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        導(dǎo)管架平臺(tái)雙船浮托法安裝的數(shù)值模擬與水池試驗(yàn)

        2021-12-17 03:17:54李新超
        船海工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:駁船運(yùn)輸船組塊

        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(dòng)力定位船等多種浮托安裝方法,在我國(guó)工程實(shí)例更是多達(dá)20余項(xiàng)。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_(tái)區(qū)域,到達(dá)預(yù)定設(shè)計(jì)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(duì)與單船浮托,平臺(tái)的下部結(jié)構(gòu)不需要設(shè)計(jì)進(jìn)船槽口,所以設(shè)計(jì)要求相對(duì)較低。為全面掌握雙船浮托法安裝設(shè)計(jì)技術(shù),以我國(guó)某海域重量為1萬(wàn)t的導(dǎo)管架平臺(tái)上部組塊為例,分析雙船浮托安裝過(guò)程,從中選擇6個(gè)典型工況,采用數(shù)值分析和水池試驗(yàn)兩種方法分析駁船和上部組塊的運(yùn)動(dòng)以及各結(jié)構(gòu)的受力。

        1 導(dǎo)管架平臺(tái)雙船浮托安裝簡(jiǎn)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(chǎng)地轉(zhuǎn)移到運(yùn)輸駁船上,選擇合適的氣候窗口,運(yùn)輸上部組塊到目標(biāo)海域。雙船浮托安裝海上作業(yè)主要包括過(guò)駁作業(yè)和雙船浮托作業(yè)2個(gè)階段。

        過(guò)駁作業(yè)階段,運(yùn)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(yùn)輸船靠攏,并通過(guò)橫向護(hù)舷及縱向限位輔助定位,直至浮托船上LMU(leg mating unit,樁腿對(duì)接單元[3])與上部組塊外側(cè)插尖相對(duì)齊;兩艘浮托船和運(yùn)輸船同步壓排載,保持兩浮托船吃水,逐步增加運(yùn)輸船吃水,使上部組塊插尖與LMU逐漸對(duì)接,將上部組塊的重量由運(yùn)輸船轉(zhuǎn)移到兩艘浮托船上;繼續(xù)增加運(yùn)輸船吃水,直至上部組塊內(nèi)側(cè)插尖與運(yùn)輸船上DSU(deck support unit,甲板支撐結(jié)構(gòu))垂向間隙達(dá)到設(shè)計(jì)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(guò)橫向護(hù)舷和縱向限位準(zhǔn)確定位,直至上部組塊內(nèi)側(cè)插尖與導(dǎo)管架上LMU對(duì)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(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),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(jiàn)圖1。

        圖1 雙船浮托法安裝過(guò)程示意

        雙船浮托安裝過(guò)程中,兩浮托船通過(guò)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(guò)程中由于兩艘浮托船運(yùn)動(dòng)不同步引起的彎矩,從而更好地保護(hù)上部組塊和浮托船結(jié)構(gòu)[3];運(yùn)輸船通過(guò)DSU托舉上部組塊,根據(jù)雙船浮托的特點(diǎn),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(guò)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(duì)接時(shí),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(yùn)輸船和兩浮托船的側(cè)向偏移不宜過(guò)大,以免運(yùn)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(yùn)動(dòng)也需要控制,以免幅度過(guò)大,導(dǎo)致碰撞載荷超過(guò)LMU或DSU的設(shè)計(jì)能力;另外,上部組塊的插尖與LMU接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(guò)對(duì)雙浮托過(guò)程中船舶和上部組塊的運(yùn)動(dòng),LMU和DSU的受力進(jìn)行研究分析,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。LMU和DSU結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jì)海況,設(shè)計(jì)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(yùn)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(jiàn)表2。

        表2 駁船與上部組塊主要參數(shù)

        運(yùn)輸船上布置6個(gè)DSU、2浮托船上布置6個(gè)LMU A、導(dǎo)管架上布置6個(gè)LMU B,分為上下兩排,每排3個(gè),見(jiàn)圖3。

        圖3 LMU和DSU布置

        通過(guò)對(duì)整個(gè)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(gè)典型工況進(jìn)行分析。

        在設(shè)計(jì)探究活動(dòng)時(shí)建議增加一個(gè)標(biāo)題,用標(biāo)題概括該活動(dòng)的探究主題。同時(shí),要寫明該活動(dòng)需研究的問(wèn)題,圍繞標(biāo)題逐層設(shè)問(wèn),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(yùn)輸船及浮托船的水動(dòng)力模型見(jiàn)圖4,采用WAMIT計(jì)算得到運(yùn)輸船及浮托船的水動(dòng)力數(shù)據(jù),并將其作為輸入信息導(dǎo)入MOSES,通過(guò)非線性時(shí)域耦合分析船舶和上部組塊的運(yùn)動(dòng),LMU和DSU的受力。

        圖4 運(yùn)輸船及浮托船的水動(dòng)力模型

        3 水池試驗(yàn)

        在天津大學(xué)建筑工程學(xué)院港口工程試驗(yàn)水池進(jìn)行水池試驗(yàn),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(jì)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(dòng)慣量,與實(shí)船滿足相似關(guān)系。

        試驗(yàn)中按照0.05 Hz的采樣頻率記錄所有的測(cè)量數(shù)據(jù),并且所有工況的記錄時(shí)間均在10 min以上(相當(dāng)于實(shí)船1 h),保證獲得足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和譜分析。

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

        模型試驗(yàn)過(guò)程主要測(cè)量船舶和上部組塊六自由度運(yùn)動(dòng);錨纜、LMU和DSU受力。模型試驗(yàn)中駁船、LMU和導(dǎo)管架的模型見(jiàn)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(yàn)分別得到了駁船六自由度運(yùn)動(dòng)和波浪力的RAO,波浪角頻率范圍0.01~1.50 rad/s并進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)的結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致。運(yùn)輸船和浮托船在首迎浪工況下數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)的RAO對(duì)比見(jiàn)圖6、7,通過(guò)譜分析發(fā)現(xiàn),駁船的縱蕩有明顯的低頻運(yùn)動(dòng)特性,縱搖的峰值出現(xiàn)在角頻率0.3 rad/s附近。

        圖6 過(guò)駁對(duì)接轉(zhuǎn)移0%工況首迎浪運(yùn)輸船RAO

        圖7 雙浮托對(duì)接轉(zhuǎn)移0%工況首迎浪浮托船RAO

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

        圖8 運(yùn)輸船及浮托船首迎浪縱搖RAO對(duì)比

        運(yùn)輸船垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)域分析和不規(guī)則波試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9。由圖9可見(jiàn),水池?cái)?shù)值模擬和水池試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值的差別約為12%。

        圖9 首迎浪過(guò)駁預(yù)對(duì)接階段運(yùn)輸船垂蕩時(shí)歷

        首迎浪下,過(guò)駁預(yù)對(duì)接、轉(zhuǎn)移0%和轉(zhuǎn)移100%3個(gè)工況下的統(tǒng)計(jì)值結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn),運(yùn)輸船及浮托船的運(yùn)動(dòng)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(guò)駁階段模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

        過(guò)駁預(yù)對(duì)接過(guò)程中,上部組塊LMU插尖與浮托船上接收端的水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)接;另外,插尖垂向運(yùn)動(dòng)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(méi)有發(fā)生碰撞。

        重量轉(zhuǎn)移0%,與預(yù)對(duì)接相比,駁船的縱搖運(yùn)動(dòng)幅值有所減小而縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)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(yùn)輸船上DSU垂向受力的時(shí)程見(jiàn)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(shí)程見(jiàn)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(dá)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(shí)際作業(yè)時(shí),應(yīng)著重關(guān)注瞬間的碰撞載荷,防止瞬時(shí)沖擊力過(guò)大。

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

        圖11 首迎浪過(guò)駁對(duì)接轉(zhuǎn)移0%工況下LMU受力模型試驗(yàn)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(yùn)輸船轉(zhuǎn)移到浮托船上,導(dǎo)致運(yùn)輸船的質(zhì)量分布發(fā)生變化,進(jìn)而運(yùn)輸船的運(yùn)動(dòng)幅值均有所增大。運(yùn)輸船上DSU垂向受力的時(shí)程見(jiàn)圖12,浮托船上LMU垂向受力的時(shí)程曲線見(jiàn)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(dá)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(shí)際作業(yè)時(shí),應(yīng)著重關(guān)注瞬間的碰撞載荷。

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

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

        首迎浪下,雙浮托預(yù)對(duì)接、轉(zhuǎn)移0%和轉(zhuǎn)移100%3個(gè)工況下的比較見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn),兩浮托船的運(yùn)動(dòng)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(duì)接過(guò)程中,上部組塊插尖與浮托船上接收端的水平相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)接;另外,插尖垂向運(yùn)動(dòng)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(méi)有發(fā)生碰撞。

        轉(zhuǎn)移0%,與預(yù)對(duì)接相比,駁船的縱搖運(yùn)動(dòng)幅值有所減小而縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)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(shí)程見(jiàn)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(shí)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(dá)500 kN。

        圖14 首迎浪雙浮托對(duì)接轉(zhuǎn)移0%工況下浮托船上LMU受力模型試驗(yàn)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(jìn)而浮托船的運(yùn)動(dòng)幅值均有所增大。導(dǎo)管架上LMU垂向受力的時(shí)程見(jiàn)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(dá)1 800 kN左右。

        表5 雙浮托工況下模型試驗(yàn)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(yàn)方法模擬雙船浮托安裝上部組塊過(guò)程,通過(guò)對(duì)比,二者在頻域和時(shí)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(xiàng)目方案設(shè)計(jì)。

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

        3)時(shí)域分析和不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果表明,雙船浮托過(guò)程中,預(yù)對(duì)接工況下上部組塊插尖的水平運(yùn)動(dòng)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(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始載荷。

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

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