不同浪向下防噴器下放過程中導引繩系統的動力學響應

張大朋，嚴 謹，趙博文，王自發

1.廣東海洋大學海洋工程學院，廣東湛江 524088

2.浙江大學海洋學院，浙江舟山 316021

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300456

防噴器（Blow Out Preventer） 又可被簡稱為BOP。在現有的研究成果中，張躍峰等人論述了防噴器控制裝置在海洋油氣開發中的重要作用并展望了其研發與應用前景[1]；趙欣欣等人對防噴器在位運行時的溫度場進行了仿真，得到了防噴器不同位置的溫度場分布情況[2]；顧和元等人對防噴器控制系統的可靠性進行了研究，通過實驗驗證了該裝置的安全性與可靠性[3]。綜合以上研究發現，當前對防噴器下放過程的分析較少。

張大朋等人分析了特定海況下防噴器下放過程的動力學特性，但對于環境載荷的變化考慮不足，且沒有對導引繩在防噴器下放過程的能量傳遞特性進行研究[4]。海洋環境的改變，尤其是浪向的改變對于導引繩系統的動態響應有著非常重要的影響，而國內外對于浪向改變時導引繩的動態響應研究較少。為了保證不同浪向下防噴器在下落過程中的安全，有必要對不同浪向下限制引導防噴器下落的導引繩系統的動力學特性進行進一步研究與分析，并對防噴器下放過程中導引繩上的能量傳遞情況進行分析。針對這種情況，本文結合防噴器下放的具體過程，建立了不同浪向下防噴器下放過程中導引繩系統的動力學分析模型。通過對計算結果的歸納總結，得到了一些不同浪向下對于防噴器下放過程有價值的結論以及導引繩在防噴器下放過程中受到的碰撞能量在導引繩上的傳遞情況，對于合理選擇防噴器作業海況、保證防噴器的安全下放、對導引繩相關參數的合理設置、進一步延長導引繩在位運行的壽命以及減緩導引繩所受到的疲勞損傷都有著一定的指導意義。

1 在OrcaFlex中防噴器與導引繩水動力特性的計算原理

導引繩屬于典型的海洋撓性構件，對于導引繩采用凝集質量法進行建模，把導引繩視為有限個微段，每個微段的質量和流體作用力等均凝集在使用線性或非線性彈簧連接的節點上。被離散為凝集質量模型的導引繩，由若干個分段和節點組成，其中分段為連續、無質量的，節點處于各分段終點處且集中了兩個相鄰分段各一半的質量，力和力矩都作用于節點上[5-13]。關于凝集質量法的詳細推導情況，筆者在文獻[14]及專著[15]進行了詳細的推導，這里不再展開。防噴器在OrcaFlex中可以被看做是6自由度的Spar浮標，通過將相關的水動力特性參數及幾何尺寸賦予Spar浮標后即可對防噴器的水動力特性進行計算。

2 在OrcaFlex中防噴器下放過程中導引繩系統動態模型的建立

在低海況下，鉆井船的波浪載荷響應依據其位移RAO進行計算。防噴器下放過程中導引繩系統模型如圖1所示，在防噴器下放過程中，由于外在水動力載荷的作用，防噴器會發生平動與轉動，依據其外在幾何尺寸對防噴器進行建模，將防噴器水動力參數賦予6D浮標，以便在仿真過程中盡量保持外在水動力載荷對防噴器響應的真實性。具體幾何參數及防噴器水動力參數以及具體參數設置可參見文獻[4]。

圖1 防噴器下放過程示意

具體海況為：水深為234 m，海床類型為平坦海床，海水密度為1 025 kg/m3。根據參考文獻[16]中得出的結論可知，依據斯托克斯五階波的計算理論計算出的結果更加保守，可以提高實際工程的安全裕度。因此，波浪的類型選擇斯托克斯五階波，波高為4 m，周期為8 s。波浪方向為0°～90°，每隔15°取一個浪向。

3 計算結果

3.1 不同浪向下防噴器下放速度的變化 （見圖2）

觀察圖2發現，浪向的改變主要影響的是防噴器在初始下放階段的下放合速度V。進一步觀察圖2中的分速度曲線發現：浪向的改變對于防噴器下放過程中在水平方向的兩個分速度Vx和Vy的影響較大，也正是這兩個方向上分速度的改變導致了防噴器下放合速度的改變，且這種影響也是在防噴器下放的初始階段較為明顯；但浪向的改變對防噴器下放過程中垂直方向的分速度Vz的影響不大，不同浪向下防噴器垂直方向的分速度Vz的時域曲線高度重合。

對于防噴器水平方向的兩個分速度Vx和Vy來說，發生最大速度波動時的浪向是不同的。對于Vx來說，在浪向為30°時其速度在初始階段波動最大；但對于Vy來說，在浪向為60°時其速度在初始階段波動最大。這也告訴我們，當浪向變化的范圍為0°～90°時，在防噴器下放的過程中，存在著兩個傾斜浪向會對防噴器下放的水平方向的兩個分速度影響較大，會導致在下放初始階段防噴器水平方向分速度過大。因此，在實際工程實踐中，應通過合理調節平臺與波浪的相對位置盡量避開這兩個浪向以進行防噴器的下放作業，從而提高海上施工作業的安全裕度。換言之，浪向的改變通過影響防噴器在水平方向的運動速度進而影響防噴器下放的總的平動速度。

3.2 不同浪向下導引繩張力的變化 （見圖3）

圖3 不同浪向下導引繩的張力變化

觀察圖3可以發現：隨著浪向的改變，導引繩系統承受的有效張力T的分布情況發生了明顯的變化；不同浪向下，導引繩系統承受的最大有效張力在導引繩2和導引繩3之間交替變換；不同浪向下，導引繩系統承受的最小有效張力在導引繩1和導引繩4之間交替變換。且進一步觀察可發現：在15°～75°浪向下，導引繩1和導引繩4承受的有效張力在每一個時間步上基本相差不大；在0°和90°浪向下，導引繩1和導引繩4承受的有效張力在每一個時間步上會有較為明顯的差別。在0°～90°的浪向區間范圍內，對于整個導引繩系統承受的最大有效張力而言：當浪向為0°和90°時，導引繩系統中承受最大有效張力的導引繩為導引繩2；當浪向為15°～75°時，導引繩系統中承受最大有效張力的導引繩為導引繩3。

各個導引繩的有效張力在初始階段發生小幅度急劇變化后迅速穩定，達到穩定后在時域上周期性波動，且各個導引繩的張力波動周期相同、變化步調一致，不存在相位滯后。這種張力周期波動的相同性與步調的一致性有助于提高整個撓性系統的協調性與穩定性，可以保證防噴器以相對較為垂直的姿態平穩下放到海底。

3.3 不同浪向下導引繩接觸碰撞力的變化 （見圖4）

圖4 不同浪向下導引繩接觸碰撞力的變化

觀察圖4可以發現，隨著浪向的變化，對于導引繩系統中的某一根導引繩來說，沿導引繩長度方向其承受的最大接觸碰撞力的曲線是不同的。這說明浪向發生改變對導引繩承受的接觸碰撞力影響是比較大的。觀察最大接觸碰撞力沿某一導引繩長度方向的分布情況發現：沿導引繩長度方向自上而下承受的最大接觸碰撞力是不同的，且越靠近頂端導引繩承受的最大接觸碰撞力越大；不同浪向下，均存在最大碰撞力為0的區域，這些區域一般情況下（90°浪向除外）是沿導引繩長度方向不連續的離散分布；而當浪向為90°時，各個導引繩在25～230 m長度范圍內的最大接觸碰撞力均為0，這說明在90°浪向下，當防噴器脫離頂端入水后，4個接觸環與各個導引繩幾乎均未發生碰撞或接觸，防噴器沿著導引繩系統光順下滑至海底。

接觸碰撞力的標準差大小反映了接觸碰撞力在時域上波動起伏的劇烈程度，接觸碰撞力標準差越大，則碰撞的程度越急劇猛烈。觀察導引繩接觸碰撞力標準差沿導引繩長度方向的分布情況可發現，導引繩接觸碰撞力標準差大的部位與最大接觸碰撞力的分布區域存在大幅度重合，這說明導引繩接觸碰撞力較大的區域也是導引繩與防噴器的接觸環碰撞較為急劇猛烈的區域。

結合防噴器下放速度及接觸碰撞力計算結果可知，90°浪向是防噴器下放的最佳浪向。

3.4 不同浪向下導引繩與接觸環碰撞能量的變化（見圖5）

圖5 不同浪向下導引繩與接觸環碰撞能量的變化

結合圖4再觀察圖5發現：不同浪向下，導引繩與接觸環發生碰撞時，碰撞能量的最大值都集中在導引繩的接觸碰撞力最大值所在區域，這說明導引繩的接觸碰撞能量與其承受的碰撞形式密切相關。浪向的變化不僅會導致導引繩承受的碰撞力的大小發生變化，也會導致導引繩的接觸碰撞能量發生變化。這是由于導引繩在某一節點承受的碰撞力的大小直接影響其速度大小，而碰撞速度所導致的節點動能是碰撞能量最主要的表現形式。由此可見，碰撞能量的大小也反映了導引繩碰撞后各個節點的碰撞動能分布情況。因為接觸碰撞能量比較小，故而導引繩各個節點碰撞后的動能是比較小的，所以導引繩與接觸環碰撞所導致的導引繩的運動速度是非常小的，這也是符合工程經驗的。如果碰撞導致導引繩發生較大速度的平動運動和抖動，那么防噴器是無法順利下放的。

3.5 不同浪向下導引繩曲率的變化 （見圖6）

圖6 不同浪向下導引繩曲率的變化

由于導引繩為撓性構件，如果發生局部彎曲過大，對于防噴器的下放會起到阻礙作用，因此要避免防噴器下放過程中導引繩局部彎曲過大的情況出現。觀察圖6發現，不同浪向下各個導引繩的曲率沿長度方向的數值數量級均很小（10-5），因此不同浪向下各個導引繩的彎曲半徑的數量級為105，這說明不同浪向下各個導引繩自上而下各個部位幾乎均未發生彎曲，可以認為各個導引繩整體上處于豎直的狀態，這對于防噴器的下放是有利的。

對比觀察圖4與圖6發現，導引繩曲率較大的部位也是導引繩受到碰撞力較大的部位，這說明導引繩與防噴器接觸環之間的碰撞導致了導引繩小幅度彎曲的發生。

4 結論

浪向的改變對于導引繩系統的動力學響應有著非常顯著的影響。

（1）浪向的改變通過影響防噴器在水平方向的運動速度進而影響防噴器下放的總的平動速度，存在著兩個傾斜浪向會對防噴器下放的水平方向的兩個分速度影響較大的浪向，這會導致在下放初始階段防噴器水平方向分速度過大。

（2）在工程實踐中，應通過合理調節平臺與波浪的相對位置盡量避開這兩個浪向以進行防噴器的下放作業，從而提高海上施工作業的安全裕度。

（3）各個導引繩的張力周期波動的相同性與步調的一致性有助于提高整個撓性系統的協調性與穩定性，可以保證防噴器以相對較為垂直的姿態平穩下放到海底。

（4）存在一個影響防噴器下放速度及導引繩碰撞接觸力的最佳浪向。在實際工程實踐中，可找到這一浪向并加以利用，可大大提高施工的經濟效益，延長裝置使用周期。

（5）浪向的改變會導致導引繩受到的接觸碰撞力的大小及分布區域發生改變，而接觸碰撞力的改變會直接影響到導引繩各個節點的碰撞速度以及導引繩不同位置的彎曲情況。