物探船多纜作業(yè)阻力預(yù)報及推進冗余評價

翟慧杰ZHAI Hui-jie

（中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451）

0 引言

海洋拖纜地震勘探是目前海洋油氣勘探過程中應(yīng)用最為廣泛的方法[1]。物探船尾部拖帶電纜、空氣槍、擴展器、水鳥等多個設(shè)備，通過空氣槍發(fā)出震波，經(jīng)過海底地層反射由拖帶電纜接收，從而獲得地震資料用于油氣資源的識別。為了獲得大面積高效的地震資料，通常采用三維地震勘探拖纜采集技術(shù)，三維地震勘探作業(yè)對船舶的推進系統(tǒng)要求較高，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

①拖帶體量龐大。三維地震勘探作業(yè)拖纜數(shù)量多，國內(nèi)最先進的物探船拖纜數(shù)可達12 根，單根纜長達數(shù)公里，對拖力要求高。

②作業(yè)工況多變。根據(jù)作業(yè)技術(shù)要求設(shè)計船舶航速、拖帶的電纜數(shù)、纜長和纜間距等方案，不同的作業(yè)配置方案對拖力要求不同。

因此，在進行拖帶纜數(shù)較多、風險較高的復(fù)雜工況作業(yè)時，有必要在作業(yè)前根據(jù)拖帶配置對航行阻力進行預(yù)報，同時還要對推進冗余進行評估，以滿足規(guī)范及作業(yè)的要求。

1 阻力計算方法

物探船在水中航行需克服較大的阻力，主要包括船體阻力和拖帶阻力兩大部分，拖帶阻力是拖曳系統(tǒng)特有的，根據(jù)拖曳系統(tǒng)的類型可分為拖纜阻力和拖體阻力。拖纜主要包括工作電纜、用于連接船舶和電纜的前導(dǎo)纜、用于連接擴展器的主、輔拖帶繩，用于連接船舶和空氣槍的炮纜及用于電纜間連接的擴展繩等，拖體主要包括擴展器、空氣槍、頭標、尾標、水鳥等，如圖1 所示，物探作業(yè)拖曳系統(tǒng)大部分都位于水面以下，因此主要計算水流引起的阻力。

圖1 物探船拖曳系統(tǒng)

1.1 拖纜阻力計算公式

對于拖曳系統(tǒng)中的纜索類構(gòu)件，包括前導(dǎo)纜、主拖帶繩、纜間擴展繩等，其拖纜阻力計算公式[2]如下。

式中，F(xiàn)x、Fy、Fz分別為纜索單元在x、y、z 方向上受到的阻力；p 為瞬時入水比例；ρ 為海水密度，vn為纜索與水流的相對速度矢量，vx、vy分別為vn在x、y 方向上的分量，vz為纜索與水流在z 方向上的相對速度分量；Cdx、Cdy、Cdz分別為x、y、z 方向上的阻力系數(shù)；Dn為纜索徑向直徑，Da為纜索軸向直徑；L 為纜索單元長度。

作業(yè)過程中，等浮的電纜位于水面以下某一固定深度，沿船舶航行方向延伸并保持直線狀態(tài)，在計算沿船長方向的拖纜阻力時，不考慮纜索彎矩、扭矩及慣性力等因素的影響，單根拖纜的阻力計算公式可簡化為以下形式[3]。

式中，F(xiàn) 為單根纜索的阻力，ρw為海水密度，D 為纜索直徑，L 為纜索長度，Vt為纜索切向的相對速度，Ct為纜索的切向阻力系數(shù)。

纜索的切向阻力系數(shù)Ct主要根據(jù)經(jīng)驗公式計算[4]，該公式適用于光滑圓柱體受軸向流作用的情況，即僅考慮光滑電纜不考慮其附屬設(shè)備時可采用該公式計算的系數(shù)；

式中，ReL為與纜長有關(guān)的切向雷諾數(shù)，單位長度的切向雷諾數(shù)公式如下：

式中，η 為海水的動力粘性系數(shù)。

對于電纜來說，可以將以往作業(yè)中前彈段（連接于電纜前端）處測得的拉力值近似為電纜整體阻力，并按阻力公式逆推切向阻力系數(shù)。根據(jù)該方法獲得的切向阻力系數(shù)是將電纜及電纜上的附屬設(shè)備，包括水鳥、浮魚等考慮在內(nèi)的。

纜索的法向阻力系數(shù)Cn在沒有可用的試驗數(shù)據(jù)時，可以參考典型纜索的阻力系數(shù)取值[5，6]，如表1 所示。一般纜間擴展繩為減阻型纜，配有導(dǎo)流罩，前導(dǎo)纜和主拖帶繩上配有減震須。

表1 纜索的阻力系數(shù)

1.2 拖體阻力計算公式

在地震勘探拖曳系統(tǒng)中，主要的拖體為擴展器和浮魚。對于擴展器浮筒及浮魚來說，受到的阻力由下式[2]計算：

式中，fDx、fDy、fDz分別為拖體在x、y、z 方向上的阻力；ρ為海水密度，vn為拖體與水流的相對速度矢量，vx、vy分別為vn在x、y 方向上的分量，vz為拖體與水流在z 方向上的相對速度分量；An為垂向拖曳面積，Aa為軸向拖曳面積，為拖體垂向阻力系數(shù)，為拖體軸向阻力系數(shù)。

擴展器由上部圓柱形浮體和下部多個機翼型葉片組成。作業(yè)時，兩個擴展器對稱布置在電纜陣列的兩側(cè)，由主、輔拖帶纜牽拉，并與船舶航行方向形成一定的夾角，水流流經(jīng)葉片產(chǎn)生升力，形成將電纜陣列擴展一定間距的擴力，擴展器的傾斜角度越大，擴力越大，同時也伴隨著阻力。擴展器的擴力和阻力可以根據(jù)作業(yè)設(shè)計的傾斜角度從產(chǎn)品手冊中查到相應(yīng)的擴力和阻力值。

1.3 拖力計算方法

對于多纜的物探作業(yè)來說，逐個纜索及拖體的阻力計算較為繁瑣，尤其是前導(dǎo)纜這種水平及垂向投影均為彎曲形狀的纜索，并每根前導(dǎo)纜的阻力均不一樣，因此，采用OrcaFlex 軟件進行整體建模計算，某12 纜物探船的拖曳模型（對稱顯示一半）如圖2 所示。由于工作電纜長達幾公里，為簡化計算采用上述提到的方法計算每根電纜的阻力，并將阻力施加在電纜前端點連接處，方向沿船舶航行反方向；擴展器的阻力和擴力根據(jù)前述公式計算之后，施加在主、輔拖帶繩的交點處，阻力方向與船舶航行方向相反，擴力垂直于航行方向并向外兩側(cè)對稱施加。

圖2 物探船拖曳計算模型

根據(jù)各構(gòu)件的尺寸及材料屬性進行建模，按要求的航速計算與船連接處各纜索，包括前導(dǎo)纜、炮纜和主拖帶繩前端點沿船縱向水平方向的力，將力的大小累加作為總的拖力。分別計算得到正常作業(yè)工況航速下對應(yīng)的拖力和發(fā)生故障并損失一半動力工況下航速對應(yīng)的拖力。

2 推進冗余評價

船舶阻力根據(jù)船模拖曳試驗結(jié)果換算成實船阻力獲得。船舶的推進系統(tǒng)提供的有效推力為船舶阻力與總的拖力之和[7]。將有效推力與航速相乘換算成有效功率。根據(jù)有效功率與推進效率和軸系效率的比值計算得到螺旋槳的收到功率及主機需要發(fā)出功率。

物探作業(yè)過程中，推進功率的大幅降低不僅會因為航速降低導(dǎo)致電纜下沉，此外，對于多纜物探船，航速降低還會引起擴展力不足，擴展間距縮小，嚴重的會引起纜索纏繞。以某12 纜物探船為例，該船采用柴油電力推進系統(tǒng)，配備4 臺柴油機，各驅(qū)動一臺發(fā)電機，采可調(diào)螺距螺旋槳，在拖航狀態(tài)通常采用較小的螺距，單個主機額定功率為4200kW，校核用到的主機發(fā)出功率的限值為額定功率的80%。

如圖3 所示，該船配備兩個主配電板，1 號6.6KV 配電板連接1&2 號發(fā)電機，2 號配電板連接3&4 號發(fā)電機，二者之間通過斷路器互聯(lián)，該斷路器在冗余推進操作時是閉合的。其中，1 號配電板負載有：1 號主推變壓器、1 號日用變壓器、1 號物探變壓器，艏側(cè)推；2 號配電板負載有：2號主推變壓器、2 號日用變壓器、2&3 號物探變壓器、全回轉(zhuǎn)推進器啟動器。參考該船失效模式及影響分析報告，最嚴重的工況是失去一段母排，或者兩個發(fā)電機，或者一組推進器，此時用于推進的動力喪失50%。根據(jù)DNV 規(guī)范[8]要求，船舶在發(fā)生任何單個故障之后仍能有50%的推進功率及輔助系統(tǒng)可以使用，剩余的推進能力能夠確保船舶在足夠安全的條件下航行一段時間。對于物探船來說，一般要求在作業(yè)過程中應(yīng)能夠保持至少3 節(jié)的航速。

圖3 冗余推進簡化示意圖

根據(jù)1 號和2 號主配電板上的日用配電負荷、物探及輔助設(shè)備負荷，以及主機發(fā)出功率限值推出各配電板可用于推進的最大功率。推進冗余功率為最大可用推進功率與推進功率消耗值之差，根據(jù)推進冗余功率的正負來判斷是否滿足規(guī)范及作業(yè)要求。

計算物探船12 纜，纜長6.45km，纜間距100m 電纜配置下正常作業(yè)工況（航速4.5 節(jié)）和推進故障工況（航速3節(jié)）下的推進冗余結(jié)果，其中，推進故障工況考慮配電板1和配電板2 分別關(guān)閉的情況，配電板1 和配電板2 的日用負載分別為600kW 和400kW，配電板1 和配電板2 的物探及輔助設(shè)備負載分別700kW 和300kW。計算結(jié)果如表2 所示，表中數(shù)據(jù)與作業(yè)時電氣監(jiān)控系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)相符。

表2 推進冗余計算結(jié)果

3 結(jié)語

通過本文介紹的方法可以實現(xiàn)物探作業(yè)阻力的預(yù)報和推進冗余的評估，根據(jù)計算結(jié)果可以有效預(yù)判主機功率的分配情況，為降低作業(yè)風險提供了參考。根據(jù)拖曳系統(tǒng)阻力與推進冗余的相反關(guān)系，降低阻力是提高冗余增加安全性的重要手段。因此，選用阻力系數(shù)較低的纜索導(dǎo)流裝置的選用，并且定期清理電纜上的海生物都是降低拖曳系統(tǒng)阻力的有效手段。