張艷芳,趙佳寧,黃懷州,王亮,袁玉杰

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

海上平臺(tái)分為固定式平臺(tái)和浮式平臺(tái)兩大類。固定式海上平臺(tái)井口數(shù)量多,井口壓力大,工程投資少,運(yùn)營(yíng)成本低,被認(rèn)為是水深500 m以淺最為經(jīng)濟(jì)的油氣資源開發(fā)方式。浮式平臺(tái)適用于500～3 000 m深水海上油氣資源開發(fā),深水開發(fā)能力強(qiáng),可移動(dòng)性強(qiáng),安全穩(wěn)定 。但對(duì)于300～500 m水深的油氣資源開發(fā),浮式平臺(tái)受限于生產(chǎn)成本和效率,固定式平臺(tái)受限于深水技術(shù)能力,一直以來(lái)都是我國(guó)深海油氣資源開發(fā)的空白區(qū)與挑戰(zhàn)區(qū)[1]。原因在于,根據(jù)常規(guī)導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)規(guī)范,300 m水深的導(dǎo)管架重量要達(dá)到4萬(wàn)t以上[2],而目前國(guó)內(nèi)最大的可入水駁船海洋石油229最大下水能力僅有3萬(wàn)t,無(wú)法滿足實(shí)際條件。同時(shí),在拖航過(guò)程中巨大的重量和剛度不僅會(huì)帶來(lái)諸如裝船強(qiáng)度要求高,也會(huì)帶來(lái)在位動(dòng)力荷載增大等一系列問(wèn)題[3]。因此,如何優(yōu)化深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)算法成為亟待解決的問(wèn)題。本文以拖航算法為例,對(duì)比兩種高度、重量差異巨大的導(dǎo)管架,利用MOSES和SCAS軟件對(duì)其在相同拖航工況下進(jìn)行拖航分析,對(duì)拖航工況的算法進(jìn)行優(yōu)化,使其更貼合工程實(shí)際,滿足300 m水深級(jí)導(dǎo)管架拖航設(shè)計(jì)需求。

1 拖航參數(shù)

兩型導(dǎo)管架的拖航模型見圖1。100 m水深的常規(guī)導(dǎo)管架設(shè)計(jì)高度140 m,重量為12 500 t,結(jié)構(gòu)形式為8腿12裙樁。300 m水深級(jí)深水導(dǎo)管架設(shè)計(jì)高度345 m,重量為36 500 t,結(jié)構(gòu)形式為4腿(4下水腿)16裙樁。兩型導(dǎo)管架拖航路徑均位于南海東部開敞海域,該海域有效波高為4.7 m,譜峰周期11.69 s,拖航風(fēng)速22.68 m/s。拖航駁船為 “海洋石油229”,駁船型深14.5 m,長(zhǎng)度為215 m,最大入水深度22.5 m。

圖1 導(dǎo)管架拖航結(jié)構(gòu)模型

2 剛性船體法與計(jì)算結(jié)果

以DNVGL-ST-N001規(guī)范為依據(jù)的常規(guī)導(dǎo)管架拖航分析方法是以假設(shè)拖航駁船為剛性作為設(shè)計(jì)前提的[4],也稱為剛性船體法。方法針對(duì)T型駁船,采用三維勢(shì)流理論計(jì)算作用在船體上的波浪荷載,使用頻域分析方法計(jì)算導(dǎo)管架重心處的運(yùn)動(dòng)位移幅值和加速度幅值的1/1 000最大值,考慮迎浪、隨浪、橫浪和斜浪8個(gè)來(lái)浪方向[5]。通過(guò)SACS軟件將運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力荷載、導(dǎo)管架自重、風(fēng)荷載聯(lián)合作用在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型上。最后對(duì)導(dǎo)管架重心處6個(gè)自由度的拖航運(yùn)動(dòng)荷載幅值進(jìn)行組合,以考慮不同自由度運(yùn)動(dòng)的相位差。

剛性船體法計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 剛性船體法導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

在相同邊界條件下,100 m水深級(jí)常規(guī)導(dǎo)管架對(duì)于剛性船體有良好的適應(yīng)性,結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布均勻,主傳力路徑集中在下水桁架結(jié)構(gòu)和與桁架結(jié)構(gòu)相連的水平層結(jié)構(gòu)上,整體應(yīng)力水平比較低,見圖2a)。300 m水深級(jí)深水導(dǎo)管架拖航工況整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平雖不高,但出現(xiàn)了相對(duì)集中的兩處高應(yīng)力區(qū)域,分別是為外懸結(jié)構(gòu)提供支撐的船艏船艉處的下水桁架以及相鄰桿件結(jié)構(gòu)上,見圖2b)。以上位置桿件出現(xiàn)較多超應(yīng)力的原因:受現(xiàn)有船舶資源限制,對(duì)于300 m水深級(jí)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)無(wú)法全部置于駁船之上,船艏船艉以外存在大量的外懸結(jié)構(gòu),其僅靠一端支撐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其在駁船運(yùn)動(dòng)時(shí)受慣性荷載影響很大[6],同時(shí)大尺度也帶來(lái)了整體結(jié)構(gòu)變形較大;此外,假定的剛性船體與導(dǎo)管架變形匹配性的差異產(chǎn)生了較高的位移荷載。

對(duì)于100 m水深級(jí)的常規(guī)導(dǎo)管架整體尺度較小,剛度大,長(zhǎng)度小于駁船型長(zhǎng),下水桁架整體位于駁船滑道上,拖航過(guò)程中的產(chǎn)生的變形較小,且沿船長(zhǎng)方向整體位移比較平均。因此,剛性船體法可適用于設(shè)計(jì)高度100 m左右的導(dǎo)管架拖航分析。然而,對(duì)于300 m水深級(jí)導(dǎo)管架,若采用剛性船體法結(jié)構(gòu)柔性的增加會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管架整體變形增加,產(chǎn)生極大的變形荷載。因此,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足300 m水深級(jí)導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)需要,需對(duì)分析計(jì)算法進(jìn)行優(yōu)化。

3 柔性船體法與計(jì)算結(jié)果

基于波浪載荷計(jì)算中的切片理論,即船體在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生沿船體方向疊加的流體作用力,船舶在流體的作用力影響下產(chǎn)生6個(gè)自由度的加速度幅值,從而使導(dǎo)管架產(chǎn)生慣性荷載,同時(shí)考慮導(dǎo)管架對(duì)船體剛度的貢獻(xiàn),對(duì)二者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)耦合分析,通過(guò)迭代計(jì)算可得到相對(duì)準(zhǔn)確的船體變形。分別考慮靜水、中垂、中拱三種工況[7-8];對(duì)于靜水工況不考慮風(fēng)、波、流的影響,可模擬導(dǎo)管架裝船完成平穩(wěn)狀態(tài)下船體的初始變形;中垂、中拱工況則可模擬出駁船航行狀態(tài)下船體的最大凸起或凹陷的變形。模擬結(jié)果見圖3a),對(duì)于300 m水深級(jí)導(dǎo)管架在假設(shè)船艏、船艉為位移0點(diǎn)的前提下;靜水中船體變形整體為正值,最大變形出現(xiàn)在船中位置,由船中向艏艉兩側(cè)線性減小;中拱變形整體趨勢(shì)與靜水變形相近,位移值約為靜水變形的1.5倍;中垂變形趨勢(shì)與中拱變形相反,整體變形均為負(fù)值,變形絕對(duì)值與中拱變形相當(dāng)。

圖3 船體變形和支反力分布

靜水工況下,導(dǎo)管架和駁船聯(lián)合體僅受自重影響,因此靜水變形僅考慮聯(lián)合體自重荷載,從而得到導(dǎo)管架平穩(wěn)狀態(tài)下的初始結(jié)構(gòu)受力。拖航離港前需在導(dǎo)管架與駁船間焊接裝船固定,使二者牢牢固定在一起,在拖航過(guò)程中受風(fēng)、波、流荷載作用,船體和導(dǎo)管架聯(lián)合體此時(shí)會(huì)在初始變形的基礎(chǔ)上產(chǎn)生進(jìn)一步的變形。因此,中垂、中拱變形會(huì)與運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力荷載共同作用,從而得到導(dǎo)管架拖航運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)受力。優(yōu)化后的算法改變了常規(guī)算法中剛性船體的假設(shè),充分考慮了船體柔性產(chǎn)生的變形,因此可稱為柔性船體法。

導(dǎo)管架下水桁架支反力可較為直觀的反應(yīng)導(dǎo)管架拖航期間的受力狀態(tài)。由圖3b)可以看出,對(duì)于不同模擬方法,導(dǎo)管架受到的駁船的支反力相差較大,剛性船體產(chǎn)生支反力最大,且反力分布差異明顯,也可證明300 m水深級(jí)導(dǎo)管架對(duì)于剛性船體法并不適用;而柔性船體所產(chǎn)生的支反力較剛性船體減少超過(guò)15%,支反力分布也更為均衡。

由柔性船體法分析得出的導(dǎo)管架應(yīng)力見圖4,可以看到在相同的邊界條件下,高應(yīng)力比桿件數(shù)量明顯減少,且無(wú)超應(yīng)力桿件。導(dǎo)管架整體應(yīng)力水平更為均衡,高應(yīng)力桿件集中出現(xiàn)的區(qū)域應(yīng)力下降約30%。

圖4 柔性船體法導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

此外,為了直觀展示導(dǎo)管架的變形及趨勢(shì),對(duì)比剛性船體法與柔性船體法的變形趨勢(shì)見圖5,剛性船體法在剛性船體擠壓下船艏、艉以外導(dǎo)管架懸臂部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的凸增變形,有分析認(rèn)為常規(guī)高強(qiáng)鋼材的彈性極限約為0.15%,超出彈性極限則會(huì)發(fā)生不可逆的永久變形即塑性變形[9]。然而通過(guò)優(yōu)化算法,用柔性船體分析方法進(jìn)行模擬,導(dǎo)管架的變形趨勢(shì)更為平緩,船艏、船艉的導(dǎo)管架變形平順,無(wú)明顯的塑性變形痕跡。因此,考慮柔性船體的算法優(yōu)化對(duì)300 m水深級(jí)導(dǎo)管架的拖航分析更為適用。

圖5 剛性船體與柔性船體導(dǎo)管架拖航分析位移對(duì)比

4 結(jié)論

1)剛性船體法適用于100 m水深級(jí)導(dǎo)管架的拖航模擬,不適用于300 m水深的導(dǎo)管架拖航模擬。

2)考慮拖航過(guò)程中船體變形的柔性船體法適用于水深300 m水深級(jí)導(dǎo)管架拖航模擬。