量預(yù)報(bào)波高數(shù)據(jù)之外，還應(yīng)預(yù)報(bào)波浪周期值，避免長(zhǎng)周期(涌浪)下進(jìn)行浮托作業(yè)，提前指定應(yīng)急措施，保證施工安全。