基于模型試驗的海洋核動力平臺定位系統解脫作業關鍵指標分析

郭沖沖，武文華, 2, 3，程叢志，吳國東，曹光明，呂柏呈，羅起航

(1. 大連理工大學 工業裝備與結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學 寧波研究院，浙江 寧波 315000; 3. 大連理工大學 深圳研究院，廣東 深圳 518057; 4. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064; 5. 中國海洋石油有限公司研究總院，北京 100010)

海洋核動力平臺(marine nuclear power platform，簡稱MNPP)是一種海上浮動式核電站，將船舶工程與小型核反應堆有機結合(見圖1)，可對外持續提供電力、淡水等能源保障。海洋核動力平臺(后簡稱平臺)具有機動性能好、一次裝料運行周期長、功率密度大、運行成本低、節能環保等優點，具有廣闊的市場應用前景[1-4]。由于平臺自身并沒有航行動力系統，需要依靠定位系統實現海上長期作業。在復雜海洋環境長期作用下，平臺會進行維修、修護等回塢改造，或根據作業海域的能源配置需求更換作業地點[5]，因此定位系統常規解脫作業是確保平臺長期生產作業的要素。定位系統常規解脫作業作為核動力平臺的一種典型作業方式，屬于綜合性的海洋工程問題，具有難度、風險高的特點。無論是針對平臺的應急處理還是完整性管理，對解脫作業過程的研究都具有重要的工程價值。

圖1 海洋核動力平臺Fig. 1 Marine nuclear power platform

國內海洋工程領域尚沒有浮式核動力平臺的工程應用案例，對于解脫作業安全性的研究主要針對于海上浮式儲卸油裝置(floating production storage and offloading，簡稱FPSO)等海洋油氣開發平臺。目前，海洋石油工程股份有限公司、中海石油(中國)有限公司天津分公司等已多次成功實現了渤海海域FPSO系泊系統的解脫作業?！昂Ｑ笫?12”FPSO于2014年實現了世界首例水下軟剛臂單點系泊系統的解脫[6]。宮學成和秦勇[7]結合“渤海長青號”FPSO解脫工程項目，從現場調研、施工設計等方面介紹了水上軟剛臂系泊系統的解脫過程。田冰等[8]進一步總結了“渤海長青號”FPSO海上解脫作業的成功經驗，并介紹了相關的施工技術和施工方法，為工程管理和技術人員研究FPSO解脫/相關工程提供參考。劉雪宜[9]從水上軟剛臂單點組成、YOKE損壞情況、FPSO限位與浮吊就位、軟管解脫、FPSO解脫拖航、YOKE拆除等方面，介紹“海洋石油102”FPSO在YOKE損壞時的應急解脫作業過程。劉斌[10]闡述了軟剛臂系泊系統在解脫方案制定時應遵循的原則，并為非常規應急解脫提供了幾種方案模型，通過適應性分析為特殊情況下解脫作業提供參考。劉雪宜等[11]以“渤海友誼號”FPSO為例，論述了解脫作業的方案設計、施工準備以及海上施工流程，同時針對冬季作業窗口的選擇以及通航安全評估進行了介紹。孫丕松等[12]針對孤立塔柱式單點系泊系統的特點，通過準備工作和解脫流程對該類系泊系統的解脫作業進行了研究。呂子鵬[13]介紹了泰國灣FPSO的服役情況，并討論了其海上解脫、拆除及拖航方法。

以上研究主要以海洋平臺FPSO的解脫工程項目為背景，從項目施工、作業設計、作業流程和作業管理等方面進行介紹論述。同時國內外關于淺水軟剛臂式單點系統解脫作業指標的研究較少，但有一些學者針對深水內轉塔式單點系泊解脫作業中的設計分析方案和關鍵因素進行了研究，對于核動力平臺解脫作業具有一定借鑒意義。如Luo和Wang[14]提出了深水油田開發中可解脫式FPSO的概念，重點介紹了解脫式FPSO的關鍵技術和工程分析，同時對永久式FPSO和可解脫式FPSO的優缺點進行了評估。劉亮等[15]介紹了可解脫式FPSO的解脫方式及解脫系統，針對解脫過程進行時域模擬及相關因素的敏感性分析，結合計算得到的關鍵因素進行了浮子的優化設計。桂龍等[16]以淺水單點系泊裝置水下定位系統維修解脫為背景，計算了在拖輪限位狀態下FPSO的運動與限位纜繩張力。

可以看出，雖然國內已經實施了多次FPSO的解脫、拖航作業，形成了較為完整的施工方案。但是，海洋核動力平臺定位系統的解脫作業是否可行尚待驗證。同時解脫作業各階段潛在風險的研究還十分有限，解脫環節中關鍵力學指標仍偏重于指揮人員的工程經驗，對于完整解脫過程關鍵力學指標的量化仍需深入研究。由于解脫過程具有復雜、分階段及非線性的特點，屬于綜合性的作業問題，理論和數值方法均存在一定局限性，無法模擬作業階段的轉變情況。而模型試驗能預測尚未建造出來的核動力平臺定位系統的性能，探索其解脫過程的關鍵指標，同時通過嚴格控制定位系統的主要參數而不受外界條件和自然條件的限制，進而更加有效地反映真實定位系統的解脫過程。

本文梳理了海洋核動力平臺解脫作業流程，建立了解脫作業故障樹模型，基于故障事件風險傳遞路徑提出了定位系統解脫作業關鍵指標；采用1∶9縮尺比模型試驗方法對解脫作業流程進行模擬，驗證了海洋核動力平臺解脫作業的可行性；結合試驗模擬結果，對解脫作業關鍵指標，包括提升纜繩在限位狀態與解脫作業時的張力響應、法蘭解脫時系泊腿下部萬向節振動響應、系泊剛臂下放姿態等進行了分析，研究結果為定位系統解脫作業的設計與分析提供依據，對于核動力平臺未來的解脫作業具有重要的參考價值。

1 解脫作業流程及關鍵風險指標分析

我國海洋核動力平臺采用船型浮體方案[17]，由水上軟剛臂單點系泊系統(soft yoke single point mooring system，簡稱SYMS)實現平臺的系泊定位。海洋核動力平臺定位系統的結構主要包括：系泊支架、左右系泊腿、系泊剛臂(YOKE)、單點轉塔以及船體支撐結構，如圖2所示。

圖2 定位系統結構形式Fig. 2 Structure of positioning system

定位系統的海上解脫作業具有工程量大、流程復雜、施工周期長、技術要求高等特點。借鑒國內海洋石油平臺解脫作業的成功案例，并在此基礎上開展解脫作業流程優化和規范化分析，在滿足解脫作業窗口條件下，給出核動力平臺定位系統解脫作業的流程為：1) 在左、右系泊腿上下滑輪之間穿掛提升纜；2)在船艏與YOKE接頭之間預布主系泊纜；3)在船艏與YOKE左、右剛臂之間預布交叉纜，如圖3(a)所示；4)艉部拖輪就位，見圖3(b)；5)YOKE壓載艙壓載液排放，見圖3(c)；6)提升纜收緊，拆除YOKE與系泊腿連接法蘭的螺栓；7)釋放提升纜，核動力平臺后退，如圖3(d)，3(e)所示；8)解除所有工作纜繩，核動力平臺在艉部拖輪的拖帶下離開現場，見圖3(f)。

圖3 核動力平臺解脫作業流程示意Fig. 3 Schematic flow of MNPP disconnection operation

定位系統解脫作業中的主系泊纜、交叉纜以及船艉拖輪主要起到平臺限位作用。收緊各纜繩至一定的張力，可以保持平臺定位；與此同時，主系泊纜、交叉纜可以替代定位系統起到臨時系泊功能，保證整個解脫過程的定位安全。提升纜是解脫作業的關鍵，通過提升YOKE使系泊腿處于松弛狀態，同時系泊腿下部萬向鉸接頭處的法蘭螺栓不再受力，YOKE的重力全部轉移至提升纜繩上。拆除法蘭螺栓后，基本實現了定位系統的物理解脫，同步釋放所有纜繩下放YOKE完成定位系統解脫。基于上述解脫流程梳理可知，定位系統解脫作業中關鍵階段可以劃分為：纜繩拴掛準備、提升纜預緊、拆除法蘭螺栓、釋放提升纜下放YOKE、解脫完成。整體的作業流程見圖4。

圖4 定位系統解脫作業流程Fig. 4 MNPP disconnect operation flow chart

由于定位系統解脫作業工程量大、作業設備較多以及作業環境復雜，通過解脫作業流程分析并結合作業案例調查、專家走訪，建立了解脫作業故障樹，如圖5所示，其中編碼及對應故障事件見表1。基于解脫作業故障樹的風險傳遞路徑可以看出，解脫作業各階段纜繩的受力狀態、法蘭脫離的振動響應和YOKE的姿態變化等都是關鍵風險作業指標，直接關系到解脫作業的安全?；诠こ探涷灥膫鹘y解脫方法往往缺乏對這些指標的關注，尤其是針對于提升纜繩失效造成解脫失敗的危害考慮不足。

圖5 定位系統解脫作業故障樹Fig. 5 MNPP disconnect operation fault tree

表1 定位系統解脫作業故障事件Tab. 1 Fault events of MNPP disconnection operation

2 定位系統解脫作業模型試驗

2.1 試驗設施

利用MG6-12EP六自由度電動運動平臺開展定位系統解脫試驗。電動六自由度運動系統主要由電動缸、上平臺、控制柜、氣懸浮系統和外部接口等部分組成，如圖6(a)所示。運動平臺(見圖6(b))的功能是支撐負載和驅動負載運動，包括上平臺、6個電動缸、3個懸浮氣彈簧、地基以及上下鉸鏈。上平臺根據負載安裝要求預留機械接口；6個電動缸通過協同改變活塞桿伸出長度控制上平臺的空間位置和姿態；氣懸浮系統的活塞桿隨著上平臺的運動作被動運動并輸出向上的抬升力。整體運動系統中位高度為3 607 mm，設計荷載不小于120 kN，可用于模擬船舶在航行中因操縱、裝載不平衡和風浪等原因引起的縱向、橫向搖擺的工況。

圖6 六自由度電動平臺Fig. 6 6-DOF electric stewart platform

2.2 相似準則

海洋工程結構物模型試驗中，原型和模型兩者之間應滿足的相似條件包括幾何相似、運動相似和動力相似[18]。一般而言，開展以研究海洋結構物在風、浪、流下的運動和受力為目的的模型試驗，應遵循Froude 相似和Strouhal相似準則，即重力相似和慣性力相似[19]。定位系統的解脫模型試驗也不例外，并且本試驗研究目的在于探索解脫作業過程中的關鍵指標變化，重點關注系泊結構的運動與動力特性，這就意味著重力和慣性力的作用占主導地位。所以，試驗中各項物理參數的設定遵循Froude和Strouhal相似準則進行：

(1)

(2)

其中，V是速度，L是特征線尺度，T是周期，下標m和s分別代表模型和原型。λ是模型和原型間的線性縮尺比，綜合考慮運動平臺尺度和加載能力，確定本次試驗縮尺比λ=1/9，試驗模型主要尺寸如表2所示。

表2 定位系統的主要幾何參數Tab. 2 Geometric parameters of MNPP單位：m

繼而根據幾何縮尺比λ和選定的相似準則，進一步確定其他物理參數詳細的相似比尺關系(見表3)，從而對相關試驗參數及測試結果進行縮尺或還原。

表3 實體與模型各物理量的轉換關系Tab. 3 Physical quantities of transformation relationship between prototype and model

2.3 試驗模型與流程

試驗模型通過部分相似策略對定位系統進行縮尺，利用六自由度平臺模擬核動力平臺船體運動的方式，屬于半物理仿真分析試驗方向。一些學者利用該試驗平臺，開展了多種結果的測試分析。如進行軟剛臂系泊系統關鍵結構的損傷識別研究[20]；開展軟剛臂系泊系統橫向減振設計[21]；設計了用于室內模型試驗的中大比尺托管架模型試驗樣機，利用運動平臺模擬鋪管船運動[22]；采用該試驗平臺進行大型儲液艙的液體晃蕩研究，實現規則和不規則的六自由度運動激勵[23]；同時，在航空航天領域六自由度運動平臺也具有廣泛的應用，如利用自由度運動平臺進行飛行器模擬，從而推動飛行器設計和飛行員訓練[24]。上述研究表明了利用六自由度電動運動平臺來模擬船體運動具有合理性與準確性。文中定位系統采用1∶9的大比尺模型結構(見圖7)，通過改變壓載塊位置和調節壓載水艙的配重，從而調整YOKE模型的重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑，以滿足相似要求。在解脫模擬試驗系統中，YOKE左右剛臂以及鉸接頭處焊接帶纜孔，安裝固定左右交叉纜和主系泊纜；左、右系泊腿下部安裝螺栓法蘭和滑輪組；系泊支架平臺處安裝左右舷絞車與主絞車，實現提升纜和主系泊纜的牽引功能。圖8給出按照定位系統解脫試驗流程的穿掛提升纜、安裝主系泊纜、安裝交叉纜的環節照片。

圖7 定位系統模型實物照片Fig. 7 Model physical diagram of MNPP

圖8 定位系統解脫試驗模擬Fig. 8 MNPP experimental simulation

2.4 數據測試系統

基于關鍵風險作業指標建立了一套解脫模擬的測量系統，對解脫過程中的作業指標實時采集。傳感器類型及作業指標測量見表4。試驗平臺測量系統的傳感器布局見圖9。

表4 測量系統傳感器類型及作業指標Tab. 4 Sensor type and key performance indicators of measurement system

圖9 解脫試驗傳感器測量系統Fig. 9 MNPP experimental sensor measurement system

3 定位系統解脫作業關鍵指標分析

3.1 各階段關鍵指標

在YOKE下放階段，由于主系泊纜與交叉纜的限位作用，YOKE剛臂繞單點頭部做縱搖運動。圖10～12是解脫作業過程YOKE下放角度、YOKE—船體距離和YOKE自身姿態運動狀態的變化情況。由圖10可知，在解脫作業前YOKE的初始姿態約為17.5°，解脫完成時YOKE的最終姿態24.2°，即YOKE由連接狀態到脫離狀態的變化。由圖11可知，從解脫作業開始到結束過程，YOKE—船體距離由初始的250.1 mm增大到640.6 mm。YOKE下放角度與YOKE—船體距離的變化可以準確表征當前的作業階段。由圖12可知，YOKE下放從293.3 s處開始，下放作業持續時間110.9 s，YOKE的下放速率穩定在0.0617°/s，YOKE—船體距離的變化速率為3.7 mm/s。可以發現，YOKE解脫下放速率變化關系著作業安全與作業效率，基于試驗模擬分析的量化指標能夠為實際作業提供參考，避免過度依靠工程經驗。

圖10 YOKE下放角度時程曲線Fig. 10 Time-history diagram of YOKE angle

圖11 YOKE—船體距離時程曲線Fig. 11 YOKE-ship displacement time-history diagram

圖12 YOKE姿態變化Fig. 12 YOKE attitude variation

基于解脫作業流程可知，在預緊提升纜的作業階段，YOKE姿態雖然沒有發生變化，但定位系統的受力狀態已發生調整。通過提升纜8繩復滑輪組的穿掛設計，錨機絞車的纜繩張力只需承擔被拴掛結構重力的1/8。從圖13纜繩張力的變化情況，可以完整反映定位系統解脫作業的各個階段。由圖13可知，在0～76.5 s，解脫作業處于準備階段，提升纜繩保持松弛狀態，張力情況基本為0；在76.5 s時刻，左右舷錨機絞車開始收緊提升纜，在4.3 s內提升纜繩張力增大到477 N；與此同時，由圖14可知系泊腿的軸力在對應時刻由3 581 N變化為-148.5 N，受力狀態由拉變壓，YOKE的重力完全由系泊腿轉移到提升纜繩上，依靠提升纜、交叉纜以及主系泊纜的臨時系泊系統已經完全替代定位系統的海上定位功能。

圖13 提升纜繩張力變化Fig. 13 Lifting cable tension time-history diagram

圖14 系泊腿軸力變化Fig. 14 Mooring leg force time-history diagram

當提升纜繩完成定位系統的限位作業后，進行法蘭螺栓的拆除作業，從圖13～14中標注可見。在實際工程中螺栓拆除順序滿足對稱拆卸的要求，并結合YOKE壓載液的排放同步進行。在292.4 s時，所有螺栓拆除完畢，釋放提升纜繩下放YOKE，系泊腿與YOKE分離處于不受力狀態，從圖14可知，系泊腿軸力由-148.5 N變為0。在293.3～404.2 s的YOKE下放階段，由于左右舷錨機絞車轉動作業，提升纜繩張力存在周期性的波動，變化幅值約為58.4 N，波動周期約為10.3 s，由于纜繩松動造成的張力峰值達到407.1 N。考慮到提升纜在交變荷載作用下的安全狀態，絞車轉動速率的選取需要進一步關注。圖15可以更直觀呈現提升纜繩張力與系泊腿軸力的對應節點變化情況。

圖15 提升纜繩拉力與系泊腿受力對比Fig. 15 Comparison diagram of lifting cable and mooring leg

圖16給出了解脫作業過程中法蘭螺栓處加速度的曲線。注意到在292.4 s螺栓拆除完畢時，法蘭螺栓處的加速度值仍然基本為0；而在341.6 s，法蘭螺栓處的加速度突變到9.1g。這是由于螺栓拆除完畢，下部萬向節由于法蘭盤之間距離太小無法轉動，在提升纜繩釋放到一定距離之后，法蘭盤可完全分離不受約束，下部萬向節在YOKE處于傾斜狀態由于自身重力而發生轉動，造成法蘭盤撞擊YOKE剛臂現象。因此，由法蘭加速度響應分析表明，在法蘭螺栓拆除完畢后，作業人員應及時遠離下部萬向節的轉動半徑，避免撞擊砸傷帶來的人員作業風險。

圖16 法蘭連接處加速度響應時程Fig. 16 Flange acceleration time-history diagram

3.2 各階段關鍵指標

為了進一步研究平臺運動對于解脫作業的影響，利用六自由度電動運動平臺模擬船體的運動情況，進而分析定位系統解脫的動態作業指標?？紤]到真實作業環境下拖輪及纜繩對平臺的限位作用，試驗模擬中對六自由度電動運動平臺施加垂蕩工況?；谠O計溫和海況下船體垂蕩數據換算得到試驗參數，文中在六自由度運動臺上模擬垂蕩工況，數據為幅值100 mm，頻率0.2 Hz的正弦波。

圖17是在該工況下定位系統各結構的運動姿態，可以看出左右系泊腿和YOKE的x軸數據(橫蕩方向)具有明顯的周期性，是由于船體升沉帶動系泊腿抬高或放低YOKE，定位系統繞YOKE的橫搖—縱搖鉸接頭進行縱搖。定位系統左右系泊腿受力情況如圖18所示，可以看出左右系泊腿的初始軸力約為3 985 N；動態工況下軸力變化趨勢基本一致，幅值變化約為160 N，動力學效果變化4%。

圖17 定位系統姿態變化Fig. 17 YOKE and mooring leg attitude diagram

圖18 左右系泊腿軸力變化Fig. 18 Mooring leg force time-history diagram

同時，提升纜在保持一定張力的情況下，在動態海況作用下的張力變化如圖19所示，左右提升纜的張力變化幅值分別為1.6 N、3.1 N，動力學效果為8.2%、9.7%。分析結果表明，考慮真實海況的船體運動，會顯著增大解脫作業指標的動態效果。同時，對于提升纜繩在滿足靜態加載的強度校核情況下，其在真實海況下動力學因素在10%以內，因此在解脫作業提升纜的選型中，要考慮增加一定的安全余量。

圖19 左右提升纜張力變化Fig. 19 Left/right lifting cable tension time-history diagram

3.3 現場解脫作業指標推算

根據定位系統縮比尺模型和原型結構的系統相似率，可以將試驗計算數據轉換成核動力平臺真實結構在解脫過程的作業指標值。表5給出了平臺實際作業條件下YOKE下放的角速度、纜繩張力和提升纜繩張力幅值等指標，可以為定位系統現場解脫設備選型、作業設計、人員操作安全性提供參考。

表5 作業指標原型推算Tab. 5 Prototype calculation table of key performance indicators

4 結 語

開展了海洋核動力平臺定位系統解脫作業的模型試驗，考慮了各階段作業關鍵指標和動態作業關鍵指標的變化，得出以下結論：

1)在國內FPSO軟剛臂系泊系統解脫經驗的基礎上，給出了海洋核動力平臺定位系統解脫作業流程，建立了定位系統解脫作業故障樹模型。

2)基于故障事件的風險傳遞路徑給出了定位系統解脫作業的風險指標，包括提升纜繩在限位狀態與解脫作業時的張力響應、法蘭解脫時系泊腿下部萬向節振動響應、系泊剛臂下放姿態等。搭建了定位系統1∶9縮尺比模型試驗平臺，模擬了定位系統全流程解脫作業，驗證了海洋核動力平臺定位系統解脫作業流程的可行性與有效性。

3)通過試驗結果分析了風險作業指標，可以準確表征解脫作業的試驗準備、提升纜預緊、拆除法蘭螺栓、釋放提升纜下放YOKE、解脫完成等各個作業階段?？紤]船體動力學因素，基于試驗系統相似準則將風險作業指標推算到真實結構，為定位系統現場解脫設備選型、作業設計提供參考數據，可結合工程經驗指導解脫作業安全高效地實施。