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(guò)跨接管將來(lái)自采油樹(shù)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(guò)程中，除了受到安裝船六自由度運(yùn)動(dòng)的影響，還會(huì)受到復(fù)雜的環(huán)境載荷影響，會(huì)產(chǎn)生較大的水動(dòng)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(shù)、封堵裝置這類水平投影面積較小、質(zhì)量相對(duì)較為集中的結(jié)構(gòu)物計(jì)算分析。脫浩虎、李華等[1]計(jì)算了鉆桿下放采油樹(shù)過(guò)程中鉆桿頂端的最大應(yīng)力和采油樹(shù)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(jìn)行了鉆桿安裝采油樹(shù)的敏感性參數(shù)分析，按照影響程度大小排序?yàn)槔烁?海流>方向角>風(fēng)速；宋強(qiáng)、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(duì)鉆桿下放采油樹(shù)天氣窗口的影響。目前對(duì)折臂吊機(jī)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(diǎn)是在安裝過(guò)程中更容易受到波流載荷的影響，該國(guó)產(chǎn)管匯的安裝面臨較多技術(shù)難題。

1 管匯—吊機(jī)—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(zhǎng)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(jì)算效率，這些設(shè)備的質(zhì)量將作為一個(gè)整體施加到管匯的重心坐標(biāo)位置處。管匯的水動(dòng)力參數(shù)根據(jù)DNVGL-RP-N103[4]計(jì)算得出，具體參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 管匯水動(dòng)力計(jì)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(jiàn)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(jī)運(yùn)動(dòng)，考慮在管匯安裝過(guò)程中可能遇到最大波造成不利影響，采用設(shè)計(jì)波方法處理波浪載荷，運(yùn)用波浪模擬搜索的方法找到最大波高及對(duì)應(yīng)的周期，選取一段波浪模擬200s歷程進(jìn)行計(jì)算，其他詳細(xì)波浪參數(shù)見(jiàn)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(jì)了吊架連接上部索具和下部索具。船舶吊機(jī)鋼絲繩外徑為96mm，吊架重9.66t，不考慮其水動(dòng)力特性。同時(shí)根據(jù)吊機(jī)負(fù)載曲線，確定合理的作業(yè)半徑和吊高，這時(shí)吊機(jī)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(dòng)態(tài)分析結(jié)果校核標(biāo)準(zhǔn)

在管匯安裝作業(yè)過(guò)程中，需要有一系列校核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行限制篩選，防止出現(xiàn)超過(guò)吊機(jī)安全載荷以及管匯損壞等情況。當(dāng)校核計(jì)算結(jié)果時(shí)需要分兩種情況考慮：當(dāng)管匯穿越飛濺區(qū)時(shí)，由于管匯受到較大的砰擊力，因此限制因素主要是吊機(jī)頂端張力不得超過(guò)吊機(jī)安全工作載荷、索具載荷不得超過(guò)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(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)幅度。根據(jù)以上信息，總結(jié)出的校核標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 參數(shù)校核標(biāo)準(zhǔn)

2 管匯安裝過(guò)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(shí)的動(dòng)態(tài)載荷，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)吊機(jī)臂的方式使整個(gè)吊物系統(tǒng)靠近船舶重心位置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)吊臂減少圖3中α的角度來(lái)減輕船舶六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)管匯動(dòng)載的影響。但是減少α角度會(huì)使結(jié)構(gòu)物與船舷距離同步減少，增加了安裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)物與船舷的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)安裝船吊機(jī)負(fù)載曲線，確定吊機(jī)最小安全作業(yè)半徑為12.5m，對(duì)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(jì)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。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)醣劢嵌戎饾u減少時(shí)，對(duì)應(yīng)的允許作業(yè)波高整體提升。當(dāng)?shù)醣劢嵌圈翞?0°時(shí)，作業(yè)波高相比當(dāng)α=90°時(shí)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?yàn)?80°和195°時(shí)，所有周期對(duì)應(yīng)的允許作業(yè)海況都達(dá)到了1m以上。根據(jù)作業(yè)海域歷史月份天氣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)測(cè)算，當(dāng)?shù)醣劢嵌圈猎O(shè)為70°時(shí)，允許作業(yè)窗口提升了32%，極大降低了安裝船海上待機(jī)的概率，能夠降低施工成本。

表7 當(dāng)α=70°時(shí)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(gè)吊臂角度下的吊機(jī)鉤頭載荷?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)醣劢嵌葹?0°時(shí)，吊機(jī)鉤頭載荷相比當(dāng)90°和80°時(shí)有了明顯降低。由于在OrcaFlex模型中，吊機(jī)臂與安裝船假設(shè)是剛性連接，因此吊臂頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以直接由船舶六自由度運(yùn)動(dòng)推算導(dǎo)出。當(dāng)?shù)鯔C(jī)臂與船舷角度少小時(shí)，吊臂頂點(diǎn)的垂向運(yùn)動(dòng)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(shí)允許作業(yè)海況分布

2.2 主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)（AHC）對(duì)管匯著陸計(jì)算的影響

主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)多用于船舶吊機(jī)，以實(shí)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(yùn)動(dòng)參考單元（MRU）或預(yù)先設(shè)定的測(cè)量位置檢測(cè)來(lái)檢測(cè)當(dāng)前船舶在所有方向上的位移和旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)PLC或計(jì)算機(jī)計(jì)算得出吊鉤在豎直方向的運(yùn)動(dòng)，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出反應(yīng)，通過(guò)收放鋼絲繩來(lái)“抵消”波浪運(yùn)動(dòng)引起的吊鉤額外運(yùn)動(dòng)[5]。

根據(jù)船舶吊機(jī)手冊(cè)可知，該型吊機(jī)的垂向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償效率可以達(dá)到90%即減少吊臂頂點(diǎn)90%的垂向運(yùn)動(dòng)幅度。由于吊機(jī)鋼絲繩的瞬時(shí)收放在OrcaFlex軟件中較難模擬且存在收斂性問(wèn)題，因此該文提出了一種吊機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的簡(jiǎn)化建模方法，首先輸出吊臂頂點(diǎn)的各個(gè)方向、周期的位移幅值響應(yīng)算子（Displacement RAOs），然后針對(duì)垂向運(yùn)動(dòng)幅值削減90%（圖6），其他5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)不改變，這樣建立了帶有吊機(jī)主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的管匯海床著陸模型。

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

表8 不開(kāi)啟升沉補(bǔ)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(yùn)動(dòng)速度不能超過(guò)0.5m/s和運(yùn)動(dòng)位移不超過(guò)0.5m的限制，但是開(kāi)啟吊機(jī)升沉補(bǔ)償之后，管匯海底就位的安裝海況均達(dá)到了1.5m有義波高，主要體現(xiàn)在長(zhǎng)周期對(duì)應(yīng)的海況有了較大程度提高。主要原因在于長(zhǎng)波浪周期會(huì)導(dǎo)致船舶垂向運(yùn)動(dòng)相比較短周期幅度更大，而開(kāi)啟吊機(jī)升沉補(bǔ)償?shù)窒诉@種不利影響。

表9 開(kāi)啟升沉補(bǔ)償允許作業(yè)海況分布

分別提取了開(kāi)啟吊機(jī)AHC和不開(kāi)啟AHC兩種情況下最大吊機(jī)鉤頭載荷數(shù)據(jù)，如圖7所示。其中，框中區(qū)域的吊機(jī)鉤頭載荷對(duì)開(kāi)啟吊機(jī)AHC工況而言，對(duì)應(yīng)的有義波高是1.5m；而對(duì)不開(kāi)啟吊機(jī)AHC的工況而言，對(duì)應(yīng)的的有義波高是0.5m。而框外區(qū)域各個(gè)鉤頭載荷對(duì)應(yīng)的有義波高均為1.5m?？梢钥闯觯_(kāi)啟吊機(jī)AHC后吊機(jī)鉤頭載荷有了明顯降低且與靜水條件下吊機(jī)鉤頭載荷較為接近。說(shuō)明這時(shí)管匯隨船舶六自由度運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的水動(dòng)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(guó)產(chǎn)化管匯設(shè)計(jì)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(shí)動(dòng)載過(guò)大以及實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)著陸的問(wèn)題，該文針對(duì)性地提出了降低吊機(jī)吊臂角度的方法，通過(guò)建模計(jì)算證明其可行性，簡(jiǎn)化了主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的建模并進(jìn)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(shí)，減少吊臂角度可以減輕安裝船運(yùn)動(dòng)對(duì)管匯的不利影響，提高安裝作業(yè)允許海況；而開(kāi)啟吊機(jī)升沉補(bǔ)償裝置可以顯著降低當(dāng)管匯著床時(shí)的垂向運(yùn)動(dòng)速度和位移，有利于降低管匯受到的沖擊力從而實(shí)現(xiàn)管匯的精準(zhǔn)就位。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中還可以采取降低鋼絲繩下放速度的方法，通過(guò)降低管匯和水質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)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(jìn)一步減少。在管匯著陸階段，可以進(jìn)一步降低吊機(jī)吊高和作業(yè)半徑，減少船舶六自由度運(yùn)動(dòng)對(duì)管匯水下運(yùn)動(dòng)的影響，來(lái)提高安裝海況。