300 m水深級深水導管架拖航分析方法

張艷芳,趙佳寧,黃懷州,王亮,袁玉杰

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

海上平臺分為固定式平臺和浮式平臺兩大類。固定式海上平臺井口數量多,井口壓力大,工程投資少,運營成本低,被認為是水深500 m以淺最為經濟的油氣資源開發方式。浮式平臺適用于500～3 000 m深水海上油氣資源開發,深水開發能力強,可移動性強,安全穩定 。但對于300～500 m水深的油氣資源開發,浮式平臺受限于生產成本和效率,固定式平臺受限于深水技術能力,一直以來都是我國深海油氣資源開發的空白區與挑戰區[1]。原因在于,根據常規導管架的設計規范,300 m水深的導管架重量要達到4萬t以上[2],而目前國內最大的可入水駁船海洋石油229最大下水能力僅有3萬t,無法滿足實際條件。同時,在拖航過程中巨大的重量和剛度不僅會帶來諸如裝船強度要求高,也會帶來在位動力荷載增大等一系列問題[3]。因此,如何優化深水導管架結構算法成為亟待解決的問題。本文以拖航算法為例,對比兩種高度、重量差異巨大的導管架,利用MOSES和SCAS軟件對其在相同拖航工況下進行拖航分析,對拖航工況的算法進行優化,使其更貼合工程實際,滿足300 m水深級導管架拖航設計需求。

1 拖航參數

兩型導管架的拖航模型見圖1。100 m水深的常規導管架設計高度140 m,重量為12 500 t,結構形式為8腿12裙樁。300 m水深級深水導管架設計高度345 m,重量為36 500 t,結構形式為4腿(4下水腿)16裙樁。兩型導管架拖航路徑均位于南海東部開敞海域,該海域有效波高為4.7 m,譜峰周期11.69 s,拖航風速22.68 m/s。拖航駁船為 “海洋石油229”,駁船型深14.5 m,長度為215 m,最大入水深度22.5 m。

圖1 導管架拖航結構模型

2 剛性船體法與計算結果

以DNVGL-ST-N001規范為依據的常規導管架拖航分析方法是以假設拖航駁船為剛性作為設計前提的[4],也稱為剛性船體法。方法針對T型駁船,采用三維勢流理論計算作用在船體上的波浪荷載,使用頻域分析方法計算導管架重心處的運動位移幅值和加速度幅值的1/1 000最大值,考慮迎浪、隨浪、橫浪和斜浪8個來浪方向[5]。通過SACS軟件將運動產生的慣性力荷載、導管架自重、風荷載聯合作用在導管架結構模型上。最后對導管架重心處6個自由度的拖航運動荷載幅值進行組合,以考慮不同自由度運動的相位差。

剛性船體法計算結果見圖2。

圖2 剛性船體法導管架結構應力結果

在相同邊界條件下,100 m水深級常規導管架對于剛性船體有良好的適應性,結構整體應力分布均勻,主傳力路徑集中在下水桁架結構和與桁架結構相連的水平層結構上,整體應力水平比較低,見圖2a)。300 m水深級深水導管架拖航工況整體結構應力水平雖不高,但出現了相對集中的兩處高應力區域,分別是為外懸結構提供支撐的船艏船艉處的下水桁架以及相鄰桿件結構上,見圖2b)。以上位置桿件出現較多超應力的原因:受現有船舶資源限制,對于300 m水深級導管架結構無法全部置于駁船之上,船艏船艉以外存在大量的外懸結構,其僅靠一端支撐的結構特點決定其在駁船運動時受慣性荷載影響很大[6],同時大尺度也帶來了整體結構變形較大;此外,假定的剛性船體與導管架變形匹配性的差異產生了較高的位移荷載。

對于100 m水深級的常規導管架整體尺度較小,剛度大,長度小于駁船型長,下水桁架整體位于駁船滑道上,拖航過程中的產生的變形較小,且沿船長方向整體位移比較平均。因此,剛性船體法可適用于設計高度100 m左右的導管架拖航分析。然而,對于300 m水深級導管架,若采用剛性船體法結構柔性的增加會導致導管架整體變形增加,產生極大的變形荷載。因此,傳統設計方法已無法滿足300 m水深級導管架的設計需要,需對分析計算法進行優化。

3 柔性船體法與計算結果

基于波浪載荷計算中的切片理論,即船體在運動時會產生沿船體方向疊加的流體作用力,船舶在流體的作用力影響下產生6個自由度的加速度幅值,從而使導管架產生慣性荷載,同時考慮導管架對船體剛度的貢獻,對二者進行運動耦合分析,通過迭代計算可得到相對準確的船體變形。分別考慮靜水、中垂、中拱三種工況[7-8];對于靜水工況不考慮風、波、流的影響,可模擬導管架裝船完成平穩狀態下船體的初始變形;中垂、中拱工況則可模擬出駁船航行狀態下船體的最大凸起或凹陷的變形。模擬結果見圖3a),對于300 m水深級導管架在假設船艏、船艉為位移0點的前提下;靜水中船體變形整體為正值,最大變形出現在船中位置,由船中向艏艉兩側線性減小;中拱變形整體趨勢與靜水變形相近,位移值約為靜水變形的1.5倍;中垂變形趨勢與中拱變形相反,整體變形均為負值,變形絕對值與中拱變形相當。

圖3 船體變形和支反力分布

靜水工況下,導管架和駁船聯合體僅受自重影響,因此靜水變形僅考慮聯合體自重荷載,從而得到導管架平穩狀態下的初始結構受力。拖航離港前需在導管架與駁船間焊接裝船固定,使二者牢牢固定在一起,在拖航過程中受風、波、流荷載作用,船體和導管架聯合體此時會在初始變形的基礎上產生進一步的變形。因此,中垂、中拱變形會與運動產生的慣性力荷載共同作用,從而得到導管架拖航運動過程中的運動結構受力。優化后的算法改變了常規算法中剛性船體的假設,充分考慮了船體柔性產生的變形,因此可稱為柔性船體法。

導管架下水桁架支反力可較為直觀的反應導管架拖航期間的受力狀態。由圖3b)可以看出,對于不同模擬方法,導管架受到的駁船的支反力相差較大,剛性船體產生支反力最大,且反力分布差異明顯,也可證明300 m水深級導管架對于剛性船體法并不適用;而柔性船體所產生的支反力較剛性船體減少超過15%,支反力分布也更為均衡。

由柔性船體法分析得出的導管架應力見圖4,可以看到在相同的邊界條件下,高應力比桿件數量明顯減少,且無超應力桿件。導管架整體應力水平更為均衡,高應力桿件集中出現的區域應力下降約30%。

圖4 柔性船體法導管架結構應力結果

此外,為了直觀展示導管架的變形及趨勢,對比剛性船體法與柔性船體法的變形趨勢見圖5,剛性船體法在剛性船體擠壓下船艏、艉以外導管架懸臂部分結構產生了明顯的凸增變形,有分析認為常規高強鋼材的彈性極限約為0.15%,超出彈性極限則會發生不可逆的永久變形即塑性變形[9]。然而通過優化算法,用柔性船體分析方法進行模擬,導管架的變形趨勢更為平緩,船艏、船艉的導管架變形平順,無明顯的塑性變形痕跡。因此,考慮柔性船體的算法優化對300 m水深級導管架的拖航分析更為適用。

圖5 剛性船體與柔性船體導管架拖航分析位移對比

4 結論

1)剛性船體法適用于100 m水深級導管架的拖航模擬,不適用于300 m水深的導管架拖航模擬。

2)考慮拖航過程中船體變形的柔性船體法適用于水深300 m水深級導管架拖航模擬。