風浪流載荷下超大型海洋平臺雙船拆解系統運動特性數值模擬

劉永澤，劉夕全，趙鵬飛，呂 濤，任少飛

(1. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 山東海洋藍鯤運營有限公司，山東 濟南 250000；3. 山東海洋工程裝備有限公司，山東 青島 266000)

0 引 言

隨著海洋石油工業的發展，越來越多海洋平臺被應用于海上油氣田的開采生產中，并且海洋平臺向著大型化、綜合化的方向發展。一般海洋平臺的設計壽命為20年左右，未來將有大量超大型海洋平臺因達到使用壽命而需要拆解[1]。雙船拆解系統是目前最新的超大型海洋平臺一體化拆解方法，拆解時一般需要3艘拆解船協同作業，先將海洋平臺與2艘拆解船的舉升臂固定（2艘拆解船與海洋平臺構成雙船拆解系統），之后通過調整壓載水系統將切割后的海洋平臺托起轉運到第3艘運輸船甲板上，從而大幅度提高拆解的效率和作業安全性[2]。

目前，對海洋平臺安裝和拆解開展了較為廣泛的研究。Hu等[3]針對大型海上平臺上部組塊浮托安裝作業問題，基于數值模擬與模型試驗對風浪流耦合載荷下非線性沖擊載荷、作業船運動特性進行了研究。李巍等[4]基于模型試驗研究了風浪流耦合載荷下雙船起重拆解平臺及運輸環節，驗證了雙船拆解協同運輸平臺的可行性。易叢等[5]針對東海海域研究了3條浮托駁船的浮托安裝過程，并重點分析了作業中的進退船及對接問題。昝英飛等[6]研究了浮托安裝時風浪流載荷下駁船與錨鏈之間的時域耦合動力學問題，對駁船的運動和錨鏈頂端拉力進行了分析。王飚等[7]以南海某海洋平臺15 000噸級組塊動力定位浮托安裝為例，分析了浮托安裝過程中的關鍵技術，并對其在東海作業的適用性進行了論證。彭景環[8]基于三維勢流理論對多浮體在波浪上的運動耦合響應進行了研究，并對浮托作業過程中雙駁船耦合的水動力和波浪力進行了預報。

研究雙船海洋平臺拆解系統在風浪流載荷下的運動特性，對于保證拆解作業的可行性和安全性具有極其重要的意義。然而，目前針對雙船海洋平臺拆解系統的研究相對較少，為此本文基于Sesam軟件對雙船拆解系統在風浪流載荷下的運動特性進行分析。首先采用HydroD模塊對雙船拆解系統和單個拆解船進行頻域計算，得到波浪載荷下雙船拆解系統和單個拆解船的運動特性及相關水動力參數，然后將以上計算結果導入Sima模塊，求解雙船拆解系統和單個拆解船在風浪流載荷下的時域運動特性，重點探討了雙船拆解系統與單個拆解船運動差異，并給出了1～3級海況下雙船拆解系統六自由運動短期預報，旨在為雙船起重海洋平臺拆解作業提供一定的數值參考。

1 雙船拆解系統及環境載荷參數

雙船拆解系統由2艘拆解船和待拆解海洋平臺組成，其中拆解船總長200 m，寬45 m，型深16 m，吃水9.5 m，安裝4根舉升臂后總排水量約65 000 t，拆解船配備2套首部側推進器和2套尾部吊艙式全回轉推進器，配合DP-3級動力定位系統可實現作業時精準定位。待拆解海洋平臺長85 m，寬55 m，高71 m，重約20 000 t，待拆解海洋平臺與2艘拆解船組成雙船拆解系統后吃水12 m。

圖1 雙船拆解系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the twin-ship offshore platform dismantling system

海洋平臺拆解作業海域為挪威北海，為保證安全需在3級及以下海況下進行拆解作業。因此，采用1～3級海況參數進行計算，得到雙船拆解系統在風浪流載荷下的最大運動幅值。采用Jonswap譜描述波浪載荷，NPD譜描述風載荷，具體環境載荷參數見表1[9]。

表1 挪威北海環境載荷參數Tab. 1 Environmental load parameters of the Norway North Sea

2 雙船拆解系統運動特性頻域分析

對多浮體結構進行水動力分析時可以將其簡化為浮體間剛性連接[8]，本文將2艘拆解船與海洋平臺簡化為剛性連接的整體。首先在HydroD模塊中對雙船拆解系統整體及單個拆解船進行水動力分析，得到波浪載荷下雙船拆解系統和單個拆解船六自由度運動響應幅值以及運動傳遞函數和附加質量等水動力參數。由于雙船拆解系統水線以下的部分完全對稱，故將浪向角設置為0°～180°，間隔30°，拆解船浪向角設置為0°～360°，間隔30°。根據挪威北海波浪平均周期概率分布[9]，設置雙船拆解系統作業水深為100 m，波浪周期為0.1～1.1 rad/s。

由于將船首朝向風浪加載方向能顯著提高船舶操控性[10]，故重點對150°，180°和210°典型工況下的運動特性進行對比分析，計算結果如圖3所示。可以看出：在多數情況下，雙船拆解系統在波浪載荷下六自由度的運動幅值小于單個拆解船，其中橫搖和首搖減小幅度最大，如圖3（a）～圖3（f）所示；雙船拆解系統垂蕩、橫搖、縱搖及首搖運動幅值隨波浪頻率變化較大，其中首搖運動幅值會隨波浪頻率增大在0.3 rad/s和0.7 rad/s附近出現2個峰值，縱搖運動幅值會在波浪頻率為0.2 rad/s時急劇增大，如圖3（c）～圖3（f）所示。

圖3 波浪載荷下雙船拆解系統和拆解船六自由度運動特性頻域計算結果Fig. 3 The 6-DOF motion characteristics of the twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wave predicted by the frequency domain algorithm

3 雙船拆解系統運動特性時域分析

將頻域計算中得到雙船拆解系統和單個拆解船六自由度運動傳遞函數和附加質量等水動力參數導入至Sima模塊中，對雙船拆解系統和單個拆解船在3級海況、180°風浪流載荷下的運動特性進行10 800 s的時域模擬。由于縱蕩、橫蕩及首搖運動對拆解作業影響最大[10]，故重點對上述3個方向的運動進行分析，計算結果如圖4所示。從圖中可以看出，雙船拆解系統在180°風浪流載荷作用下的橫蕩和首搖運動遠小于單個拆解船，始終接近于0，如圖4（b）和圖4（c）所示。這主要是因為雙船拆解系統結構對稱，當風浪流載荷從180°方向加載時雙船拆解系統橫向的合力和首搖力矩均較小使得運動幅度減小；雙船拆解系統的縱蕩運動幅度較單個拆解船減小了55.5%，如圖4（a）所示。

圖4 雙船拆解系統和拆解船在180°風浪流載荷方向下時運動時歷曲線Fig. 4 The motion-time curves of the twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wind,wave and current load of 180° direction

為進一步探究雙船拆解系統縱蕩運動幅度較單個拆解船大幅減小的原因，對雙船拆解系統和單個拆解船在180°風浪流載荷下的各推進器方位角及推力時歷曲線進行比較發現，雙船耦合時船尾的全回轉推進器方位角始終保持在0°左右，而單船的全回轉推進器方位角則會在-160°～10°之間劇烈波動（見圖5），進而導致雙船耦合后的拆解系統和單船受到的推進器橫向合力差異巨大，如圖6所示。由于單個拆解船安裝4根舉升臂破壞了結構的對稱性使得其在180°風浪流載荷下橫蕩和首搖運動幅度較大，所以其動力定位控制系統需要改變船尾的全回轉推進器的方位角來修正橫蕩及首搖偏差，且船首布置的側推進器無法修正縱蕩方向上的位移偏差，造成單個拆解船的縱蕩運動幅度較大。雙船耦合拆解系統則由于結構對稱，橫蕩和首搖運動幅度小，尾部的全回轉推進器能始終保持在0°附近抵抗縱蕩方向的位移偏差，使雙船耦合拆解系統縱蕩運動幅度較小。

圖5 雙船拆解系統和拆解船在180°風浪流載荷方向下時全回轉推進器方位角時歷曲線Fig. 5 The history-time curves of the thuruster azimuth of the twinship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wind, wave and current load of 180° direction

圖6 雙船拆解系統和拆解船在180°風浪流載荷方向下推進器橫向合力時歷曲線Fig. 6 The history-time curves of the lateral resultant force of the twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under wind, wave and current load of 180° direction

由于海洋平臺拆解作業所需時間較長且挪威北海風浪方向變化較為頻繁[9,11]，故對雙船拆解系統和單個拆解船在0°～360°（間隔30°）風浪流載荷方向下的運動進行數值模擬，對比雙船拆解系統和單個拆解船在不同方向風浪流載荷下的運動差異，計算結果如圖7所示。從圖中可以看出：雙船拆解系統在各方向風浪流載荷下的六自由度運動幅度均小于單個拆解船，如圖7（a）～圖7（f）所示；當風浪流載荷關于X軸對稱時（如圖2所示），雙船拆解系統的在六自由度上的運動也大致對稱，如圖7（a）～圖7（f）所示；雙船拆解平臺在180°風浪流載荷下縱蕩、橫蕩及首搖相比其他載荷方向時運動幅度更小，更適合拆解作業，如圖7（a）、圖7（b）和圖7（f）所示。

圖2 推進器布置及坐標系規定Fig. 2 Propeller arrangement and the definition of coordinate system

圖7 三級海況下雙船拆解系統及拆解船六自由度運動幅度Fig. 7 The 6-DOF amplitude of motion for twin-ship offshore platform dismantling system and dismantling ship under sea conditions of Class 3

雙船拆解系統在1，2級海況下六自由度運動短期預報如圖8所示。從圖中可以看出，多數情況下雙船拆解系統在1級海況下的運動幅度小于2級海況時，如圖8（a）～圖8（f）所示。但是，當風浪流載荷方向為90°和270°時雙船拆解系統在1級海況下的垂蕩和縱搖運動大于2級海況時，這主要是因為1，2級海況在有義波高有差別的同時對應的波浪頻率也不同，且雙船拆解系統由于水下部分為雙體結構，在不同頻率波浪載荷下的運動響應幅值有較大差別（見圖3），從而造成雙船拆解系統在更低等級海況下運動幅度更大，如圖8（c）和圖8（f）所示。

圖8 1，2級海況下雙船拆解系統六自由度運動幅度短期預報Fig. 8 The short-term prediction of 6-DOF amplitude of motion for twin-ship offshore platform dismantling system under sea conditions of Class 1 and 2

4 結 語

本文以超大型海洋平臺雙船拆解系統為研究對象，對其進行頻域分析后得到波浪載荷下無動力雙船拆解系統運動特性，在此基礎上進行時域分析研究了動力定位下雙船拆解系統在風浪流載荷下的運動特性，重點對比了雙船拆解系統與耦合前單個拆解船運動特性的差異，并給出雙船拆解系統在1，2，3級海況下運動幅度短期預報。研究結果表明：

1）雙船拆解系統在波浪載荷下運動響應普遍小于單個拆解船，由于雙船拆解系統結構對稱，其在風浪流載荷下橫搖及首搖運動遠小于單個拆解船，橫搖和首搖擾動減小后大部分推力可用來修正縱蕩和橫蕩偏移，從而使雙船拆解系統在風浪流載荷下六自由度運動均小于單個拆解船。

2）由于雙拆拆解系統水下為雙體結構，雙船拆解系統的垂蕩、縱搖和首搖運動對波浪頻率變化更加敏感，造成雙船拆解系統在某些有義波高較小海況下垂蕩、縱搖及首搖運動幅度反而更大，作業時在考慮有義波高的同時不能忽略波浪頻率的影響。

3）雙船拆解系統在180°的風浪流載荷下縱蕩、橫蕩及首搖運動幅度相對其他載荷方向時較小，為保證安全應盡量使船首朝向風浪流加載方向進行作業。