郭沖沖，武文華, 2, 3，程叢志，吳國東，曹光明，呂柏呈，羅起航

(1. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 2. 大連理工大學(xué) 寧波研究院，浙江 寧波 315000; 3. 大連理工大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳 518057; 4. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064; 5. 中國海洋石油有限公司研究總院，北京 100010)

海洋核動力平臺(marine nuclear power platform，簡稱MNPP)是一種海上浮動式核電站，將船舶工程與小型核反應(yīng)堆有機結(jié)合(見圖1)，可對外持續(xù)提供電力、淡水等能源保障。海洋核動力平臺(后簡稱平臺)具有機動性能好、一次裝料運行周期長、功率密度大、運行成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，具有廣闊的市場應(yīng)用前景[1-4]。由于平臺自身并沒有航行動力系統(tǒng)，需要依靠定位系統(tǒng)實現(xiàn)海上長期作業(yè)。在復(fù)雜海洋環(huán)境長期作用下，平臺會進(jìn)行維修、修護等回塢改造，或根據(jù)作業(yè)海域的能源配置需求更換作業(yè)地點[5]，因此定位系統(tǒng)常規(guī)解脫作業(yè)是確保平臺長期生產(chǎn)作業(yè)的要素。定位系統(tǒng)常規(guī)解脫作業(yè)作為核動力平臺的一種典型作業(yè)方式，屬于綜合性的海洋工程問題，具有難度、風(fēng)險高的特點。無論是針對平臺的應(yīng)急處理還是完整性管理，對解脫作業(yè)過程的研究都具有重要的工程價值。

圖1 海洋核動力平臺Fig. 1 Marine nuclear power platform

國內(nèi)海洋工程領(lǐng)域尚沒有浮式核動力平臺的工程應(yīng)用案例，對于解脫作業(yè)安全性的研究主要針對于海上浮式儲卸油裝置(floating production storage and offloading，簡稱FPSO)等海洋油氣開發(fā)平臺。目前，海洋石油工程股份有限公司、中海石油(中國)有限公司天津分公司等已多次成功實現(xiàn)了渤海海域FPSO系泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)?！昂Ｑ笫?12”FPSO于2014年實現(xiàn)了世界首例水下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的解脫[6]。宮學(xué)成和秦勇[7]結(jié)合“渤海長青號”FPSO解脫工程項目，從現(xiàn)場調(diào)研、施工設(shè)計等方面介紹了水上軟剛臂系泊系統(tǒng)的解脫過程。田冰等[8]進(jìn)一步總結(jié)了“渤海長青號”FPSO海上解脫作業(yè)的成功經(jīng)驗，并介紹了相關(guān)的施工技術(shù)和施工方法，為工程管理和技術(shù)人員研究FPSO解脫/相關(guān)工程提供參考。劉雪宜[9]從水上軟剛臂單點組成、YOKE損壞情況、FPSO限位與浮吊就位、軟管解脫、FPSO解脫拖航、YOKE拆除等方面，介紹“海洋石油102”FPSO在YOKE損壞時的應(yīng)急解脫作業(yè)過程。劉斌[10]闡述了軟剛臂系泊系統(tǒng)在解脫方案制定時應(yīng)遵循的原則，并為非常規(guī)應(yīng)急解脫提供了幾種方案模型，通過適應(yīng)性分析為特殊情況下解脫作業(yè)提供參考。劉雪宜等[11]以“渤海友誼號”FPSO為例，論述了解脫作業(yè)的方案設(shè)計、施工準(zhǔn)備以及海上施工流程，同時針對冬季作業(yè)窗口的選擇以及通航安全評估進(jìn)行了介紹。孫丕松等[12]針對孤立塔柱式單點系泊系統(tǒng)的特點，通過準(zhǔn)備工作和解脫流程對該類系泊系統(tǒng)的解脫作業(yè)進(jìn)行了研究。呂子鵬[13]介紹了泰國灣FPSO的服役情況，并討論了其海上解脫、拆除及拖航方法。

以上研究主要以海洋平臺FPSO的解脫工程項目為背景，從項目施工、作業(yè)設(shè)計、作業(yè)流程和作業(yè)管理等方面進(jìn)行介紹論述。同時國內(nèi)外關(guān)于淺水軟剛臂式單點系統(tǒng)解脫作業(yè)指標(biāo)的研究較少，但有一些學(xué)者針對深水內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊解脫作業(yè)中的設(shè)計分析方案和關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究，對于核動力平臺解脫作業(yè)具有一定借鑒意義。如Luo和Wang[14]提出了深水油田開發(fā)中可解脫式FPSO的概念，重點介紹了解脫式FPSO的關(guān)鍵技術(shù)和工程分析，同時對永久式FPSO和可解脫式FPSO的優(yōu)缺點進(jìn)行了評估。劉亮等[15]介紹了可解脫式FPSO的解脫方式及解脫系統(tǒng)，針對解脫過程進(jìn)行時域模擬及相關(guān)因素的敏感性分析，結(jié)合計算得到的關(guān)鍵因素進(jìn)行了浮子的優(yōu)化設(shè)計。桂龍等[16]以淺水單點系泊裝置水下定位系統(tǒng)維修解脫為背景，計算了在拖輪限位狀態(tài)下FPSO的運動與限位纜繩張力。

可以看出，雖然國內(nèi)已經(jīng)實施了多次FPSO的解脫、拖航作業(yè)，形成了較為完整的施工方案。但是，海洋核動力平臺定位系統(tǒng)的解脫作業(yè)是否可行尚待驗證。同時解脫作業(yè)各階段潛在風(fēng)險的研究還十分有限，解脫環(huán)節(jié)中關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)仍偏重于指揮人員的工程經(jīng)驗，對于完整解脫過程關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的量化仍需深入研究。由于解脫過程具有復(fù)雜、分階段及非線性的特點，屬于綜合性的作業(yè)問題，理論和數(shù)值方法均存在一定局限性，無法模擬作業(yè)階段的轉(zhuǎn)變情況。而模型試驗?zāi)茴A(yù)測尚未建造出來的核動力平臺定位系統(tǒng)的性能，探索其解脫過程的關(guān)鍵指標(biāo)，同時通過嚴(yán)格控制定位系統(tǒng)的主要參數(shù)而不受外界條件和自然條件的限制，進(jìn)而更加有效地反映真實定位系統(tǒng)的解脫過程。

本文梳理了海洋核動力平臺解脫作業(yè)流程，建立了解脫作業(yè)故障樹模型，基于故障事件風(fēng)險傳遞路徑提出了定位系統(tǒng)解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)；采用1∶9縮尺比模型試驗方法對解脫作業(yè)流程進(jìn)行模擬，驗證了海洋核動力平臺解脫作業(yè)的可行性；結(jié)合試驗?zāi)M結(jié)果，對解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)，包括提升纜繩在限位狀態(tài)與解脫作業(yè)時的張力響應(yīng)、法蘭解脫時系泊腿下部萬向節(jié)振動響應(yīng)、系泊剛臂下放姿態(tài)等進(jìn)行了分析，研究結(jié)果為定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的設(shè)計與分析提供依據(jù)，對于核動力平臺未來的解脫作業(yè)具有重要的參考價值。

1 解脫作業(yè)流程及關(guān)鍵風(fēng)險指標(biāo)分析

我國海洋核動力平臺采用船型浮體方案[17]，由水上軟剛臂單點系泊系統(tǒng)(soft yoke single point mooring system，簡稱SYMS)實現(xiàn)平臺的系泊定位。海洋核動力平臺定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：系泊支架、左右系泊腿、系泊剛臂(YOKE)、單點轉(zhuǎn)塔以及船體支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式Fig. 2 Structure of positioning system

定位系統(tǒng)的海上解脫作業(yè)具有工程量大、流程復(fù)雜、施工周期長、技術(shù)要求高等特點。借鑒國內(nèi)海洋石油平臺解脫作業(yè)的成功案例，并在此基礎(chǔ)上開展解脫作業(yè)流程優(yōu)化和規(guī)范化分析，在滿足解脫作業(yè)窗口條件下，給出核動力平臺定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的流程為：1) 在左、右系泊腿上下滑輪之間穿掛提升纜；2)在船艏與YOKE接頭之間預(yù)布主系泊纜；3)在船艏與YOKE左、右剛臂之間預(yù)布交叉纜，如圖3(a)所示；4)艉部拖輪就位，見圖3(b)；5)YOKE壓載艙壓載液排放，見圖3(c)；6)提升纜收緊，拆除YOKE與系泊腿連接法蘭的螺栓；7)釋放提升纜，核動力平臺后退，如圖3(d)，3(e)所示；8)解除所有工作纜繩，核動力平臺在艉部拖輪的拖帶下離開現(xiàn)場，見圖3(f)。

圖3 核動力平臺解脫作業(yè)流程示意Fig. 3 Schematic flow of MNPP disconnection operation

定位系統(tǒng)解脫作業(yè)中的主系泊纜、交叉纜以及船艉拖輪主要起到平臺限位作用。收緊各纜繩至一定的張力，可以保持平臺定位；與此同時，主系泊纜、交叉纜可以替代定位系統(tǒng)起到臨時系泊功能，保證整個解脫過程的定位安全。提升纜是解脫作業(yè)的關(guān)鍵，通過提升YOKE使系泊腿處于松弛狀態(tài)，同時系泊腿下部萬向鉸接頭處的法蘭螺栓不再受力，YOKE的重力全部轉(zhuǎn)移至提升纜繩上。拆除法蘭螺栓后，基本實現(xiàn)了定位系統(tǒng)的物理解脫，同步釋放所有纜繩下放YOKE完成定位系統(tǒng)解脫?；谏鲜鼋饷摿鞒淌崂砜芍?，定位系統(tǒng)解脫作業(yè)中關(guān)鍵階段可以劃分為：纜繩拴掛準(zhǔn)備、提升纜預(yù)緊、拆除法蘭螺栓、釋放提升纜下放YOKE、解脫完成。整體的作業(yè)流程見圖4。

圖4 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)流程Fig. 4 MNPP disconnect operation flow chart

由于定位系統(tǒng)解脫作業(yè)工程量大、作業(yè)設(shè)備較多以及作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，通過解脫作業(yè)流程分析并結(jié)合作業(yè)案例調(diào)查、專家走訪，建立了解脫作業(yè)故障樹，如圖5所示，其中編碼及對應(yīng)故障事件見表1?；诮饷撟鳂I(yè)故障樹的風(fēng)險傳遞路徑可以看出，解脫作業(yè)各階段纜繩的受力狀態(tài)、法蘭脫離的振動響應(yīng)和YOKE的姿態(tài)變化等都是關(guān)鍵風(fēng)險作業(yè)指標(biāo)，直接關(guān)系到解脫作業(yè)的安全。基于工程經(jīng)驗的傳統(tǒng)解脫方法往往缺乏對這些指標(biāo)的關(guān)注，尤其是針對于提升纜繩失效造成解脫失敗的危害考慮不足。

圖5 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)故障樹Fig. 5 MNPP disconnect operation fault tree

表1 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)故障事件Tab. 1 Fault events of MNPP disconnection operation

2 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)模型試驗

2.1 試驗設(shè)施

利用MG6-12EP六自由度電動運動平臺開展定位系統(tǒng)解脫試驗。電動六自由度運動系統(tǒng)主要由電動缸、上平臺、控制柜、氣懸浮系統(tǒng)和外部接口等部分組成，如圖6(a)所示。運動平臺(見圖6(b))的功能是支撐負(fù)載和驅(qū)動負(fù)載運動，包括上平臺、6個電動缸、3個懸浮氣彈簧、地基以及上下鉸鏈。上平臺根據(jù)負(fù)載安裝要求預(yù)留機械接口；6個電動缸通過協(xié)同改變活塞桿伸出長度控制上平臺的空間位置和姿態(tài)；氣懸浮系統(tǒng)的活塞桿隨著上平臺的運動作被動運動并輸出向上的抬升力。整體運動系統(tǒng)中位高度為3 607 mm，設(shè)計荷載不小于120 kN，可用于模擬船舶在航行中因操縱、裝載不平衡和風(fēng)浪等原因引起的縱向、橫向搖擺的工況。

圖6 六自由度電動平臺Fig. 6 6-DOF electric stewart platform

2.2 相似準(zhǔn)則

海洋工程結(jié)構(gòu)物模型試驗中，原型和模型兩者之間應(yīng)滿足的相似條件包括幾何相似、運動相似和動力相似[18]。一般而言，開展以研究海洋結(jié)構(gòu)物在風(fēng)、浪、流下的運動和受力為目的的模型試驗，應(yīng)遵循Froude 相似和Strouhal相似準(zhǔn)則，即重力相似和慣性力相似[19]。定位系統(tǒng)的解脫模型試驗也不例外，并且本試驗研究目的在于探索解脫作業(yè)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)變化，重點關(guān)注系泊結(jié)構(gòu)的運動與動力特性，這就意味著重力和慣性力的作用占主導(dǎo)地位。所以，試驗中各項物理參數(shù)的設(shè)定遵循Froude和Strouhal相似準(zhǔn)則進(jìn)行：

(1)

(2)

其中，V是速度，L是特征線尺度，T是周期，下標(biāo)m和s分別代表模型和原型。λ是模型和原型間的線性縮尺比，綜合考慮運動平臺尺度和加載能力，確定本次試驗縮尺比λ=1/9，試驗?zāi)Ｐ椭饕叽缛绫?所示。

表2 定位系統(tǒng)的主要幾何參數(shù)Tab. 2 Geometric parameters of MNPP單位：m

繼而根據(jù)幾何縮尺比λ和選定的相似準(zhǔn)則，進(jìn)一步確定其他物理參數(shù)詳細(xì)的相似比尺關(guān)系(見表3)，從而對相關(guān)試驗參數(shù)及測試結(jié)果進(jìn)行縮尺或還原。

表3 實體與模型各物理量的轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab. 3 Physical quantities of transformation relationship between prototype and model

2.3 試驗?zāi)Ｐ团c流程

試驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^部分相似策略對定位系統(tǒng)進(jìn)行縮尺，利用六自由度平臺模擬核動力平臺船體運動的方式，屬于半物理仿真分析試驗方向。一些學(xué)者利用該試驗平臺，開展了多種結(jié)果的測試分析。如進(jìn)行軟剛臂系泊系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的損傷識別研究[20]；開展軟剛臂系泊系統(tǒng)橫向減振設(shè)計[21]；設(shè)計了用于室內(nèi)模型試驗的中大比尺托管架模型試驗樣機，利用運動平臺模擬鋪管船運動[22]；采用該試驗平臺進(jìn)行大型儲液艙的液體晃蕩研究，實現(xiàn)規(guī)則和不規(guī)則的六自由度運動激勵[23]；同時，在航空航天領(lǐng)域六自由度運動平臺也具有廣泛的應(yīng)用，如利用自由度運動平臺進(jìn)行飛行器模擬，從而推動飛行器設(shè)計和飛行員訓(xùn)練[24]。上述研究表明了利用六自由度電動運動平臺來模擬船體運動具有合理性與準(zhǔn)確性。文中定位系統(tǒng)采用1∶9的大比尺模型結(jié)構(gòu)(見圖7)，通過改變壓載塊位置和調(diào)節(jié)壓載水艙的配重，從而調(diào)整YOKE模型的重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑，以滿足相似要求。在解脫模擬試驗系統(tǒng)中，YOKE左右剛臂以及鉸接頭處焊接帶纜孔，安裝固定左右交叉纜和主系泊纜；左、右系泊腿下部安裝螺栓法蘭和滑輪組；系泊支架平臺處安裝左右舷絞車與主絞車，實現(xiàn)提升纜和主系泊纜的牽引功能。圖8給出按照定位系統(tǒng)解脫試驗流程的穿掛提升纜、安裝主系泊纜、安裝交叉纜的環(huán)節(jié)照片。

圖7 定位系統(tǒng)模型實物照片F(xiàn)ig. 7 Model physical diagram of MNPP

圖8 定位系統(tǒng)解脫試驗?zāi)MFig. 8 MNPP experimental simulation

2.4 數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)

基于關(guān)鍵風(fēng)險作業(yè)指標(biāo)建立了一套解脫模擬的測量系統(tǒng)，對解脫過程中的作業(yè)指標(biāo)實時采集。傳感器類型及作業(yè)指標(biāo)測量見表4。試驗平臺測量系統(tǒng)的傳感器布局見圖9。

表4 測量系統(tǒng)傳感器類型及作業(yè)指標(biāo)Tab. 4 Sensor type and key performance indicators of measurement system

圖9 解脫試驗傳感器測量系統(tǒng)Fig. 9 MNPP experimental sensor measurement system

3 定位系統(tǒng)解脫作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)分析

3.1 各階段關(guān)鍵指標(biāo)

在YOKE下放階段，由于主系泊纜與交叉纜的限位作用，YOKE剛臂繞單點頭部做縱搖運動。圖10～12是解脫作業(yè)過程YOKE下放角度、YOKE—船體距離和YOKE自身姿態(tài)運動狀態(tài)的變化情況。由圖10可知，在解脫作業(yè)前YOKE的初始姿態(tài)約為17.5°，解脫完成時YOKE的最終姿態(tài)24.2°，即YOKE由連接狀態(tài)到脫離狀態(tài)的變化。由圖11可知，從解脫作業(yè)開始到結(jié)束過程，YOKE—船體距離由初始的250.1 mm增大到640.6 mm。YOKE下放角度與YOKE—船體距離的變化可以準(zhǔn)確表征當(dāng)前的作業(yè)階段。由圖12可知，YOKE下放從293.3 s處開始，下放作業(yè)持續(xù)時間110.9 s，YOKE的下放速率穩(wěn)定在0.0617°/s，YOKE—船體距離的變化速率為3.7 mm/s?？梢园l(fā)現(xiàn)，YOKE解脫下放速率變化關(guān)系著作業(yè)安全與作業(yè)效率，基于試驗?zāi)M分析的量化指標(biāo)能夠為實際作業(yè)提供參考，避免過度依靠工程經(jīng)驗。

圖10 YOKE下放角度時程曲線Fig. 10 Time-history diagram of YOKE angle

圖11 YOKE—船體距離時程曲線Fig. 11 YOKE-ship displacement time-history diagram

圖12 YOKE姿態(tài)變化Fig. 12 YOKE attitude variation

基于解脫作業(yè)流程可知，在預(yù)緊提升纜的作業(yè)階段，YOKE姿態(tài)雖然沒有發(fā)生變化，但定位系統(tǒng)的受力狀態(tài)已發(fā)生調(diào)整。通過提升纜8繩復(fù)滑輪組的穿掛設(shè)計，錨機絞車的纜繩張力只需承擔(dān)被拴掛結(jié)構(gòu)重力的1/8。從圖13纜繩張力的變化情況，可以完整反映定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的各個階段。由圖13可知，在0～76.5 s，解脫作業(yè)處于準(zhǔn)備階段，提升纜繩保持松弛狀態(tài)，張力情況基本為0；在76.5 s時刻，左右舷錨機絞車開始收緊提升纜，在4.3 s內(nèi)提升纜繩張力增大到477 N；與此同時，由圖14可知系泊腿的軸力在對應(yīng)時刻由3 581 N變化為-148.5 N，受力狀態(tài)由拉變壓，YOKE的重力完全由系泊腿轉(zhuǎn)移到提升纜繩上，依靠提升纜、交叉纜以及主系泊纜的臨時系泊系統(tǒng)已經(jīng)完全替代定位系統(tǒng)的海上定位功能。

圖13 提升纜繩張力變化Fig. 13 Lifting cable tension time-history diagram

圖14 系泊腿軸力變化Fig. 14 Mooring leg force time-history diagram

當(dāng)提升纜繩完成定位系統(tǒng)的限位作業(yè)后，進(jìn)行法蘭螺栓的拆除作業(yè)，從圖13～14中標(biāo)注可見。在實際工程中螺栓拆除順序滿足對稱拆卸的要求，并結(jié)合YOKE壓載液的排放同步進(jìn)行。在292.4 s時，所有螺栓拆除完畢，釋放提升纜繩下放YOKE，系泊腿與YOKE分離處于不受力狀態(tài)，從圖14可知，系泊腿軸力由-148.5 N變?yōu)?。在293.3～404.2 s的YOKE下放階段，由于左右舷錨機絞車轉(zhuǎn)動作業(yè)，提升纜繩張力存在周期性的波動，變化幅值約為58.4 N，波動周期約為10.3 s，由于纜繩松動造成的張力峰值達(dá)到407.1 N?？紤]到提升纜在交變荷載作用下的安全狀態(tài)，絞車轉(zhuǎn)動速率的選取需要進(jìn)一步關(guān)注。圖15可以更直觀呈現(xiàn)提升纜繩張力與系泊腿軸力的對應(yīng)節(jié)點變化情況。

圖15 提升纜繩拉力與系泊腿受力對比Fig. 15 Comparison diagram of lifting cable and mooring leg

圖16給出了解脫作業(yè)過程中法蘭螺栓處加速度的曲線。注意到在292.4 s螺栓拆除完畢時，法蘭螺栓處的加速度值仍然基本為0；而在341.6 s，法蘭螺栓處的加速度突變到9.1g。這是由于螺栓拆除完畢，下部萬向節(jié)由于法蘭盤之間距離太小無法轉(zhuǎn)動，在提升纜繩釋放到一定距離之后，法蘭盤可完全分離不受約束，下部萬向節(jié)在YOKE處于傾斜狀態(tài)由于自身重力而發(fā)生轉(zhuǎn)動，造成法蘭盤撞擊YOKE剛臂現(xiàn)象。因此，由法蘭加速度響應(yīng)分析表明，在法蘭螺栓拆除完畢后，作業(yè)人員應(yīng)及時遠(yuǎn)離下部萬向節(jié)的轉(zhuǎn)動半徑，避免撞擊砸傷帶來的人員作業(yè)風(fēng)險。

圖16 法蘭連接處加速度響應(yīng)時程Fig. 16 Flange acceleration time-history diagram

3.2 各階段關(guān)鍵指標(biāo)

為了進(jìn)一步研究平臺運動對于解脫作業(yè)的影響，利用六自由度電動運動平臺模擬船體的運動情況，進(jìn)而分析定位系統(tǒng)解脫的動態(tài)作業(yè)指標(biāo)?？紤]到真實作業(yè)環(huán)境下拖輪及纜繩對平臺的限位作用，試驗?zāi)M中對六自由度電動運動平臺施加垂蕩工況。基于設(shè)計溫和海況下船體垂蕩數(shù)據(jù)換算得到試驗參數(shù)，文中在六自由度運動臺上模擬垂蕩工況，數(shù)據(jù)為幅值100 mm，頻率0.2 Hz的正弦波。

圖17是在該工況下定位系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的運動姿態(tài)，可以看出左右系泊腿和YOKE的x軸數(shù)據(jù)(橫蕩方向)具有明顯的周期性，是由于船體升沉帶動系泊腿抬高或放低YOKE，定位系統(tǒng)繞YOKE的橫搖—縱搖鉸接頭進(jìn)行縱搖。定位系統(tǒng)左右系泊腿受力情況如圖18所示，可以看出左右系泊腿的初始軸力約為3 985 N；動態(tài)工況下軸力變化趨勢基本一致，幅值變化約為160 N，動力學(xué)效果變化4%。

圖17 定位系統(tǒng)姿態(tài)變化Fig. 17 YOKE and mooring leg attitude diagram

圖18 左右系泊腿軸力變化Fig. 18 Mooring leg force time-history diagram

同時，提升纜在保持一定張力的情況下，在動態(tài)海況作用下的張力變化如圖19所示，左右提升纜的張力變化幅值分別為1.6 N、3.1 N，動力學(xué)效果為8.2%、9.7%。分析結(jié)果表明，考慮真實海況的船體運動，會顯著增大解脫作業(yè)指標(biāo)的動態(tài)效果。同時，對于提升纜繩在滿足靜態(tài)加載的強度校核情況下，其在真實海況下動力學(xué)因素在10%以內(nèi)，因此在解脫作業(yè)提升纜的選型中，要考慮增加一定的安全余量。

圖19 左右提升纜張力變化Fig. 19 Left/right lifting cable tension time-history diagram

3.3 現(xiàn)場解脫作業(yè)指標(biāo)推算

根據(jù)定位系統(tǒng)縮比尺模型和原型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)相似率，可以將試驗計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成核動力平臺真實結(jié)構(gòu)在解脫過程的作業(yè)指標(biāo)值。表5給出了平臺實際作業(yè)條件下YOKE下放的角速度、纜繩張力和提升纜繩張力幅值等指標(biāo)，可以為定位系統(tǒng)現(xiàn)場解脫設(shè)備選型、作業(yè)設(shè)計、人員操作安全性提供參考。

表5 作業(yè)指標(biāo)原型推算Tab. 5 Prototype calculation table of key performance indicators

4 結(jié) 語

開展了海洋核動力平臺定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的模型試驗，考慮了各階段作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)和動態(tài)作業(yè)關(guān)鍵指標(biāo)的變化，得出以下結(jié)論：

1)在國內(nèi)FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)解脫經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，給出了海洋核動力平臺定位系統(tǒng)解脫作業(yè)流程，建立了定位系統(tǒng)解脫作業(yè)故障樹模型。

2)基于故障事件的風(fēng)險傳遞路徑給出了定位系統(tǒng)解脫作業(yè)的風(fēng)險指標(biāo)，包括提升纜繩在限位狀態(tài)與解脫作業(yè)時的張力響應(yīng)、法蘭解脫時系泊腿下部萬向節(jié)振動響應(yīng)、系泊剛臂下放姿態(tài)等。搭建了定位系統(tǒng)1∶9縮尺比模型試驗平臺，模擬了定位系統(tǒng)全流程解脫作業(yè)，驗證了海洋核動力平臺定位系統(tǒng)解脫作業(yè)流程的可行性與有效性。

3)通過試驗結(jié)果分析了風(fēng)險作業(yè)指標(biāo)，可以準(zhǔn)確表征解脫作業(yè)的試驗準(zhǔn)備、提升纜預(yù)緊、拆除法蘭螺栓、釋放提升纜下放YOKE、解脫完成等各個作業(yè)階段。考慮船體動力學(xué)因素，基于試驗系統(tǒng)相似準(zhǔn)則將風(fēng)險作業(yè)指標(biāo)推算到真實結(jié)構(gòu)，為定位系統(tǒng)現(xiàn)場解脫設(shè)備選型、作業(yè)設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)，可結(jié)合工程經(jīng)驗指導(dǎo)解脫作業(yè)安全高效地實施。