惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托安装数值模拟及模型试验对比分析

许 南 李 宏 于文太 秦立成 王奕晟 王 飚

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300461； 2. 环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082； 3. 北京大学物理学院 北京 100871)

惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托安装数值模拟及模型试验对比分析

许 南1李 宏2于文太1秦立成1王奕晟3王 飚1

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300461； 2. 环境保护部核与辐射安全中心 北京 100082； 3. 北京大学物理学院 北京 100871)

许南,李宏,于文太，等.惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托安装数值模拟及模型试验对比分析[J].中国海上油气，2016,28(5)：115-119.

Xu Nan,Li Hong,Yu Wentai,et al.Comparative analysis between numerical simulation and model tests on dynamic positioning float-over installation of jacket platform topsides in HZ 25-8 oilfield[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):115-119.

以惠州25-8油田导管架平台上部模块为例，对用“海洋石油278”工程船作为动力定位船进行动力定位浮托安装进行了动力定位能力、待命运动、进退船护舷受力等的数值模拟和模型试验的对比分析，结果表明：数值模拟分析可以比较经济地进行“海洋石油278”工程船的动力定位浮托模拟，但数值模拟的各种参数选定比较理想化，因此有相关经验的设计项目可以进行数值模拟分析，而没有相关经验的设计项目则应增加模型试验，以验证数据分析的准确性；动力定位水池模型试验能较好地验证动力定位船的定位能力，但所得出运动结果数值偏大，说明水池模型试验受外部的影响因素较大，再加上缩尺比、控制系统、推进器的效率比例模拟等都会影响真实情况，因此，制定浮托模拟演练并加强动力定位船舶的海上训练对于动力定位浮托来说会更有意义。

惠州25-8油田；导管架平台；上部模块；动力定位；浮托安装；数值模拟；模型试验；对比分析

传统的平台安装方法主要是利用浮吊船把平台上部模块分成多个吊装就位，这种方法不仅需要浮吊资源，而且需要长的工期及长时间的调试，有时候还会受到浮吊能力的限制。目前海上平台正在向集约化、大型化方向发展，平台模块的尺寸和整体质量也随之增大，这对海上平台的安装技术和作业能力提出了更高的要求。常规无动力的驳船浮托安装需要进行系泊系统定位及辅助拖轮牵引，而动力定位浮托安装不仅无须进行系泊系统定位及辅助拖轮牵引，现场安装效率较快，而且定位的成本不会随着水深的增加而增加。在我国环境恶劣的南海，传统的浮托安装常常会受到海况的限制，而动力定位浮托安装需要的时间窗口又相对较小，且动力定位在计算分析中有一定的局限性[1-5]，因此须要利用模型试验的方法来克服。本文以惠州25-8 油田导管架平台上部模块为例，开展动力定位浮托安装数值模拟与模型试验分析，旨在为该平台上部组块动力定位浮托安装提供参考依据，并验证设计分析的准确性。

1 参数选取

惠州25-8 油田位于中国南海珠江口盆地，距离香港东南方约140 km，水深为100.1 m，该油田导管架平台上部模块重达13 000 t,因此选用“海洋石油278”工程船完成动力定位浮托安装。“海洋石油278”工程船装备有动力定位系统，其推力系统包括3套槽道推进器、2套全回旋推进器、2套主推进器及2副舵。

1.1 动力定位船参数

“海洋石油278”工程船总长221.6 m，型宽42.0 m，型深13.3 m，最大下潜深度26.8 m，装载后水面以上最大宽度51.623 m，其中船首右舷超出5.719 m，船尾左舷超出3.905 m，含压载水的装载量为50 424 t，总装载量53 500 t，为全球首艘带动力定位的5万吨级自航式半潜船。该船甲板面积7 500 m2，可用于大型模块的浮托法安装、装卸以及运输钻井平台和其他大型钢结构物,航行速度26 km/h,质量为24 195 t,重心处于沿船长方向117.95 m、横向0.139 m、垂向11.656 m的位置其外形如图1所示。

“海洋石油278”工程船装载惠州25-8油田导管架平台上部模块运输到现场，进船吃水8 m，无纵倾、横倾，在进船、对接、退船等操作时主要缓冲装置分别为横荡护舷、纵荡护舷、桩腿耦合缓冲装置、组块支撑装置等，如图2所示。其中，横荡护舷用来控制横向运动，减小横向运动载荷，由橡胶做成的护舷吸能装置主要安装在导管架内桩腿上；利用力-变形曲线计算横荡护舷受力，导管架刚度为14 500 Mt/m，计算过程中采用了弹性体和导管架的综合刚度。纵荡护舷用来控制纵向运动，减小纵向运动载荷，由橡胶做成的护舷吸能装置主要安装在导管架桩腿A2和A3上;利用力-变形曲线计算纵荡护舷的受力，进船时导管架刚度为16 750 Mt/m,退船时导管架刚度为22 500 Mt/m。此外，桩腿耦合缓冲装置和模块支撑装置也是利用橡胶来吸能，计算过程中也输入了非线性曲线。

图1 “海洋石油278”工程船外形图

图2 惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托缓冲装置分布图

1.2 坐标方向

如图3所示，坐标x方向由船尾指向船头,y方向由船尾指向左舷,z方向垂直向上,模拟中风、浪、流方向假设为同向，风、浪、流等环境条件的入射角度均满足大地坐标系定义。当“海洋石油278”工程船处于待命就位、进船状态时，工程船和上部模块可视为一个刚体，其在任意时刻的复杂运动可以分解为6个自由度的运动，即3个线位移(纵荡、横荡、垂荡)与3个角位移(横摇、纵摇、首摇)。当“海洋石油278”工程船处于退船状态时，上部模块已经转移到导管架上，仅有工程船一个刚体，局部坐标系位于工程船重心，以右手法则定义。

图3 惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托安装数值模拟坐标方向

1.3 海况参数

确定浮托环境条件时，每45°为1个方向，共8个方向，进船、对接、退船分析过程中采用的海况参数见表1。

表1 南海海况参数

2 数值模拟与模型试验

2.1 数值模拟

数值模拟采用水动力力学分析软件AQWA，通过三维势流理论计算湿表面上的波浪力，考虑邻近结构间的流体动力学相互作用，因而可以考虑某一结构的运动可能影响另一结构的运动[6-9]。水动力学分析的3个步骤为：①进行水线面下船体的绕射分析，以确定该船的运动响应参数；②利用AQWA软件具有移除波浪扰动时平衡的能力，在非线性时域分析开始时，通过AQWA-Libr找到整个系统的静平衡位置，并作为非线性时域分析的起始位置；③对整个系统包括船体、上部模块和导管架进行非线性时域分析，从而计算运动和相互作用产生的荷载。此外，在浮托安装分析过程中对存在的非线性接触对(横荡护舷、纵荡护舷、桩腿耦合缓冲装置、模块支撑装置)都进行了非线性考虑，如图4所示。惠州25-8油田导管架平台上部模块浮托水动力模型见图5，该模型由1 988个单元组成。

图4 惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托对接分析相互作用图

图5 惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托水动力模型图

2.2 模型试验

模型试验的主要目的是研究动力定位浮托安装的关键流程，并对动力定位浮托安装的可行性和工程设计方案进行验证[10]。模型试验在上海交通大学的海洋工程水池进行(图6)，模型缩尺比为1∶36，使用的模型设备主要有：钢制浮托用导管架模型1个，木制“海洋石油278”工程船模型1艘，导管架平台的上部模块模型1套，上部模块支撑及连接机构模型1套，护舷模型1套，7套推进器及其驱动电机，2副舵及其驱动电机。主要进行了3个试验：待命就位状态试验、进船状态试验、退船状态试验。

图6 惠州25-8油田导管架平台上部模块动力定位浮托模型试验图

3 结果对比分析

3.1 动力定位能力分析

考虑到实际作业中推进器能抵消外载荷的动力效应,设定可用推力值为最大推力的80%,数值模拟分析得出了所有推进器正常工作下的动力定位能力曲线图(图7)。从图7可以看出，“海洋石油278”工程船在纵向方向上(0°和180°)的动力定位能力较高，抵抗的风速较大；当首向角处于30～150°和210～330°范围内时，动力定位能力较差。模型试验结果显示，45°、90°和135°首向角海况下不能完成定位。分析认为，数值模拟结果显示当首向角为45°时，浮托船能抵抗15 m/s以上的风速，但动力定位能力曲线仅考虑了静态载荷，未涉及“海洋石油278”工程船的波频运动和环境动态载荷。由此可见,模型试验能很好地弥补数值模拟分析的不足。

图7 惠州25-8油田导管架平台上部模块浮托数值模拟动力定位能力曲线

3.2 待命运动分析

表2为“海洋石油278”工程船在0°和180°首向角待命就位的运动统计结果。从表2可以看出，在时域模拟中，“海洋石油278”工程船在180°和0°首向角的环境载荷作用下均可以实现高精度的定位，平均漂移半径分别为0.573 4 m和0.533 3 m，最大漂移半径均不超过1 m。在模型试验中，“海洋石油278”工程船在180°和0°首向角的环境载荷作用下偏移半径较大，动力定位效果不够理想，其平均漂移半径分别为5.34 m和6.16 m。由于首向角为180°工况下船首与波浪保持相对较好的流线形状，所以“海洋石油278”工程船在180°首向角的环境载荷下的首摇和横荡运动要比在0°环境载荷下的运动小得多。对比分析可以看出，“海洋石油278”工程船时域模拟的定位情况要比模型试验的结果稍好，主要原因在于模型试验易受到外界环境变化的扰动，而时域模拟的模型相对简化，加之动力定位系统的非线性，其最大值、标准差的统计结果均比时域模拟结果大一些。因此，对于动力定位浮托来说，制定浮托模拟演练并加强动力定位船舶的海上训练会更有意义。

表2 “海洋石油278”工程船在0°和180°首向角待命就位运动统计分析

3.3 进退船护弦受力分析

由于本次动力定位浮托安装首次采用新型护舷结构形式,再加上护舷结构相对比较薄弱，因此主要对进退船时护舷受力进行分析。数值模拟分析中考虑了13种工况(进船3种工况、对接7种工况、退船3种工况)，得到了进退船过程中横荡护舷、纵荡护舷的受力以及对接过程中横荡护舷、纵荡护舷、桩腿耦合缓冲装置、模块支撑装置的受力等。结果显示，进船时横荡护舷和纵荡护舷的最大受力分别为2 560 kN和1 240 kN，退船时横荡护舷和纵荡护舷的最大受力分别为2 350 kN和890 kN，满足设计要求。

模型试验中采用了相同的设计海况。从护舷压力来看，进船时在首向角为180°和0°工况下具有较好的进船特性，最大护舷压力分别为1 710 kN和1 850 kN，大部分护舷压力在1000 kN以内；在首向角为135°、90°、45°工况下大部分护舷压力普遍大于1 000 kN，最大护舷压力分别为2 150、2 140和2 120 kN。退船时在首向角为135°、90°、45°工况下大部分护舷压力普遍大于1 000 kN，最大护舷压力分别为2 340、2 220和1 960 kN。由此可见，模型试验结果与数值模拟分析结果基本一致。

4 结论

1) 数值模拟分析可以比较经济地进行“海洋石油278”工程船的动力定位浮托模拟，但数值模拟中各种参数选定比较理想化，因此有相关经验的设计项目可以进行数值模拟分析，而没有相关经验的设计项目则应增加模型试验，以验证数据分析的准确性。

2) 动力定位水池模型试验能较好地验证动力定位船的定位能力，但所得出的运动结果数值偏大，说明水池模型试验受外部的影响因素较大，再加上缩尺比、控制系统、推进器的效率比例模拟等都会影响真实情况，因此制定浮托模拟演练并加强动力定位船舶的海上训练，对于动力定位浮托来说会更有意义。

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(编辑：叶秋敏)

Comparative analysis between numerical simulation and model tests on dynamic positioning float-over installation of jacket platform topsides in HZ25-8 oilfield

Xu Nan1Li Hong2Yu Wentai1Qin Licheng1Wang Yisheng3Wang Biao1

(1.OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300461,China; 2.MEPNuclearandRadiationSafetyCenter,Beijing100082,China; 3.SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Taking the topsides on jacket platforms in HZ25-8 oilfield as an example, comparative analyses between numerical simulation and physical model tests on the DP capability, standby motion, and fender stress etc. were carried out on float-over installation with HYSY278 vessel as the dynamic positioning vessel. The results show that float-over simulation with HYSY278 vessel dynamic positioning can be numerically simulated economically, but various parameters in the simulation can be idealized. A design project can be finished with numerical simulation if the relevant experience exists; otherwise physical model tests should also be utilized to verify the numerical analysis accuracy. Physical model tests on dynamic positioning can verify the positioning capability, but the resulting motion value is erroneously higher, which indicates that the model tests are influenced by some external factors, as well as by the scale, control system, thruster efficiency ratio etc. Therefore, developing the float-over simulation scheme and strengthening training on dynamic positioning vessels will be more meaningful for the dynamic positioning float-over installation.

HZ25-8 oilfield; jacket platform; topside; dynamic positioning; float-over installation; numerical simulation; physical model test; comparative analysis

许南，男，高级工程师，1985年毕业于天津大学船舶设计与制造专业，现主要从事海洋工程科研及施工管理等方面工作。地址：天津港保税区海滨十五路199号(邮编：300461)。

1673-1506(2016)05-0115-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.019

P751

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