文昌13-6导管架下水过程模拟与分析

王文科，韩井波，刘吉林

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，山东蓬莱265607

文昌13-6导管架下水过程模拟与分析

王文科1，韩井波2，刘吉林1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司，山东蓬莱265607

导管架滑移下水过程是指导管架从有一定纵倾的下水驳船上靠自重滑移下水，直至与驳船分离并在水中达到漂浮状态的过程。文章以文昌13-6导管架为模型，采用MOSES软件对下水过程进行时域模拟，并且运用敏感性分析计算来综合判断导管架和驳船下水过程的稳定性与安全性，计算结果表明整个下水过程安全可靠，且与海上施工现场实际情况基本一致。

导管架；驳船；下水；敏感性分析

1 概述

国内200 m水深以内海上油气田通常采用导管架形式进行开发，由于浮吊能力的限制，深水导管架海上安装通过滑移下水来实现。海上安装风险大、作业成本高，所以下水过程的分析与计算十分关键。本文采用MOSES软件进行三维过程数值模拟分析和结构分析。把导管架和驳船看作具有6个自由度的刚体，且两个刚体之间通过滑道和摇臂相对运动，同时其结构分析要考虑导管架和驳船的变形。

2 下水过程模拟

2.1 模拟步骤

（1）根据船舶资料在MOSES软件中建立驳船模型。

（2）从SACS中导出导管架模型，注意添加额外的附件。比如下水滑道、导管架上的滑道梁等连接件，防沉板和阳极等附属结构。

（3）定义初始下水状态的参数，包括：驳船纵倾、吃水、导管架初始位置、绞车速度等。将系统压载至所需要的状态，导管架和驳船系统准备好进行时域模拟。

（4）调整导管架，使其滑移到重心通过摇臂，导管架成倾斜状态。

（5）在摇臂的协助下导管架继续滑移直至与驳船完全脱离，俯冲入水最后达到稳定的漂浮状态。

2.2 模拟过程分析

导管架下水示意见图1。

图1 导管架下水示意

在导管架滑移下水过程中，导管架和驳船都是运动物体。模拟物体运动过程采用动态平衡原理，即运动物体的惯性力和其所受外力是瞬时平衡的，利用该平衡方程来求解物体运动的过程，即时间历程分析法（时域分析法）。

导管架滑移下水过程是在水中的一个三维空间运动过程。在数值模拟分析中，要考虑动水拖曳力、动水惯性力、驳船和导管架的相互作用力、杆件惯性力、重力和浮力等。其中二者的相互作用是指在初始阶段驳船和导管架被约束在一起的运动，此约束需在方程的刚度矩阵里考虑。

在初始阶段，带有质量和惯性特征的导管架作为刚体，受绞车索引力或液压缸的推力，当引力或推力大于静摩擦力时，导管架沿驳船滑道滑移。当驳船的纵倾角度使导管架的自重克服动摩擦力向前运动时，此时导管架的运动是加速的过程。此时计算导管架与驳船之间的相互作用力，并可预测导管架何时发生转动。

同样，驳船也被模拟成可动的，当导管架加速向船艉运动时，驳船也向离开导管架的方向运动。驳船在运动过程中的动力特性包括附加水质量、阻力、摩擦力和水面刚度。

当导管架的顶部钻入水中时，导管架所受的静水压力和动水压力用Morison公式计算。此时，要随时累积附加水质量，因此在每一时段都要修正方程中的质量矩阵。驳船运动和湿表面压力可以通过2D切片理论求得。

在下水运动分析中，导管架和驳船的相互运动是通过解耦的方法进行分析的，即把导管架和驳船离散成单个体来考虑动态平衡，建立运动方程。导管架和驳船的相互作用力体现在各自的运动方程中。

由以上分析方法可知，导管架的重量、重心及构件型式和驳船的详细参数对分析结果影响很大，为准确模拟导管架的下水过程，需要尽可能准确模拟导管架和驳船的模型，包括导管架附件。

3 工程实例

3.1 计算模型

文昌13-6导管架为4腿12裙桩结构，质量为7 012 t，其立体视图如图2所示。

图2 导管架立体视图

驳船海洋石油221规格142 m×36 m×9.75 m，空船质量8 592.5 t，下水驳船模型如图3所示。现场水深116.3 m。

图3 下水驳船模型

3.2 下水初始条件

导管架距驳船艏部52 m，滑道高度1.8 m，下水前驳船压载，船舯吃水7.25 m，纵倾4.25°，动摩擦系数0.06。计算分析中常用到图4所示的四种坐标系。

3.3 结果分析

导管架从开始滑移状态到下水至最终分离状态的时间是50.3 s。导管架下水轨迹和关键步骤见图5。

从图5可以看出，整个下水过程导管架的运动轨迹基本平稳。驳船和导管架横摇角度都很小，摇臂顺利转动，支反力也远小于许用载荷（单个摇臂许用荷载为31 360 kN，驳船入水深度7.32 m，许用值21.1 m，泥面间隙64.41 m，满足规范要求。因而下水过程安全可行。

图4 计算分析坐标系统

4 敏感性研究

影响下水过程的参数众多，根据设计规格书的要求选取适当的重心坐标位置、动摩擦系数、导管架重量三类参数进行敏感性分析，并且与基本工况结果进行比较，来验证基本工况参数是否恰当，见表2。

从表2可以看出，敏感性研究选择的工况计算结果与基本工况比较变化很小，不会产生过度敏感。因此敏感性满足规格书要求。

图5 导管架下水轨迹

表2 敏感性工况计算

5 结束语

本文论述了文昌13-6导管架的下水计算过程及计算方法，对基本工况和敏感性的10种工况的结果进行了对比验证，导管架和驳船的运动轨迹平稳，计算结果满足规格书和相关规范要求。下水之前导管架的4根湿拖缆与驳船提前挂好，保证导管架和驳船的安全，待下水完成后立即湿拖就位。计算结果最终也得到了海上施工现场的验证：驳船压载到尾倾3°左右开始切割防滑板，导管架开始在滑道上缓缓移动，过后加速下滑至俯冲入水，整个过程十分平稳。

表2 敏感性工况计算（续）

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Simulation and Analysis ofWenchang 13-6 Jacket L aunch

Wang Wenke1，Han Jingbo2，Liu Jilin1
1.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.PenglaiJutalOffshore Engineering Heavy Industries Co.，Ltd.，Penglai265607，China

Jacket launch is the procedure that a jacket sliding into water from a trim barge by itself weight，until being separated from the barge and floating on the water.In this paper，Wenchang 13-6 jacket is taken as a model to simulate the launching process in time-domain by software MOSES，and the sensitivity analysis calculation is used to determine the stability and safety of the integrated jacket and barge launching process.The simulation results show that the whole launching process is safe and reliable，which is then verified by offshore construction practice.

jacket；barge；launch；sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.006

王文科（1980-），男，安徽太湖人，工程师，2006年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，硕士，现从事海洋石油工程设计与安装工作。

2014-04-10；

2014-07-07