劉 文 鄭可欣 位予瑄 吳健行 唐 婷

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

管匯（Manifold）的作用是通過跨接管將來自采油樹的油氣匯集并外輸至海底管道，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施。水下管匯在下放安裝過程中，除了受到安裝船六自由度運動的影響，還會受到復(fù)雜的環(huán)境載荷影響，會產(chǎn)生較大的水動力載荷，如拖曳力、附加質(zhì)量力和砰擊力等。

目前關(guān)于水下結(jié)構(gòu)物的安裝分析，多數(shù)集中于水下采油樹、封堵裝置這類水平投影面積較小、質(zhì)量相對較為集中的結(jié)構(gòu)物計算分析。脫浩虎、李華等[1]計算了鉆桿下放采油樹過程中鉆桿頂端的最大應(yīng)力和采油樹的下放偏移量，研究了影響鉆桿最大應(yīng)力的若干因素；黃熠、王爾鈞等[2]進行了鉆桿安裝采油樹的敏感性參數(shù)分析，按照影響程度大小排序為浪高>海流>方向角>風(fēng)速；宋強、暢元江等[3]研究了波高、波浪周期和水深等環(huán)境參數(shù)對鉆桿下放采油樹天氣窗口的影響。目前對折臂吊機安裝較小高度面積比、質(zhì)量較輕結(jié)構(gòu)物的研究尚處于空白，該類結(jié)構(gòu)物的特點是在安裝過程中更容易受到波流載荷的影響，該國產(chǎn)管匯的安裝面臨較多技術(shù)難題。

1 管匯—吊機—安裝船安裝分析模型

1.1 管匯基本參數(shù)

該管匯基座部分長寬高尺寸分別為16.7m×14.5m×1.1m，空氣中質(zhì)量為114.7t，基座座透孔率為9%。管匯上方有球閥、立柱和管道等各鐘設(shè)備，如圖1所示。為方便建模、提高計算效率，這些設(shè)備的質(zhì)量將作為一個整體施加到管匯的重心坐標(biāo)位置處。管匯的水動力參數(shù)根據(jù)DNVGL-RP-N103[4]計算得出，具體參數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 管匯水動力計算參數(shù)結(jié)構(gòu)

1.2 環(huán)境參數(shù)設(shè)置

管匯安裝水深94m，海水密度為1025kg/m3。波浪方向定義船艏迎浪為180°，這是海上結(jié)構(gòu)物安裝最常用的作業(yè)船艏向?？紤]一年重現(xiàn)期的表面流速為0.8m/s，海流方向與波浪方向一致，流速沿水深方向分布見表2。

波浪譜選擇JONSWAP三參數(shù)譜，伽馬值設(shè)為2.4。由于波浪是隨機運動，考慮在管匯安裝過程中可能遇到最大波造成不利影響，采用設(shè)計波方法處理波浪載荷，運用波浪模擬搜索的方法找到最大波高及對應(yīng)的周期，選取一段波浪模擬200s歷程進行計算，其他詳細波浪參數(shù)見表3。

表3 分析工況矩陣

1.3 海上吊裝分析模型

為了防止管匯上的4根立柱收到斜向拉力，設(shè)計了吊架連接上部索具和下部索具。船舶吊機鋼絲繩外徑為96mm，吊架重9.66t，不考慮其水動力特性。同時根據(jù)吊機負載曲線，確定合理的作業(yè)半徑和吊高，這時吊機的最大安全工作載荷為250t。根據(jù)以上參數(shù)建立了圖2所示的安裝分析模型。

1.4 管匯安裝動態(tài)分析結(jié)果校核標(biāo)準(zhǔn)

在管匯安裝作業(yè)過程中，需要有一系列校核標(biāo)準(zhǔn)對分析結(jié)果進行限制篩選，防止出現(xiàn)超過吊機安全載荷以及管匯損壞等情況。當(dāng)校核計算結(jié)果時需要分兩種情況考慮：當(dāng)管匯穿越飛濺區(qū)時，由于管匯受到較大的砰擊力，因此限制因素主要是吊機頂端張力不得超過吊機安全工作載荷、索具載荷不得超過其破斷力且結(jié)構(gòu)物與船舷距離保持大于0m；在管匯海床著陸階段，應(yīng)避免管匯與海床或吸力錨發(fā)生碰撞造成管匯損壞，主要限制因素是管匯的垂向運動速度和運動幅度。根據(jù)以上信息，總結(jié)出的校核標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 參數(shù)校核標(biāo)準(zhǔn)

2 管匯安裝過程影響因素及優(yōu)選結(jié)果分析

2.1 吊臂角度影響分析

為了降低當(dāng)管匯穿越飛濺區(qū)時的動態(tài)載荷，可以通過旋轉(zhuǎn)吊機臂的方式使整個吊物系統(tǒng)靠近船舶重心位置，通過旋轉(zhuǎn)吊臂減少圖3中α的角度來減輕船舶六自由度運動對管匯動載的影響。但是減少α角度會使結(jié)構(gòu)物與船舷距離同步減少，增加了安裝過程中結(jié)構(gòu)物與船舷的碰撞風(fēng)險。根據(jù)安裝船吊機負載曲線，確定吊機最小安全作業(yè)半徑為12.5m，對應(yīng)的吊臂角度最小為70°，吊臂與船舷角度定義如圖3所示。

模型計算完畢后，根據(jù)1.4中的篩選標(biāo)準(zhǔn)，得到了表5～表7的允許作業(yè)海況分布，以不同色階區(qū)分不同的作業(yè)波高?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)醣劢嵌戎饾u減少時，對應(yīng)的允許作業(yè)波高整體提升。當(dāng)?shù)醣劢嵌圈翞?0°時，作業(yè)波高相比當(dāng)α=90°時有了較大提升，允許作業(yè)波高1m以上的比例從79.1%提升到91.6%，1.5m以上比例從45.8%提升到54.2%。且當(dāng)α=70°、波浪方向為180°和195°時，所有周期對應(yīng)的允許作業(yè)海況都達到了1m以上。根據(jù)作業(yè)海域歷史月份天氣統(tǒng)計數(shù)據(jù)測算，當(dāng)?shù)醣劢嵌圈猎O(shè)為70°時，允許作業(yè)窗口提升了32%，極大降低了安裝船海上待機的概率，能夠降低施工成本。

表7 當(dāng)α=70°時允許作業(yè)海況分布

以波浪方向180°、有義波高Hs=1m、譜峰周期Tp=5s為例，提取三個吊臂角度下的吊機鉤頭載荷?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)醣劢嵌葹?0°時，吊機鉤頭載荷相比當(dāng)90°和80°時有了明顯降低。由于在OrcaFlex模型中，吊機臂與安裝船假設(shè)是剛性連接，因此吊臂頂點的運動可以直接由船舶六自由度運動推算導(dǎo)出。當(dāng)?shù)鯔C臂與船舷角度少小時，吊臂頂點的垂向運動速度明顯降低（圖 5），導(dǎo)致下方管匯隨之受到較小的波浪砰擊載荷。

表6 當(dāng)α=80°時允許作業(yè)海況分布

2.2 主動升沉補償系統(tǒng)（AHC）對管匯著陸計算的影響

主動升沉補償系統(tǒng)多用于船舶吊機，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物海床精準(zhǔn)著陸，降低結(jié)構(gòu)物與海床之間的沖擊。其原理是使用運動參考單元（MRU）或預(yù)先設(shè)定的測量位置檢測來檢測當(dāng)前船舶在所有方向上的位移和旋轉(zhuǎn)，再通過PLC或計算機計算得出吊鉤在豎直方向的運動，從而控制執(zhí)行機構(gòu)作出反應(yīng)，通過收放鋼絲繩來“抵消”波浪運動引起的吊鉤額外運動[5]。

根據(jù)船舶吊機手冊可知，該型吊機的垂向運動補償效率可以達到90%即減少吊臂頂點90%的垂向運動幅度。由于吊機鋼絲繩的瞬時收放在OrcaFlex軟件中較難模擬且存在收斂性問題，因此該文提出了一種吊機升沉補償系統(tǒng)的簡化建模方法，首先輸出吊臂頂點的各個方向、周期的位移幅值響應(yīng)算子（Displacement RAOs），然后針對垂向運動幅值削減90%（圖6），其他5個自由度的運動不改變，這樣建立了帶有吊機主動升沉補償系統(tǒng)的管匯海床著陸模型。

計算采用的環(huán)境參數(shù)見表3，由于海床附近海流流速較低，因此模型中忽略海流對結(jié)構(gòu)物著陸的影響。管匯距離海床5m，分別計算了開啟吊機主動升沉補償和不開啟升沉補償兩種工況，根據(jù)結(jié)果校核標(biāo)準(zhǔn)，得到表8～表9對應(yīng)的允許施工海況分布。

表8 不開啟升沉補償允許作業(yè)海況分布

可以看出，雖然有結(jié)構(gòu)物垂向運動速度不能超過0.5m/s和運動位移不超過0.5m的限制，但是開啟吊機升沉補償之后，管匯海底就位的安裝海況均達到了1.5m有義波高，主要體現(xiàn)在長周期對應(yīng)的海況有了較大程度提高。主要原因在于長波浪周期會導(dǎo)致船舶垂向運動相比較短周期幅度更大，而開啟吊機升沉補償?shù)窒诉@種不利影響。

表9 開啟升沉補償允許作業(yè)海況分布

分別提取了開啟吊機AHC和不開啟AHC兩種情況下最大吊機鉤頭載荷數(shù)據(jù)，如圖7所示。其中，框中區(qū)域的吊機鉤頭載荷對開啟吊機AHC工況而言，對應(yīng)的有義波高是1.5m；而對不開啟吊機AHC的工況而言，對應(yīng)的的有義波高是0.5m。而框外區(qū)域各個鉤頭載荷對應(yīng)的有義波高均為1.5m。可以看出，開啟吊機AHC后吊機鉤頭載荷有了明顯降低且與靜水條件下吊機鉤頭載荷較為接近。說明這時管匯隨船舶六自由度運動而產(chǎn)生的水動力載荷很小，允許作業(yè)波高有較大提升。

3 結(jié)論及建議

該國產(chǎn)化管匯設(shè)計的特殊性使其海上安裝存在一定的技術(shù)困難。為了解決當(dāng)其穿越飛濺區(qū)時動載過大以及實現(xiàn)精準(zhǔn)著陸的問題，該文針對性地提出了降低吊機吊臂角度的方法，通過建模計算證明其可行性，簡化了主動升沉補償系統(tǒng)的建模并進行海床著陸階段的安裝分析。根據(jù)以上分析結(jié)果可知，當(dāng)管匯穿越飛濺區(qū)時，減少吊臂角度可以減輕安裝船運動對管匯的不利影響，提高安裝作業(yè)允許海況；而開啟吊機升沉補償裝置可以顯著降低當(dāng)管匯著床時的垂向運動速度和位移，有利于降低管匯受到的沖擊力從而實現(xiàn)管匯的精準(zhǔn)就位。

在實際現(xiàn)場作業(yè)中還可以采取降低鋼絲繩下放速度的方法，通過降低管匯和水質(zhì)點之間的相對速度降低管匯受到的砰擊力。鋼絲繩下放速度一般控制在0.5m/s，可以視具體情況進一步減少。在管匯著陸階段，可以進一步降低吊機吊高和作業(yè)半徑，減少船舶六自由度運動對管匯水下運動的影響，來提高安裝海況。