李新超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

浮托法又可劃分為單船浮托和雙船浮托，這兩種方法的區(qū)別是承載駁船的數(shù)量[1-2]。目前單船浮托法，包括常規(guī)單船、T型駁船、動力定位船等多種浮托安裝方法，在我國工程實例更是多達20余項。雙船浮托法是采用兩條駁船托舉上部組塊，并從兩側(cè)駛?cè)肫脚_區(qū)域，到達預(yù)定設(shè)計位置后，下放上部組塊至下部結(jié)構(gòu)，從而完成上部組塊安裝作業(yè)，相對與單船浮托，平臺的下部結(jié)構(gòu)不需要設(shè)計進船槽口，所以設(shè)計要求相對較低。為全面掌握雙船浮托法安裝設(shè)計技術(shù)，以我國某海域重量為1萬t的導(dǎo)管架平臺上部組塊為例，分析雙船浮托安裝過程，從中選擇6個典型工況，采用數(shù)值分析和水池試驗兩種方法分析駁船和上部組塊的運動以及各結(jié)構(gòu)的受力。

1 導(dǎo)管架平臺雙船浮托安裝簡介

在雙船浮托安裝前，需要在陸上建造上部組塊并完成設(shè)備調(diào)試，從建造場地轉(zhuǎn)移到運輸駁船上，選擇合適的氣候窗口，運輸上部組塊到目標海域。雙船浮托安裝海上作業(yè)主要包括過駁作業(yè)和雙船浮托作業(yè)2個階段。

過駁作業(yè)階段，運輸船(駁船C)采用錨泊系統(tǒng)定位，兩浮托船(駁船A和駁船B)在絞車，定位拖輪等設(shè)備輔助下逐漸向運輸船靠攏，并通過橫向護舷及縱向限位輔助定位，直至浮托船上LMU(leg mating unit，樁腿對接單元[3])與上部組塊外側(cè)插尖相對齊；兩艘浮托船和運輸船同步壓排載，保持兩浮托船吃水，逐步增加運輸船吃水，使上部組塊插尖與LMU逐漸對接，將上部組塊的重量由運輸船轉(zhuǎn)移到兩艘浮托船上；繼續(xù)增加運輸船吃水，直至上部組塊內(nèi)側(cè)插尖與運輸船上DSU(deck support unit，甲板支撐結(jié)構(gòu))垂向間隙達到設(shè)計值，在絞車和拖船的輔助下逐漸從兩浮托船區(qū)域退出。

雙船浮托作業(yè)階段,兩浮托船在絞車，定位拖船等設(shè)備輔助下逐漸向?qū)Ч芗芸繑n，并通過橫向護舷和縱向限位準確定位，直至上部組塊內(nèi)側(cè)插尖與導(dǎo)管架上LMU對齊；兩浮托船同步壓載，將上部組塊重量由兩艘浮托船逐步轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架；繼續(xù)壓載，直到浮托船上LMU與上部組塊外側(cè)插尖垂向間隙達到設(shè)計值時，停止壓載，在絞車和拖輪的輔助下逐漸從導(dǎo)管架區(qū)域退出。見圖1。

圖1 雙船浮托法安裝過程示意

雙船浮托安裝過程中，兩浮托船通過LMU A托舉上部組塊，LMU A采用半球形凸出和半球形接收器配合，能夠有效釋放雙船浮托安裝過程中由于兩艘浮托船運動不同步引起的彎矩，從而更好地保護上部組塊和浮托船結(jié)構(gòu)[3]；運輸船通過DSU托舉上部組塊，根據(jù)雙船浮托的特點，采用一種多用途DSU結(jié)構(gòu)；上部組塊與導(dǎo)管架之間通過LMU B相連，其一端為錐形或半球形凸出，下部接收器中有減震裝置，在對接時，能夠減緩水平和垂向的碰撞力。

在雙船浮托安裝作業(yè)中，運輸船和兩浮托船的側(cè)向偏移不宜過大，以免運輸船和兩浮托船以及兩浮托船與導(dǎo)管架產(chǎn)生較大的碰撞，船舶垂向運動也需要控制，以免幅度過大，導(dǎo)致碰撞載荷超過LMU或DSU的設(shè)計能力；另外，上部組塊的插尖與LMU接收器的相對運動必須小于接收器的捕捉半徑，如果插尖從LMU接收器脫出，將導(dǎo)致浮托安裝失敗。因此，需要通過對雙浮托過程中船舶和上部組塊的運動，LMU和DSU的受力進行研究分析，準確預(yù)報。LMU和DSU結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 LMU和DSU結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

2.1 環(huán)境條件

如表1所示，參考常規(guī)單船浮托，選取3種海洋環(huán)境參數(shù)作為雙船浮托法安裝的設(shè)計海況，設(shè)計水深15 m。

表1 海洋環(huán)境參數(shù)

2.2 船舶參數(shù)

根據(jù)上部組塊尺寸和重量選取載重量為18 000 t的駁船C作為運輸船，選取載重量為16 000 t的2艘姐妹船駁船A和駁船B作為浮托船，駁船及上部組塊的主要參數(shù)見表2。

表2 駁船與上部組塊主要參數(shù)

運輸船上布置6個DSU、2浮托船上布置6個LMU A、導(dǎo)管架上布置6個LMU B，分為上下兩排，每排3個，見圖3。

圖3 LMU和DSU布置

通過對整個雙船浮托法安裝上部組塊流程的剖析，選取表3所示的6個典型工況進行分析。

在設(shè)計探究活動時建議增加一個標題，用標題概括該活動的探究主題。同時，要寫明該活動需研究的問題，圍繞標題逐層設(shè)問，讓學(xué)生的探究更加連貫和深入。

表3 雙船浮托工況設(shè)置

2.3 建模與求解

運輸船及浮托船的水動力模型見圖4，采用WAMIT計算得到運輸船及浮托船的水動力數(shù)據(jù)，并將其作為輸入信息導(dǎo)入MOSES，通過非線性時域耦合分析船舶和上部組塊的運動，LMU和DSU的受力。

圖4 運輸船及浮托船的水動力模型

3 水池試驗

在天津大學(xué)建筑工程學(xué)院港口工程試驗水池進行水池試驗，模型縮尺比為1∶40。駁船模型材料為玻璃鋼，加工的船模主尺度符合設(shè)計圖紙要求，型線光順，表面光滑流暢，并調(diào)整船舶模型的總重量，重心縱向位置、重心垂向高度，調(diào)整模型的轉(zhuǎn)動慣量，與實船滿足相似關(guān)系。

試驗中按照0.05 Hz的采樣頻率記錄所有的測量數(shù)據(jù)，并且所有工況的記錄時間均在10 min以上(相當于實船1 h)，保證獲得足夠的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和譜分析。

模型試驗主要包括：港池的靜水試驗，規(guī)則波、不規(guī)則波中過駁對接、雙船浮托對接試驗，其中靜水試驗主要用于測量及校準系泊系統(tǒng)的剛度；由自由衰減試驗得到駁船各自由度的固有周期；由規(guī)則波試驗得到駁船各自由度的RAO；由不規(guī)則波試驗得到不同工況下運輸船、浮托船、上部組塊、LMU和DSU運動和受力情況的測量數(shù)據(jù)。

模型試驗過程主要測量船舶和上部組塊六自由度運動；錨纜、LMU和DSU受力。模型試驗中駁船、LMU和導(dǎo)管架的模型見圖5。

圖5 駁船、LMU和導(dǎo)管架模型

4 結(jié)果分析

頻域分析和規(guī)則波試驗分別得到了駁船六自由度運動和波浪力的RAO，波浪角頻率范圍0.01～1.50 rad/s并進行對比。對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬和水池試驗的結(jié)果變化趨勢基本一致。運輸船和浮托船在首迎浪工況下數(shù)值模擬和水池試驗的RAO對比見圖6、7，通過譜分析發(fā)現(xiàn)，駁船的縱蕩有明顯的低頻運動特性，縱搖的峰值出現(xiàn)在角頻率0.3 rad/s附近。

圖6 過駁對接轉(zhuǎn)移0%工況首迎浪運輸船RAO

圖7 雙浮托對接轉(zhuǎn)移0%工況首迎浪浮托船RAO

相同浪向不同工況的運輸船和浮托船縱搖RAO見圖8，比較發(fā)現(xiàn)：縱搖RAO的趨勢基本相同，峰值會隨吃水的增加向高頻方向移動，幅值隨吃水的增加增大。

圖8 運輸船及浮托船首迎浪縱搖RAO對比

運輸船垂蕩運動時域分析和不規(guī)則波試驗的結(jié)果對比見圖9。由圖9可見，水池數(shù)值模擬和水池試驗結(jié)果吻合較好，垂蕩運動幅值的差別約為12%。

圖9 首迎浪過駁預(yù)對接階段運輸船垂蕩時歷

首迎浪下，過駁預(yù)對接、轉(zhuǎn)移0%和轉(zhuǎn)移100%3個工況下的統(tǒng)計值結(jié)果見表4。由表4可見，運輸船及浮托船的運動幅值均在許可范圍內(nèi)，錨纜最大張力為1 158.3 hN，滿足安全系數(shù)的要求。

表4 過駁階段模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

過駁預(yù)對接過程中，上部組塊LMU插尖與浮托船上接收端的水平相對運動在0.2 m左右，小于接收端的捕捉半徑(0.5 m)，可以確保成功對接；另外，插尖垂向運動的最小值-0.33 m，而插尖與浮托船上接收端的靜態(tài)垂向間隙為1.0 m，所以上部組塊LMU插尖與浮托船上接收端沒有發(fā)生碰撞。

重量轉(zhuǎn)移0%，與預(yù)對接相比，駁船的縱搖運動幅值有所減小而縱蕩和垂蕩運動幅值有所增大，這是由于駁船、上部組塊相互限制并且LMU內(nèi)減震裝置發(fā)揮作用。運輸船上DSU垂向受力的時程見圖10，DSU平均受力為30 500 kN，周期性地增加到33 000 kN或減小到28 000 kN左右；浮托船上LMU垂向受力的時程見圖11，LMU垂向受力呈周期性的脈沖形狀，最小值為0，瞬間的碰撞力可達5 000 kN。這是由上部組塊插尖與浮托船上LMU接收端相互碰撞引起的，實際作業(yè)時，應(yīng)著重關(guān)注瞬間的碰撞載荷，防止瞬時沖擊力過大。

圖10 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移0%工況下DSU受力模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

圖11 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移0%工況下LMU受力模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

重量轉(zhuǎn)移100%，相比轉(zhuǎn)移0%，由于上部組塊的完全由運輸船轉(zhuǎn)移到浮托船上，導(dǎo)致運輸船的質(zhì)量分布發(fā)生變化，進而運輸船的運動幅值均有所增大。運輸船上DSU垂向受力的時程見圖12，浮托船上LMU垂向受力的時程曲線見圖13，類似轉(zhuǎn)移0%，DSU的受力最小值為0，瞬間的碰撞力可達5 200 kN左右；LMU平均受力為30 000 kN，周期性地增加到33 000 kN或減小到28 000 kN左右，實際作業(yè)時，應(yīng)著重關(guān)注瞬間的碰撞載荷。

圖12 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移100%工況下DSU受力模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

圖13 首迎浪過駁對接轉(zhuǎn)移100%工況下LMU受力模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

首迎浪下，雙浮托預(yù)對接、轉(zhuǎn)移0%和轉(zhuǎn)移100%3個工況下的比較見表4。由表4可見，兩浮托船的運動幅值均在許可范圍內(nèi)，錨纜最大張力為696.9 kN，滿足安全系數(shù)的要求。

雙浮托預(yù)對接過程中，上部組塊插尖與浮托船上接收端的水平相對運動在0.21 m左右，小于接收端的捕捉半徑(0.6 m)，可以確保成功對接；另外，插尖垂向運動的最小值-0.32 m，而插尖與浮托船上接收端的靜態(tài)垂向間隙為0.8 m，所以上部組塊插尖與導(dǎo)管架上LMU接收端沒有發(fā)生碰撞。

轉(zhuǎn)移0%，與預(yù)對接相比，駁船的縱搖運動幅值有所減小而縱蕩和垂蕩運動幅值有所增大，這是由于駁船、上部組塊受到導(dǎo)管架的限制，并且LMU內(nèi)減震裝置發(fā)揮作用。浮托船上LMU垂向受力的時程見圖14，平均受力為26 000 kN，周期性地增加到31 000 kN或減小到22 000 kN左右；導(dǎo)管架上LMU垂向受力的時程曲線，垂向受力呈周期性的脈沖形狀，最小值為0，瞬間的碰撞力可達500 kN。

圖14 首迎浪雙浮托對接轉(zhuǎn)移0%工況下浮托船上LMU受力模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

轉(zhuǎn)移100%，相比轉(zhuǎn)移0%，由于上部組塊的完全由浮托船轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架上，導(dǎo)致浮托船的質(zhì)量分布發(fā)生變化，進而浮托船的運動幅值均有所增大。導(dǎo)管架上LMU垂向受力的時程見圖15，導(dǎo)管架上LMU平均受力為22 000 kN，周期性地增加到26 000 kN或減小到14 00 kN左右，浮托船上LMU的受力最小值為0，瞬間的碰撞力可達1 800 kN左右。

表5 雙浮托工況下模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

5 結(jié)論

1)分別采用數(shù)值模擬和模型試驗方法模擬雙船浮托安裝上部組塊過程，通過對比，二者在頻域和時域上，吻合較好，所述數(shù)值模擬方法可用于雙船浮托法工程項目方案設(shè)計。

2)駁船頻域分析和規(guī)則波試驗表明，縱蕩具有明顯的低頻效應(yīng)，縱搖峰值會隨吃水的增加向高頻方向移動，幅值隨吃水的增加增大。

3)時域分析和不規(guī)則波試驗結(jié)果表明，雙船浮托過程中，預(yù)對接工況下上部組塊插尖的水平運動在LMU接收端捕捉半徑范圍內(nèi)，并且與浮托船接收端保持足夠的垂向間隙；DSU最大受力為33 000 kN，浮托船上LMU最大受力26 000 kN，導(dǎo)管架上LMU最大受力16 000 kN，上述載荷可作為類似工程項目結(jié)構(gòu)設(shè)計的初始載荷。

4)數(shù)值模擬和水池試驗結(jié)果證明，采用雙船浮托法安裝1萬t導(dǎo)管架平臺上部組塊具有可實施性。