吳寶昌, 趙 林

(重慶舸海機電有限公司， 重慶 400021)

“海洋石油201”深水起重鋪管船動力定位能力分析

吳寶昌, 趙 林

(重慶舸海機電有限公司， 重慶 400021)

深水起重鋪管船是深水油氣資源開發(fā)的重要裝備，其定位系統(tǒng)定位能力是起重鋪管船的關(guān)鍵設(shè)備之一。以我國首艘深水起重鋪管船“海洋石油201”為研究對象，參考相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗公式，計算了船舶在設(shè)計海域受到的環(huán)境載荷，并根據(jù)API規(guī)范的推薦要求，對船舶動力定位系統(tǒng)的定位能力進行了分析。

海洋石油201 起重鋪管船 動力定位系統(tǒng) 定位能力

1 引言

眾所周知，我國陸地和淺海油氣資源開發(fā)已進入中后期。隨著國家深海戰(zhàn)略的大力實施，我國深海油氣資源開發(fā)裝備迎來了空前的發(fā)展良機。而作為深海油氣資源開發(fā)裝備隊伍的重要成員，深水起重鋪管船承擔著管道鋪設(shè)，裝備調(diào)運與模塊安裝等油氣資源開發(fā)過程中的關(guān)鍵任務(wù)。我國首艘深水起重鋪管船“海洋石油201”是我國 “五型六船” 深海艦隊中的核心成員，與我國首艘第六代深水半潛平臺“海洋石油981”一起代表了我國海洋工程裝備的最高水平。動力定位系統(tǒng)作為動力定位海工裝備中的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計、制造、安裝與維護均需進行重點考慮?；诖耍疚膶ξ覈姿疑钏鹬劁伖艽昂Ｑ笫?01”動力定位系統(tǒng)的定位能力進行了分析計算。根據(jù)分析結(jié)果本文對該船動力定位系統(tǒng)的定位性能進行了評估。

2 “海洋石油201”主要參數(shù)

“海洋石油201”入級美國船級社(ABS)和中國船級社(CCS)雙重船級，具有每天5 km的鋪管速度和4千t的海上吊裝能力。該深水起重鋪管船作為一艘高技術(shù)船舶，配備了大型海工吊機、深海鋪管設(shè)備以及全電力推進系統(tǒng)等多種先進海工裝備，如圖1所示。

圖1 “海洋石油201”作業(yè)效果圖

“海洋石油201”在進行鋪管作業(yè)時，其動力定位系統(tǒng)滿足DP2級動力定位要求，進行起吊作業(yè)時，其動力定位系統(tǒng)滿足DP3級動力定位要求。該船具有較強的容納能力，能滿足380人的定員要求。同時內(nèi)裝豪華，居住條件優(yōu)越。該船的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 “海洋石油201”主要參數(shù)

3 “海洋石油201”的推進系統(tǒng)

動力定位系統(tǒng)的推進系統(tǒng)是動力定位過程的執(zhí)行者。船舶正是借助于推力系統(tǒng)提供的推力來抵消環(huán)境載荷，從而使得平臺或船舶保持設(shè)定位置和艏向的。推力系統(tǒng)中最重要的部分就是推力器。運用在動力定位中的推力器和船舶推進的推進器有較大不同，動力定位系統(tǒng)中的推進器在推進效率、可靠性以及可維護性等方面都有較高要求。

“海洋石油201”設(shè)計作業(yè)水深達3 000 m，鋪管作業(yè)和起吊作業(yè)對船舶位置要求較高?？紤]到定位的安全性和準確性，該船配備了DP3級動力定位系統(tǒng)。其推進器選用了適合于海工裝備的全電力驅(qū)動全回轉(zhuǎn)推進器。在推進器的布置方面，“海洋石油201”將兩臺功率為4 500 kW的全回轉(zhuǎn)推進器布置在船尾，兼做主推進器。在船中部區(qū)域，該船對稱布置了四臺功率為3 200 kW的伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器，在首部的中部位置布置了1臺伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器。該船的7臺推進器的布置情況如圖2所示。推進器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

圖2 “海洋石油201”推進器布置

全回轉(zhuǎn)推進器伸縮式回轉(zhuǎn)推進器類型定距槳類型定距槳輸入功率4500kW輸入功率3200kW輸入轉(zhuǎn)速0～600r/min輸入轉(zhuǎn)速0～900r/min公稱直徑3600mm公稱直徑3200mm轉(zhuǎn)速181r/min轉(zhuǎn)速192r/min數(shù)量2臺數(shù)量5臺

4 環(huán)境載荷計算

“海洋石油201”的設(shè)計工作海域為除北極之外的任何海域。因此其環(huán)境條件偏于惡劣?？紤]到其工作海域的環(huán)境因素和其工作工況，該船受到的設(shè)計作業(yè)環(huán)境條件如表3所示。

表3 “海洋石油201”作業(yè)環(huán)境條件

表2中的作業(yè)工況指的是鋪管作業(yè)工況。海上起吊作業(yè)對海況要求相對較為嚴格，因此這里只列出相對較為惡劣的鋪管作業(yè)工況和非常惡劣的待機工況下船舶的作業(yè)環(huán)境條件。

4.1 風載荷計算

在處理動力定位等涉及到平臺推進和操作性等方面的問題時，風載荷是一種重要的環(huán)境載荷。本文的風載荷計算參考API規(guī)范推薦的模塊法來進行。計算時，風速為水面以上10 m處的一分鐘平均風速。

參照API規(guī)范，單個構(gòu)件的風載荷的計算式為

式中：Fw為計算的風載荷；Cw為風載荷系數(shù)，參照規(guī)范選??；Cs為構(gòu)件形狀系數(shù)，參照規(guī)范選取；Ch為構(gòu)件高度系數(shù)，參照規(guī)范選??；A為構(gòu)件的垂向投影面積；Vw為風速在投影方向的分量。

載荷系數(shù)的選取根據(jù)船型；高度系數(shù)和形狀系數(shù)的選取參照規(guī)范進行。具體如表4和表5所示。

計算得到單個構(gòu)件的風載荷之后，船舶受到的總風載荷就是各單個構(gòu)件所受風載荷的疊加。

表4 高度系數(shù)選擇

表5 形狀系數(shù)選擇

4.2 流載荷計算

對于平臺結(jié)構(gòu)的流載荷，仍可采用模塊法進行計算。對于“海洋石油201”這種船船形浮式結(jié)構(gòu)，API規(guī)范推薦采用OCIMF討論通過的流載荷估算方法進行計算。該方法是OCIMF通過對15萬～50萬載重t的油輪進行試驗及計算后，得到的經(jīng)驗計算方法。參照該方法，流載荷的計算式如下。

式中：FXc、FYc、MXYc為縱向、橫向力及艏搖力矩；CXc、CYc、CXYc為縱向、橫向力及艏搖力矩系數(shù)；ρ為流體密度；Vc為流速；LBP為船長；T為吃水。

橫向、縱向力和艏搖力矩系數(shù)是一組與受載方向和船型相關(guān)的系數(shù)。它們的選取參照OCIMF發(fā)布的相關(guān)文件。

4.3 波浪載荷計算

作用在船舶上的波浪載荷包含低頻分量和波頻分量。對于動力定位來說，計及波頻波浪載荷是無意義的，只需要考慮造成平臺飄移的低頻波浪載荷。目前對低頻波浪載荷的計算理論主要有基于物體表面積分的近場理論、基于動量和能力守恒的遠場理論和基于斯托克斯定理和高斯理論的中場理論。以上幾種理論計算方法依賴于數(shù)值計算工具。

Daidola根據(jù)前人的研究成果，認為不規(guī)則波可看作是各種頻率的規(guī)則波疊加，計算得到單個規(guī)則波的波浪載荷后，可按疊加得到不規(guī)則波的低頻波浪力和力矩。他總結(jié)了以下低頻波浪力的計算公式。

關(guān)于低頻波浪力載荷系數(shù)，根據(jù)前人進行的船模試驗結(jié)果，可得到以下的計算公式。

式中：ρ為海水密度；L為船長；a為單個規(guī)則波波幅；χ為迎浪角；λ為單個規(guī)則波波長。

5 定位能力分析

在對動力定位船舶設(shè)計方案進行評估分析時，動力定位系統(tǒng)的定位能力分析評估是必須要進行的。目前，各船級社都擬定了對動力定位能力進行評判的標準，例如挪威船級社的環(huán)境規(guī)則指數(shù)、英國勞氏船級社的PCR指數(shù)以及API推薦的動力定位能力曲線等。運用較多的定位能力分析工具主要是動力定位能力曲線。

動力定位能力曲線是一條極坐標系下從0°～360°的包絡(luò)線。包絡(luò)線的半徑方向的坐標表示平臺動力定位系統(tǒng)的定位能力。表示定位能力的指標目前用得較多的主要是兩種。第一種是定位系統(tǒng)完成定位時能抵抗的極限環(huán)境載荷，一般來說以風速作為評判標準；第二種是在特定的環(huán)境條件下推力系統(tǒng)推力器的推力占最大推力的百分比(即推力器使用率)。本文采用API推薦的推力器的使用率作為評判標準?？紤]到環(huán)境載荷各種組合的復(fù)雜性，計算時假定風載荷、流載荷以及波浪載荷作用于同一方向。

5.1 計算流程

在進行平臺動力定位系統(tǒng)定位能力曲線計算時，需遵照一定流程進行，如圖3所示。

圖3 定位能力分析流程

分析時，首先輸入計算工況下的環(huán)境條件參數(shù)，然后設(shè)定一個初始的計算角度并按照選定的環(huán)境載荷計算方法分別計算風載荷、流載荷和低頻波浪載荷。在得到各環(huán)境載荷后將其疊加得到總的環(huán)境載荷，然后將得到的總環(huán)境載荷輸入到推力計算與分配算法當中，得到各個推力器的推力，最后再將推力器推力與推力器最大推力相比得到推力使用率。得到推力使用率之后，按照一定的步長，增加環(huán)境載荷的方向，進入到下一個循環(huán)當中，直到各個方向上的推力使用率均計算完畢。

5.2 分析結(jié)果

“海洋石油201”深水起重鋪管船在進行海上吊裝作業(yè)時，要求作業(yè)環(huán)境為較低級別海況。在較低級別海況下，風、波浪以及海流等環(huán)境因素對船舶的影響相對較小?？梢灶A(yù)見，在相對低級別海況下，船舶動力定位系統(tǒng)要完成定位相對較容易。因此本文主要對作業(yè)環(huán)境相對較為惡劣的鋪管作業(yè)工況和待機工況下的定位能力進行分析。由于鋪管作業(yè)時，平臺需滿足DP2級動力定位的要求，因此本文計算了在鋪管作業(yè)工況下推力系統(tǒng)完好和不同位置的單個推進器失效時的定位能力?！昂Ｑ笫?01”還要求在表3所列的待機工況所對應(yīng)的海況下，在150°～210°的環(huán)境載荷方向作用下，定位系統(tǒng)能使得船舶保持位置和艏向。因此本文還計算了待機工況下的定位能力。

圖4 鋪管作業(yè)工況推力系統(tǒng)完好

圖5 鋪管作業(yè)工況1號推進器失效

圖6 鋪管作業(yè)工況3號推進器失效

圖7 鋪管作業(yè)工況5號推進器失效

圖8 鋪管作業(yè)工況7號推進器失效

圖9 待機工況推力系統(tǒng)完好

鋪管作業(yè)工況下推力系統(tǒng)完好時的定位能力曲線如圖4所示。該工況下單個推進器失效時的定位能力曲線如圖5～圖8所示。待機工況下推力系統(tǒng)完好時的定位能力曲線如圖9所示。

在以上各個工況下，動力定位能力曲線中的推力器使用率為各個推力器的平均使用率。從計算結(jié)果可以看出，在推力系統(tǒng)完好時，在鋪管作業(yè)工況下，系統(tǒng)推進器的平均最大使用率為61%；單個推進器的最大使用率為68%。在鋪管作業(yè)工況下，在有單個推進器失效時，系統(tǒng)推進器的平均最大使用率明顯增加，達到了72%。不同位置的單個推進器失效對應(yīng)的推力器平均使用率的差異較小，兼做主推進器的尾部推進器失效對船舶的定位能力影響更為明顯。

從計算結(jié)果還可以看出，在環(huán)境條件非常惡劣的待機工況下，要抵抗各個環(huán)境載荷所需要的推力已經(jīng)超過了船舶推力系統(tǒng)所能提供的最大推力。在大多數(shù)角度，船舶定位系統(tǒng)已經(jīng)無法完成定位。但在“海洋石油201”設(shè)計要求的150°～210°的環(huán)境載荷方向下，系統(tǒng)推力器的最大使用率為95%，船舶仍能勉強完成定位。

6 結(jié)論

本文以我國首艘3 000m深水起重鋪管船“海洋石油201”為研究對象。按照規(guī)范推薦的計算方法和相關(guān)理論公式，計算了船舶在設(shè)計海況下受到的風載荷、流載荷和低頻波浪載荷。在此基礎(chǔ)上，本文以API規(guī)范推薦的推進器的使用率為標準，計算了“海洋石油201”在設(shè)計環(huán)境條件下動力定位系統(tǒng)在各工況下的定位能力?？紤]到DP3級動力定位系統(tǒng)對冗余度的要求，本文計算時也計算了不同位置的單個推進器失效的情況下船舶動力定位系統(tǒng)的定位能力。

從計算結(jié)果可以得知，“海洋石油201”深水起重鋪管船所配備的推力系統(tǒng)在較為惡劣的鋪管作業(yè)工況所對應(yīng)的環(huán)境條件下，能夠產(chǎn)生足夠的推力來抵抗風、浪、流三種環(huán)境載荷，船舶能有效的進行定位。但是在有推進器失效時，其余推進器的推力使用率明顯上升，這會造成各個推進器在較高的工作負荷下運轉(zhuǎn)，從而影響其穩(wěn)定性和使用壽命，應(yīng)盡快修復(fù)。在非常惡劣的待機工況所對應(yīng)的環(huán)境條件下，船舶在大部分環(huán)境載荷作用角度下會失去位置，但在設(shè)計所要求的150°～210°環(huán)境載荷作用角度下仍能完成定位。因此，總體來說，“海洋石油201”深水起重鋪管船的動力定位系統(tǒng)定位性能優(yōu)越，能夠勝任在設(shè)計海域的定位任務(wù)，但在待機工況下需要嚴格監(jiān)測各推力器的推力值，避免長時間的高負荷運行。

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Analysis for Dynamic Positioning Capability of Hai Yang Shi You 201 Deepwater Pipe Lay Crane Vessel

WU Bao-chang, ZHAO Lin

(Chongqing Gehai Mechanical and Electrical Co., Ltd., Chongqing 400021, China)

Deepwater pipe lay crane vessel plays an important role in deepwater exploration of gas and oil, its positioning system is one of the key equipments. Taking Hai Yang Shi You 201 as a research object, relevant specification and empirical formula are referenced, the environmental load of the vessel in design area is calculated, and the positioning ability of its dynamic positioning system is analyzed on the basis of recommendation from API specification.

Hai Yang Shi You 201 Deepwater pipe lay crane vessel Dynamic position-ing system DP capability

吳寶昌(1984-)，男，助理工程師。

U664

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