賈曉麗，愛吉木，劉書海，王 懿，彭 鶴

(中國石油大學(xué)(北京)a.機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；b.安全與海洋工程學(xué)院,北京 102249)

具有水下生產(chǎn)系統(tǒng)的油氣田開發(fā)模式因其節(jié)省費(fèi)用，安全可靠，不受惡劣天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，成為了深海油氣田開發(fā)的主要模式[1-3]。深水油氣田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的很多重要技術(shù)都被國外所壟斷，如何突破這些壟斷，建立有自主產(chǎn)權(quán)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)，成為重要的課題。新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)(如圖1)打破了傳統(tǒng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的全濕式方案，創(chuàng)建了基于深水功能艙的全干式和半干半濕式緊湊型垂直水下布局理念[4]。功能艙在陸上制造完畢后，經(jīng)運(yùn)輸、下放安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，投入生產(chǎn)。功能艙的下放安裝過程的動(dòng)力學(xué)分析是整個(gè)深海油氣田開發(fā)任務(wù)中的重要環(huán)節(jié)[5-6]。

圖1 新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)

功能艙在深海低溫高壓環(huán)境中工作，傳統(tǒng)的下放安裝法，例如鉆桿安裝法及吊機(jī)安裝法不再適用[7-8]。懸垂安裝法是巴西Petrobras公司針對(duì)超深海環(huán)境和較大質(zhì)量設(shè)備的安裝而專門設(shè)計(jì)的一種快捷、簡便的安裝方法，更適用于新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安裝要求[9]。懸垂安裝法流程如圖2所示，在安裝地點(diǎn)，安裝纜索一端與功能艙相連，另一端與安裝船相連。運(yùn)輸船用吊機(jī)將功能艙吊起，行駛一段距離，通過吊機(jī)將功能艙下放至飛濺區(qū)以下的一定深度(通常為50 m)；之后，吊機(jī)施放功能艙，因自身重力作鐘擺運(yùn)動(dòng)至指定海底安裝位置。由于功能艙受到拖曳力以及繩索和浮力模塊的阻尼作用，不會(huì)作往復(fù)鐘擺運(yùn)動(dòng)。本文把懸垂安裝過程分為3個(gè)階段，圖2中1位置是開始階段，2位置是懸垂階段，3位置是穩(wěn)定階段[10-12]。

懸垂安裝法具有成本低、適用深水、避免共振且對(duì)安裝船舶要求較低，施工方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，其安裝過程受力復(fù)雜，必須通過仿真模擬、水池試驗(yàn)或海上模型試驗(yàn)等方法驗(yàn)證，才能進(jìn)一步提高實(shí)際工程安全性和可靠性。Petrobras公司最早采用懸垂安裝法成功將280 t和200 t的管匯安裝到1 845 m和1 900 m水深的位置[13]。隨后，多國研究人員都對(duì)懸垂安裝法進(jìn)行了仿真研究。國內(nèi)學(xué)者利用Fluent等軟件對(duì)懸垂下放法安裝耦合系統(tǒng)進(jìn)行模擬[14-18]。然而，懸垂安裝法的實(shí)際案例仍然較少。

圖2 深海石油生產(chǎn)系統(tǒng)中功能艙的懸垂安裝過程

本文采用ANSYS-AQWA有限元軟件對(duì)懸垂安裝系統(tǒng)進(jìn)行船-纜-功能艙多體建模。因安裝水深不適用拋錨定位，所以采用理想化的動(dòng)力定位進(jìn)行安裝船定位。根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范[19]，設(shè)立模擬海況數(shù)據(jù)作為安裝環(huán)境條件[20]。通過與已發(fā)表文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性，實(shí)現(xiàn)新一代水下生產(chǎn)系統(tǒng)功能艙懸垂安裝過程的多體三維時(shí)域耦合仿真。分析波浪有義波高、功能艙質(zhì)量及功能艙重心高度等參數(shù)對(duì)下放過程中纜索張力、功能艙軌跡和姿態(tài)的影響，并對(duì)本文模型的安全性進(jìn)行初步評(píng)估，研究結(jié)果可對(duì)實(shí)際工程提供一定的理論指導(dǎo)。

1 懸垂安裝系統(tǒng)建模

懸垂安裝系統(tǒng)是由安裝船、纜索、功能艙組成的多體系統(tǒng)[21]。定義船艏柱與基線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，基線沿船艉方向?yàn)閤軸正方向、船體甲板垂直剖面向內(nèi)為y軸正方向、以船艏柱向上為z軸正方向。以Hallin Marine公司所產(chǎn)的工程船為參考設(shè)計(jì)MPV(Multi-Purpose Vessel)船，船體模型的基本參數(shù)如表1所示。通過AQWA-AGS Line Plan編寫AQWA型線文件，實(shí)現(xiàn)安裝船計(jì)算模型的建立，限制安裝船縱、橫蕩及艏搖從而模擬理想化的動(dòng)力定位。編輯并讀取型線文件，以其為基礎(chǔ)建立MPV水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。依據(jù)本文要求，在AGS Line-Plan界面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，建立吃水5.6 m、最大網(wǎng)格單元長度為6 m的水動(dòng)力計(jì)算MPV船模型，如圖3所示。

表1 MPV安裝船基本參數(shù)

圖3 在AQWA AGS Lines-Plan中建立的MPV船模型

因功能艙結(jié)構(gòu)較MPV船簡單，可以使用直接編輯功能艙dat文件的形式建立其幾何網(wǎng)格模型。使用若干TUBE莫里森(Morison)管單元、一個(gè)PMAS質(zhì)量單元和一個(gè)DISC碟形單元建立功能艙艙體結(jié)構(gòu)模型。為了避免因功能艙艏搖轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致仿真輸出數(shù)據(jù)中縱搖轉(zhuǎn)變?yōu)闄M搖，建立由8個(gè)TUBE單元組成的方框固定在模型外側(cè)，限制功能艙艏搖運(yùn)動(dòng)，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。在功能艙dat文件中設(shè)置ZLWL水線位置卡片，并設(shè)置功能艙釋放的初始位置為水面。將dat文件導(dǎo)入經(jīng)典AQWA程序中運(yùn)行，即可在AQWA-AGS Line Plan中獲得功能艙幾何網(wǎng)格模型，如圖4所示。

圖4 功能艙幾何網(wǎng)格模型

纜索建模以編輯dat文件的形式完成。主要思路是使用MOOR卡片，使用COMP命令定義多成分纜，ECAT定義多個(gè)纜索的物理特性，NLID定義纜索在MPV船以及功能艙的連接點(diǎn)，分別連接在安裝船末端以及功能艙頂端。使用LINE定義線彈性繩，使用ECAH命令定義纜索的水動(dòng)力系數(shù)。船-纜-功能艙模型分別完成后均導(dǎo)入經(jīng)典AQWA中運(yùn)行，即可在AQWA-AGS Line Plan中獲得懸垂安裝系統(tǒng)幾何網(wǎng)格模型，如圖5所示。

圖5 懸垂安裝系統(tǒng)幾何網(wǎng)格模型

2 模型驗(yàn)證

使用文獻(xiàn)[22]中參數(shù)，采用上述建模思路進(jìn)行建模驗(yàn)證。文獻(xiàn)[22]中使用PID控制器仿真安裝船動(dòng)力定位。本文模型則將動(dòng)力定位系統(tǒng)理想化。根據(jù)文獻(xiàn)[22]，下放物體參數(shù)、纜索參數(shù)和環(huán)境載荷參數(shù)如表2～4所示，采用JONSWAP波浪譜。

表2 下放物體基本參數(shù)[22]

表3 纜索基本參數(shù)[22]

表4 波浪載荷參數(shù)[22]

使用文獻(xiàn)[22]數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真后得到下放物體沿z軸方向速度-時(shí)間歷程曲線，如圖6所示。由圖6可知，下放物脫離纜索2時(shí)刻，兩者在z方向速度最大誤差為1.4 m/s。在100 s時(shí)，時(shí)間-歷程曲線基本重合。文獻(xiàn)[22]數(shù)據(jù)在550 s后進(jìn)入穩(wěn)定階段，但仍然有震蕩情況產(chǎn)生，而模型仿真數(shù)據(jù)并沒有過大的震蕩產(chǎn)生。分析原因是由于模型將動(dòng)力定位系統(tǒng)理想化導(dǎo)致的。仿真結(jié)果與對(duì)比文獻(xiàn)中下放物z方向速度-時(shí)間歷程曲線變化趨勢基本相同，數(shù)據(jù)基本相符。

圖6 下放物z方向速度-時(shí)間歷程曲線

圖7為下放物縱搖-時(shí)間歷程曲線，仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[22]中下放物縱搖-時(shí)間歷程變化趨勢基本相同，數(shù)據(jù)基本相符。在吊放纜索解脫后，文獻(xiàn)[22]中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較強(qiáng)縱搖震蕩，直至170 s，而模型仿真數(shù)據(jù)中并未出現(xiàn)太大震蕩，原因是本文模型將動(dòng)力定位系統(tǒng)理想化導(dǎo)致的。

圖7 下放物縱搖-時(shí)間歷程曲線

圖8為纜索張力-時(shí)間歷程曲線。本文模型與文獻(xiàn)[22]中纜索張力數(shù)據(jù)變化趨勢基本相同，曲線基本重合，本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[22]數(shù)據(jù)相符。在穩(wěn)定階段，文獻(xiàn)[22]數(shù)據(jù)有一定的震蕩，而本文模型仿真數(shù)據(jù)震蕩不劇烈，原因是本文模型中將動(dòng)力定位系統(tǒng)理想化導(dǎo)致的。

綜上所述，本文模型的動(dòng)力定位理想化模擬對(duì)本模型和文獻(xiàn)[22]之間的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了少量的誤差，但文獻(xiàn)[22]數(shù)據(jù)與模型仿真數(shù)據(jù)基本相符，證明本文的建模方法可行，可以對(duì)功能艙的懸垂安裝過程進(jìn)行仿真。

圖8 纜索張力-時(shí)間歷程曲線

3 數(shù)值模擬仿真

3.1 模型參數(shù)及邊界條件

在確定模型可行性后，使用STRT卡片中的POS命令定義初始位置的設(shè)置，MPV船的重心在整體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(38,0,2)，功能艙起始位置坐標(biāo)為(1 380,0,-51)。計(jì)算步長和步數(shù)分別設(shè)置為0.2 s和7 000次。根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范，設(shè)立模擬海況數(shù)據(jù)作為安裝環(huán)境條件。使用ENVR卡片中的CPRF命令對(duì)剖面流速及方向進(jìn)行設(shè)置，CPRF命令支持對(duì)不同水深對(duì)應(yīng)不同流速和不同流動(dòng)方向的設(shè)置。因理想化了動(dòng)力定位系統(tǒng)，所以不再對(duì)風(fēng)載荷進(jìn)行額外設(shè)置。使用SPEC卡片中SEED命令設(shè)置波浪種子數(shù)，波浪種子是時(shí)域分析下的波浪載荷隨機(jī)性指標(biāo)。使用JONH命令定義JONSWAP波浪譜。波浪載荷參數(shù)如表5所示，海流載荷參數(shù)如表6所示。

表5 波浪載荷參數(shù)

表6 海流速度

使用表7與表8參數(shù)分別確定功能艙和纜索。使用PROP卡片對(duì)仿真輸出內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，PPRV命令設(shè)定輸出的pos文件記錄頻率，PREV命令設(shè)置lis文件中輸出的時(shí)域計(jì)算結(jié)果記錄頻率。

表7 功能艙基本參數(shù)

表8 主纜索基本參數(shù)

3.2 關(guān)鍵參數(shù)影響分析

圖9為懸垂安裝過程不同有義波高下安裝纜索張力-時(shí)間歷程曲線。功能艙質(zhì)量設(shè)置為500 t，波浪有義波高分別設(shè)置為0.5、1.0、2.0 m。

a 全局時(shí)歷曲線 b A處局部時(shí)歷曲線

由圖9a可知，不同有義波高的張力-時(shí)間歷程曲線形狀與變化趨勢基本相同，吊放纜索2解脫后，安裝纜索張力均逐漸增大，500 s時(shí)趨于平穩(wěn)并接近最大值。由圖9b可知，安裝纜索張力曲線的振動(dòng)波幅隨波浪有義波高的增大而增大，纜索張力最大值也隨之增大，分別為1.390×106、1.396×106和1.410×106N。

圖10為不同有義波高下功能艙xz平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡。

a 全局軌跡 b A處放大軌跡 c B處放大軌跡

由圖10a可知，功能艙從坐標(biāo)點(diǎn)(1 380,0,-51)開始下放，做懸垂運(yùn)動(dòng)至指定安裝位置。在不同有義波高下，功能艙下放運(yùn)動(dòng)軌跡形狀基本相同，放大觀察發(fā)現(xiàn)，有義波高的改變對(duì)功能艙懸垂階段的軌跡影響十分微小。圖10b和10c分別為A處和B處的局部放大圖，由圖10c可知，在接近安裝位置的穩(wěn)定階段，在有義波高為2.0 m時(shí)功能艙出現(xiàn)振幅約為0.1 m的垂蕩，而在有義波高為1.0 m及0.5 m時(shí)功能艙的振幅約為0.04 m和0.03 m。造成這一現(xiàn)象的原因是由于波浪影響安裝船垂蕩并通過纜索導(dǎo)致功能艙的垂蕩。隨著有義波高的增大，功能艙在穩(wěn)定階段的垂蕩會(huì)更加劇烈。

圖11為不同有義波高下功能艙縱搖-時(shí)間歷程曲線。

由圖11a可知，在釋放時(shí)功能艙獲得一個(gè)較大的角加速度，并且在短時(shí)間內(nèi)傾斜至最大值，有義波高的改變對(duì)功能艙縱搖-時(shí)間歷程曲線的形狀及整體趨勢影響不大。由圖11b可知，在不同有義波高下縱搖最大絕對(duì)值均為14.40°，且在下放初期有義波高的改變對(duì)功能艙縱搖的影響不大。由圖11c可知，在下放進(jìn)行到中后期至穩(wěn)定階段，隨著有義波高的增大，功能艙縱搖的振幅隨之增大。

a 全局縱搖時(shí)歷曲線 b A處局部縱搖時(shí)歷曲線 c B處局部縱搖時(shí)歷曲線

圖12為不同質(zhì)量的功能艙懸垂下放纜索張力-時(shí)間歷程曲線，波浪有義波高為1 m。

圖12 功能艙質(zhì)量對(duì)纜索張力-時(shí)間歷程曲線的影響

由圖12可知，釋放后安裝纜索張力均逐漸增大，500 s時(shí)接近最大值。功能艙質(zhì)量對(duì)安裝纜索的張力影響較大，安裝纜張力隨功能艙質(zhì)量的增大而增大，纜索最大張力值為1.200×106、1.397×106、1.495×106和1.593×106N，分別對(duì)應(yīng)功能艙質(zhì)量480、500、510和520 t。功能艙質(zhì)量較大時(shí)，在懸垂階段安裝纜索張力-時(shí)間歷程曲線更加陡峭，說明張力變化更加劇烈。以纜索極限斷裂載荷(如表3)除以計(jì)算最大張力，得出纜索安全系數(shù)分別為2.48、2.12、2.00和1.86。

根據(jù)2008年公布的API-RP-2SK標(biāo)準(zhǔn)[26]，懸垂下放纜索最低安全系數(shù)取2.0。由此可知，在本文模型中功能艙的可下放最大參考質(zhì)量為510 t，若下放質(zhì)量更大的功能艙及其他設(shè)備，應(yīng)當(dāng)增加纜索強(qiáng)度。

圖13為不同質(zhì)量的功能艙懸垂下放軌跡。由圖13可知，功能艙質(zhì)量的增加對(duì)其下放整體軌跡形狀影響不大。但是，由于質(zhì)量的增加使得纜索張力增大，導(dǎo)致了較大質(zhì)量功能艙的軌跡更靠外側(cè)。

圖14為不同質(zhì)量的功能艙懸垂下放過程縱搖-時(shí)間歷程曲線。由圖14可知，功能艙縱搖最大值隨其質(zhì)量的增大而增大，其最大絕對(duì)值為13.37、14.40、14.89和15.35°，分別對(duì)應(yīng)功能艙質(zhì)量480、500、510和520 t。

圖13 功能艙質(zhì)量對(duì)其下放軌跡影響

圖14 功能艙質(zhì)量對(duì)其縱搖-時(shí)間歷程曲線的影響

圖15為不同重心高度的功能艙懸垂下放纜索張力-時(shí)間歷程曲線，波浪有義波高為1 m，功能艙質(zhì)量為500 t。

由圖15可知，功能艙重心變化對(duì)安裝纜張力的影響不大，其最大值均為1.397×106N。

a 全局時(shí)歷曲線 b 局部時(shí)歷曲線

圖16為不同重心高度的功能艙懸垂下放軌跡。

圖16 功能艙重心高度對(duì)其下放軌跡影響

由圖16可知，功能艙重心變高對(duì)其下放整體軌跡形狀影響不大，在懸垂階段重心更高的功能艙軌跡曲線更靠外側(cè)。隨著下放的進(jìn)行，軌跡曲線趨于相似，不同功能艙重心高度對(duì)其下放中期及穩(wěn)定階段的軌跡影響不大。

圖17為不同重心高度的功能艙懸垂下放過程縱搖-時(shí)間歷程曲線。

由圖17可，知功能艙縱搖最大值隨其重心高度的增高而增大且影響較大，縱搖最大絕對(duì)值為14.40、16.25、19.33和26.02°，分別對(duì)應(yīng)功能艙重心高度2.0、2.5、3.0和3.5 m。因功能艙外形為豎直圓柱形狀，重心的改變對(duì)其運(yùn)動(dòng)縱搖影響較大。當(dāng)功能艙內(nèi)設(shè)備無法承受較大縱搖角時(shí)，應(yīng)改變其設(shè)計(jì)形狀尺寸，或添加其他外部阻尼來緩沖縱搖運(yùn)動(dòng)。

圖17 功能艙重心高度對(duì)其縱搖-時(shí)間歷程曲線的影響

4 結(jié)語

本文基于ANSYS-AWQA軟件建立船-纜-功能艙多體模型，根據(jù)DNV-RP-C205規(guī)范，設(shè)立模擬海況數(shù)據(jù)作為安裝環(huán)境條件。通過與文獻(xiàn)[22]數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。在此基礎(chǔ)上研究了不同的波浪有義波高、功能艙質(zhì)量及功能艙重心高度對(duì)安裝纜索張力、功能艙下放軌跡及縱搖的影響。

1) 波浪有義波高。改變波浪有義波高，對(duì)纜索張力的變化趨勢影響不大，對(duì)纜索張力-時(shí)間歷程曲線的振動(dòng)波幅影響較大。振動(dòng)波幅隨有義波高的增大而增大，纜索張力最大值也隨之增大。波浪有義波高的改變對(duì)功能艙軌跡及縱搖時(shí)影響不大。在穩(wěn)定階段，功能艙垂蕩及縱搖振幅隨波浪有義波高的增大而增大。

2) 功能艙質(zhì)量。纜索張力隨功能艙質(zhì)量的增大而增大。功能艙質(zhì)量較大時(shí)，在懸垂階段安裝纜張力-時(shí)間歷程曲線更加陡峭，說明張力變化更加劇烈。功能艙質(zhì)量的改變對(duì)其下放軌跡的整體形狀影響不大，但由于纜索張力的增大，使得功能艙下放軌跡隨其質(zhì)量的增大而更靠外側(cè)。在釋放后不久，功能艙到達(dá)縱搖最大值，最大絕對(duì)值隨功能艙質(zhì)量的增加而增大。

3) 功能艙重心高度。改變功能艙重心高度，對(duì)安裝纜索張力的影響不大。在懸垂階段，功能艙重心高度會(huì)影響功能艙下放軌跡，功能艙重心越高，軌跡越靠外側(cè)。功能艙重心高度的改變對(duì)其縱搖影響較大，其最大值均出現(xiàn)在釋放后不久的懸垂階段初期，重心越高，縱搖最大絕對(duì)值越大。

在進(jìn)行功能艙懸垂安裝作業(yè)時(shí)，如果下放質(zhì)量更大的功能艙及其他設(shè)備，應(yīng)當(dāng)增加纜索強(qiáng)度；如果功能艙內(nèi)設(shè)備對(duì)縱搖穩(wěn)定性要求較高，則需要改變功能艙尺寸形狀、添加外部配重，或增加阻尼來保證其穩(wěn)定性。