楊小龍，楊 輝，劉 波，董曉曼，阮勝福

(海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽300451)

隨著海洋石油開采不斷向深水發(fā)展，固定式平臺的應(yīng)用水深已超過400 m。目前300 m水深以內(nèi)的固定式平臺絕大部分采用樁基式導(dǎo)管架形式。隨著下部基礎(chǔ)的體積和重量越來越大，如何經(jīng)濟(jì)、安全地進(jìn)行下部基礎(chǔ)的安裝成為海洋工程界的熱點問題之一。

導(dǎo)管架的滑移下水是指通過調(diào)整安裝船舶浮態(tài)，使導(dǎo)管架與駁船做相對的滑動或轉(zhuǎn)動，自行運動到脫離駁船，在水中運行一段時間后處于穩(wěn)態(tài)的過程。20世紀(jì)70年代初國外已開始在海上實施導(dǎo)管架的滑移下水，隨后有關(guān)導(dǎo)管架滑移下水的數(shù)值模擬分析和安裝技術(shù)日趨成熟［1］。下水過程中導(dǎo)管架的強(qiáng)度及穩(wěn)性是設(shè)計關(guān)注的重點，但隨著導(dǎo)管架重量增加，目前國內(nèi)采用滑移下水形式安裝的導(dǎo)管架重量已超過3萬t，下水過程中駁船總縱強(qiáng)度破壞成為整個下水安裝過程的危險因素，應(yīng)引起足夠重視。

為科學(xué)地評估下水過程中船舶的強(qiáng)度，進(jìn)行導(dǎo)管架的下水的數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上，提出一種用于計算下水過程中駁船總縱強(qiáng)度的簡化方法，精度可以滿足工程應(yīng)用的要求。

1 計算方法

首先對某18 000 t導(dǎo)管架下水過程進(jìn)行時域數(shù)值模擬，在得到不同時刻船體的各項受力后，結(jié)合駁船浮態(tài)與裝載工況進(jìn)行船體總縱強(qiáng)度評估。下水時域模擬程序在Moses內(nèi)置宏命令的基礎(chǔ)上開發(fā)，導(dǎo)管架和駁船看成是兩個獨立的6自由度剛體。下水過程中導(dǎo)管架上的水動力載荷通過Morison方程計算。對于駁船，選用定常的附加質(zhì)量系數(shù)和線性輻射阻尼系數(shù)計算水動力慣性載荷和粘性載荷。下水環(huán)境條件假定為靜水，這是因為下水過程持續(xù)時間很短，通常在1 min內(nèi)既可完成，環(huán)境力對其影響很小。

研究結(jié)果表明，導(dǎo)管架在下滑過程中與駁船作用力逐漸減小且沒有大的波動［2］，為使評估結(jié)果具有代表性，選取下水過程中三個典型工況:①導(dǎo)管架剛開始滑移，見圖1;②滑移過程中;③導(dǎo)管架開始翻轉(zhuǎn)，見圖2。

圖1 導(dǎo)管架準(zhǔn)備滑移下水

圖2 導(dǎo)管架開始翻轉(zhuǎn)

2 算例

2.1 計算軟件

Moses是一款通用的浮式計算軟件，可進(jìn)行大部分海上施工的數(shù)值模擬，計算結(jié)果有著很高的計算精度，國際上應(yīng)用廣泛。

2.2 設(shè)計參數(shù)

坐標(biāo)系定義見圖3，X軸原點位于船艏，正向由船艏指向船艉，Y軸原點位于船體中線，向右為正，Z軸原點位于船體基線上，向上為正，坐標(biāo)系定義服從右手定則。

圖3 船體坐標(biāo)系

計算下水駁設(shè)計參數(shù)見表1，下水導(dǎo)管架設(shè)計參數(shù)見表2，組塊在駁船上的位置見圖4。

表1 下水駁設(shè)計參數(shù)

表2 運載結(jié)構(gòu)物的設(shè)計參數(shù)

圖4 導(dǎo)管架在駁船上位置(側(cè)視)

2.3 計算結(jié)果

在整個下水過程中選取的3個典型時間節(jié)點，對應(yīng)的駁船裝載工況見表3。

在3個典型下水時刻提取駁船所受的外載荷，包括導(dǎo)管架反力、靜水載荷和水動力載荷，編制Moses程序進(jìn)行駁船總縱強(qiáng)度評估。剪力和彎矩計算結(jié)果見圖5、6。

表3 三個典型裝載工況

圖5 下水過程中剪力計算結(jié)果

圖6 下水過程中彎矩計算結(jié)果

為考慮不同的壓載方案對下水過程中駁船總縱強(qiáng)度的影響，在總縱受力較大的導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時刻選用兩種壓載方案，一種是Moses程序自動配載，另一種經(jīng)過人為處理，將壓載水向船中部集中，減小“中拱”效應(yīng)的影響。對應(yīng)的總縱強(qiáng)度的計算結(jié)果見圖7、8。

圖7 不同壓載方案下剪力計算結(jié)果

圖8 不同壓載方案下彎矩計算結(jié)果

3 結(jié)論

1)從導(dǎo)管架開始滑動到即將翻轉(zhuǎn)，駁船剪力和彎矩的持續(xù)增大，最大值出現(xiàn)在導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時刻，此時駁船艏部已經(jīng)出水，縱傾基本達(dá)到最大值，導(dǎo)管架重量集中在船艉搖臂銷軸上。此后導(dǎo)管架開始翻轉(zhuǎn)，作用在駁船上的反力持續(xù)減小，直至最后于駁船完全分離。

2)在下水分析中假定駁船為剛體，不同的壓載方案不影響導(dǎo)管架下水的計算結(jié)果。但是壓載水布置對駁船的總縱強(qiáng)度計算結(jié)果影響很大，船艏出水縱傾持續(xù)增加會“放大”這種影響。從圖8中可以看出，最大的彎矩計算結(jié)果兩者相差接近25%，大型導(dǎo)管架下水前優(yōu)化壓載方案以減小駁船的總縱受力是很有必要的。

3)下水時駁船的初始浮態(tài)，導(dǎo)管架在駁船上的初始位置等因素都會影響整個下水過程進(jìn)而對駁船的總縱受力產(chǎn)生影響。除此之外，船體的總縱強(qiáng)度僅是下水分析中的一個關(guān)鍵因素，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計綜合考慮下水過程中的導(dǎo)管架的強(qiáng)度、穩(wěn)性、搖臂上的反力及船艉最大吃水等各個方面是設(shè)計的基本原則。

［1］余建星，譚振東，田 佳.導(dǎo)管架下水參數(shù)計算程序設(shè)計［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，2007，25(1):9-14.

［2］張廣發(fā)，李鐵驪，紀(jì)卓尚，等.深水導(dǎo)管架下水扶正過程定量風(fēng)險分析［J］.海洋工程，2004，44(3):416-420.