推力器失效形式对DP-2级动力定位系统最优作业方向影响

刘翰林，王 磊，闫 芳

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

推力器失效形式对DP-2级动力定位系统最优作业方向影响

刘翰林，王 磊，闫 芳

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

以3 000 m水深DP-2级动力定位半潜平台为算例，研究在风浪流同向作用下，平台在各个角度下所能抵抗的最大外界环境力，得到最优作业方向。在此角度下，着重分析当不同推力器失效时，对动力定位能力的影响。得到一般规律，并推广到一般平台。

动力定位;半潜平台;定位能力;推力器失效

动力定位系统是使海上浮动结构物利用其自身动力抵御海上风、浪、流的影响，自动保持于设定位置和方位的一项技术［1］。其基本构成有测位系统、控制系统及推力装置［2］。鉴于动力定位系统在实际工作过程中存在一个甚至多个推力器失效的可能，要考虑这种情况下对定位能力的影响。深水半潜平台动力定位能力分析涉及到的理论计算主要包括两部分，王亮［3］对动力定位能力曲线进行过系统的分析与计算;李勇跃［4］则从时域模拟的角度对平台定位能力及最优方向进行了研究。Ayman B Mahfouz［5-6］曾利用定位能力曲线图对船体及平台进行定位能力的分析，但并未考虑推进器失效的情况。以在风浪流载荷作用下3 000 m水深DP-2级动力定位半潜平台为算例，进行动态模拟，绘出定位能力曲线图，首先模拟所有推力器正常工作的情况得到定位能力的最佳方向，这里的最佳作业方向是指抵抗外界环境力最大的方向。在此DP-2级系统分析中，只考虑存在一个推力器停止工作的失效形式。最终得到不同推力器失效形式对最优作业方向的影响，为实际工程提供理论依据。

1 外载荷理论计算

1.1 风载荷研究

风载荷采用模块法(building block method)进行计算［7］。

结构的总载荷:

式中:Cqi为影响修正系数，计及了风场的影响、构件间的相互影响等。

风力矩:

式中:L为力作用点与重心之间距离。

1.2 流载荷研究

流载荷的计算方法与风载荷相同，同样采用模块法计算。需要考虑的组成构件包括:4根立柱的水下部分(长方体模块)，2个浮靴(下浮体模块)，计算中考虑推进器的存在的影响。

作用在浮体上的流力:

流力矩:

式中:V为流相对于附体运动的相对流速;ρw为流体密度;A为附体在流速方向上的投影面积;Cdc为阻力系数;L为力作用点到重心距离。

1.3 二阶波浪漂移力研究

二阶波浪力计算采用近场积分理论。先利用三维源汇法基于物面的压力和力矩积分，在频域中计算出在任一给定波浪遭遇角的二阶传递函数P(ω1，ω2)，Q(ω1，ω2)［8］。在应用Fourier变换把二阶传递函数转化为二次脉冲响应函数 g(τ1，τ2):

结合给定波浪时历ζ(t)，则二阶波浪漂移力的时历可由下式计算得到:

2 动力定位能力计算

2.1 定位能力计算要求

动力定位能力指在给定的环境运转条件下一艘动力定位平台保持位置的能力。考虑到风浪流条件的复杂性，认为三种载荷从同一方向作用，波浪条件在某一特定海域与风速又存在一定关系，所以动力定位能力分析的结果体现为在不同角度下所能承受的最大风速。

有关国际组织对动力定位能力曲线的计算都制定了各自的规定或指导方法，计算要求相似，具体可参考国际标准《石油和天然气工业海上建筑物的特殊要求》第7部分:《浮动式海上建筑物和移动式海上设备的定位系统》(标准号:ISO 19901-7-2005)［9］;美国石油协会(API)的RP 2SK部分《浮式结构定位系统设计和分析的推荐作法》［10］以及国际海事承包商协会(IMCA)的建议《动力定位能力曲线说明书》［11］。

动力定位能力曲线是通过在极坐标上一条从0°到360°的封闭包络曲线表达船体在指定推力系统参数及指定环境条件下的动力定位能力，通过船体能抵抗的最大环境条件来衡量。定位包络曲线上任意一点的角度坐标表示环境条件相对船体的来向，半径坐标表示该方向上船体所能保持定位的最大环境条件，通过最大风速衡量。其目的就是计算动力定位系统所产生的推力在各个方向上所能够抵抗的最大环境载荷。

2.2 定位能力计算流程

在建立环境载荷作用和推力产生的模型后，可以按图1所示的步骤进行定位能力曲线的计算。

选择一定风向间隔进行计算，如风向角每次增加5°，对各个风向角都重复上述过程，直到找到0°到360°之间所有风向角的最大风速，最后便可根据各个角度上计算得到的最大风速绘制出一条限制风速包络曲线，即是所谓的动力定位能力曲线［12］。

3 计算实例分析

3.1 平台及动力定位参数

3 000 m水深半潜钻井平台主要组成部件包括:下附体2个、柱形连接构件2个、立柱4根、主甲板、箱型甲板、居住舱楼、井架台、井架、起重机、直升机平台等。平台主要参数见表1。动力定位系统中推力器采用8个方位推进器并装配导管，推进器参数见表2，布置见图2所示。

图1 动力定位能力曲线计算流程Fig.1 Calculation flow diagram of dynamic positioning capability curve

表1 平台主尺度Tab.1 Main parameters of semi-submersible platform

表2 推力器参数Tab.2 Main parameters of thruster

在螺旋桨工作时将禁止角上下限设为15°［13］，推力冗余为20%。另外，由于平台的动力定位系统达到DP-2级别，所以计算过程中只要考虑最多有一个推力器停止工作的不同失效形式［14］。一组完整工况参数全部确定后，便可计算在该工况条件下的定位能力曲线，以每5°风向为间隔计算得到结果。

图2 推力器布置示意Fig.2 layout of thrusters

3.2 计算海况

计算海洋环境要素见表3。

表3 海洋环境条件Tab.3 Environment condition

由平台结构的布置对称的情况及外界环境力的特点可知，对于定位能力而言，2号与1号、4号与3号、5号与6号、7号与8号失效为等效。故这里只展示不同的5种工况。

3.3 定位能力及结果

从数据中可知，当风浪流的方向为10°时，得到最优作业方向，推力器产生推力及角度见表4。

表4 5种工况下推力器产生的推力和角度Tab.4 Thrust and angle of each thruster in the five conditions

3.4 计算结果分析

根据定位能力曲线及相关数据值(见图3)可得出如下结论:

1)所有推力器正常工作情况下，得到平台所能承受的极限海况方向为10°即风浪流方向与平台艏向角的夹角为10°，在此角度下可以抵抗最大的外界环境力，故为平台的最优作业方向。而非0°方向(迎向风浪流方向)，虽然此角度可以产生最大的推力抵抗环境力，然而要保持平台的位置，不仅要顾及外界环境力的影响，还要考虑对所产生力矩的抵抗作用。

图3 5种工况下定位能力曲线Fig.3 Positioning capability curres in the five conditions

2)当风浪流方向为10°时，通过读取各个工况的推力器工作角度可知，与外界环境力方向的最大夹角不超过30°，说明所有推力器产生推力的角度基本迎向外界环境力方向，推力器使用效率更高，功率消耗更小，是推力器的最佳工作方向。

3)在一个推力器失效的情况下，通过比较平台所能抵抗的极限海况值可知，当4或7推力器停止工作时，对定位能力的影响最为显著，根据工况1(推力器全好)的数据，4号，7号推力器产生的推力分别为518 kN和538 kN，虽然4号分配的推力并不是所有推进器中最大的，但是由于外界风浪流方向为10°，所以4号推力器处于平台的最外侧，推力的作用距离最长，所以4号推力器产生的力矩对保持平台艏向角不变具有最为重要作用。7号推力器同时提供最大的推力与力矩，此处对力矩的考虑意义要大于对力的考虑。所以在外界环境力的方向为10°时，4号、7号失效，平台所能承受的极限风速下降幅度最大。

4)通过观察动力定位能力曲线图并综合分析各个工况的数据，虽然当有推力器停止工作时，平台所抵抗的极限海况方向不是10°即存在推力器失效的情况下，最优作业方向不再是10°，但是，在此角度下，平台所抵抗的外界环境力仍然很大，具有优良定位能力。再次说明了，无论有无推力器失效，最优作业方向应设为 10°。

4 结语

通过对3 000 m水深半潜平台定位能力的计算分析，可以得到平台抵抗的最大外界环境力的方向。并主要研究了在最优作业方向上，当存在单个推力器失效的情况下，对定位能力的影响大小，进而得出当4号，7号推力器失效时，平台所能抵抗的外界环境力最小，定位能力最差。推广到一般的平台，在工作方向上，当平台最外侧的推进器所提供的力矩对保持平台的定位能力具有更为重要的作用。因此，在平台实际工作时，对平台外侧的推进器更加予以重视，尽可能保证其正常工作。值得注意的是，这里所得到的结果仅仅是在提供的计算条件下得到的，如计算条件或计算模型发生变化，结果会相应发生变化，只是提供了处理此类问题的方法。

［1］赵志高，杨建民，王 磊，等.动力定位系统发展状况研究方法［J］.海洋工程，2002，20(1):91-97.

［2］王 亮.深海半潜式钻井平台动力定位能力分析［D］.上海:上海交通大学，2010.

［3］李永跃，王 磊，孙 攀.深水半潜式钻井平台动力定位最有作业方向研究［J］.海洋工程，2011，29(1):26-31.

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［5］Ayman B Mahfouz.Predicting the capability-polar-plots for dynamic positioning systems for offshore platforms using artificial neural networks［J］.Ocean Engineering，2007，34:1151-1163.

［6］高 捷，谭家华.浮式生产储油轮动力定位功率计算［J］.上海交通大学学报，1996，30(10):53-57.

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［14］中国船级社.钢质海船入级规范［S］.2006.

The effect of thruster failure on the optimal operational direction of DP-2 dynamic positioning system

LIU Han-lin，WANG Lei，YAN Fang
(State Key Lab of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

Taking a semi-submersible platform with a DP-2 dynamic positioning system working in 3000m depth water as an example，a research is taken on the maximum force of external environment，in which a platform can resist at various angles with the same direction of wind wave and current，and then an optimal operational direction is obtained.An analysis is made on the impact of different thruster failure on the dynamic positioning capability.Finally，a general discipline is obtained and can be extended to common platforms.

dynamic positioning;semi-submersible platform;positioning capability;thruster failure

P751;TK89

A

1005-9865(2012)02-0110-06

2011-07-15

工信部高技术船舶科研项目“深海半潜式钻井平台工程开发”

刘翰林(1987－)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士生，主要从事动力定位系统研究。

王 磊。E-mail:wanglei@sjtu.edu.cn