动力定位浮托安装法退船工况模型试验

王 飚， 秦立成， 王 磊

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.上海交通大学 高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240)

·实验技术·

动力定位浮托安装法退船工况模型试验

王 飚1， 秦立成1， 王 磊2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.上海交通大学 高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240)

针对惠州25-8DPP动力定位浮托组块的退船阶段进行模型试验，分析浮托安装船在不同的海洋环境下的退船过程，测量并分析浮托驳船的运动轨迹、推进器功率消耗以及护舷靠垫力，得到退船阶段的特性与规律。结果表明，180°与0°的退船工况具有较好的退船特性，并且在退船过程结束时，由于缺少靠垫力的作用以及受到风浪流环境力的作用，浮托驳船受到艏摇力矩的影响，容易出现甩尾现象。

浮托安装； 动力定位； 退船工况； 模型试验

0 引 言

随着海洋油气资源的勘探与开发的不断发展，可用于海洋油气资源勘探开发的大型设备的建造与安装难度问题逐渐受到人们重视[1]。传统的分别建造与吊装最后进行焊接组合的方法，其安装作业周期往往较长且耗费较多钢材，成本较高。单模块化整体安装方法不仅节约时间和施工成本，还能缩短海上连接调试时间，目前主要有两种整体安装方法，即为浮吊法与浮托法[2-3]。

浮吊安装法是利用大型起重船吊起整个上部组块然后准确吊放在平台的下部结构上，通常在安装中小型的上部模块时该方法使用较多[4-5]。浮托安装法是通过驳船运输上部组块到目标安装位置，在定位系统和拖轮的辅助下定位与下部结构对准，再将上部组块的质量缓慢转移到下部结构上的方法。其过程主要分为装船、运输、就位、进船、载荷转移与退船共6个阶段[6]。浮托法适用于大中型平台的海上安装，相比于浮吊法，成本更低，耗时更短，受水深和风浪条件等因素制约更少，逐渐成为海上平台组块安装的主流方法。

动力定位系统是一种利用推进器推力与外界环境力平衡从而达到船舶定位的系统[7-8]，随着动力定位系统与技术的发展，动力定位逐渐应用于轨迹跟踪、浮托安装等工程实际中[9-11]。基于动力定位的浮托安装法相比于利用系泊系统与拖船辅助的浮托法可减少大量作业时间，降低安装风险，节约物力和人力成本[12-14]。

本文针对浮托安装法的退船过程进行模型试验研究，对试验结果进行分析，获得运输驳船的退船特性，为实际浮托安装作业提供参考与指导。

1 坐标系定义

本次模型试验中共采用大地坐标系XEOYE以及随船坐标系XbOYb共2个坐标系[13]，如图1所示。风浪流方向在大地坐标系中表示。当驳船处于退船状态时，上部组块已经转移到导管架上，仅有驳船一个刚体，故在局部坐标系中，Xb轴指向船首方向为正，Yb轴以左舷为正，Zb轴以右手法则定义。

图1 坐标系示意图

2 相似理论

在模型试验中，需满足几何相似、运动相似和动力相似3个条件，但由于满足2个及2个以上相似条件难以实现，故在模型试验中通常保持实船与模型的傅汝德数Fr和斯特罗哈数St相等[14]，即：

式中：V，L，T分别为特征速度、特征线尺度及特征周期；下标m及s分别表示模型和实型。

同时，由于实船与模型所处环境的流体不同，因此需考虑流体介质的密度变化对试验结果的影响。根据试验水池的模拟条件与海洋的实际环境，本试验设定模型缩尺比λ=36，海水和淡水的密度比γ=1.025。

3 模型试验

本试验利用动力定位系统完成浮托安装退船工况操作，实时运动信息由光学测量仪器捕捉，运动信息传递到控制系统内，控制系统计算出抵抗外界环境力所需的推力大小，并进行推力分配，使得驳船按预定轨迹行驶。实验过程的各项数据均实时由计算机进行采集，主要记录的数据包括船舶运动轨迹，推进器回转角、转速与功率，护舷靠垫力等等，数据采样频率为40 Hz，试验时间超过30 min，对应的实际作业时间超过3 h。为了更好地获得该驳船的退船特性并减少实验过程中的偶然性，分别进行艏向角为0°、45°、90°、135°与180°的退船试验，每个角度均重复进行3次。

3.1 运输驳船模型

本研究对象为惠州25-8DPP浮托组块的海洋石油-278号运输驳船，主要运输浮托上部组块并被用于浮托作业。该运输驳船在退船过程中主尺度实际值和模型值分别如表1所列，驳船的总布置图如图2所示。

表1 退船工况运输驳船主尺度(barge+DSF，不含topside)

3.2 海洋环境模拟

3.2.1 风的模拟

试验采用定常风模拟海上风况，并通过改变风机转速达到改变风速的目的。试验水池配备有风速仪测量实时风速。

3.2.2 流的模拟

试验水池配备了整体造流系统与局部造流系统，同时开启可满足较大流速的要求。退船试验中，流速需达到0.167 m/s，两个造流系统需同时开启。试验水池同样配备有流速仪测量实时流速。

3.2.3 波浪的模拟

退船试验中采用JONSWAP谱，波浪谱结果与目标谱对比如图2所示。

试验中，风浪流海洋环境组合情况如表2所示。

图2 驳船总布置图

图2 波浪谱实际结果与目标谱对比

3.3 推进设备模拟

海油278运输驳船配备有7套推进器，分别为首尾侧推进器、全回转推进器以及主推进器等，并在船尾配备有悬挂式襟翼舵，分布情况如图3所示。在试验中，推进器均采用螺距比为1.1的Ka4-70螺旋桨，全回转推进器和主推进器的导管均为No.19A型导管。由于试验中所用推进器的水动力性能与实船不同，因而需将试验中的螺旋桨功率值修正为相同推力下的实船螺旋桨功率。

表2 退船海洋环境模拟

图3 推进设备分布

3.4 护舷靠垫模拟

在浮托安装实际作业中，为防止船舶与下层结构发生碰撞，往往在船舶与导管架之间布置护舷靠垫。如图4所示。

图4 靠垫位置(180°来流)

试验时，导管架模型配备有8个护舷靠垫，每个靠垫均附有压力传感器，根据靠垫的刚度曲线以及靠垫的形变量，记录并传递到计算机中，最终得到碰撞力的大小，靠垫的刚度曲线如图5所示。

图5 靠垫刚度曲线

4 退船试验

4.1 试验流程

动力定位浮托安装退船操作模型试验流程如下：①船模在静水中由人工固定在导管架中心；②在船模固定位置，动力定位系统中各物理量采零；③开启造流设备和造风设备，等待至风速与流速达到稳定值；④开启动力定位系统，人工固定解除；⑤当动力定位船模在风流载荷中正常工作时，开启造波设备；⑥进行动力定位浮托安装退船工况试验。

在进行实验的同时，各项数据均由计算机实时采集，最终的统计结果均已换算到实船数据。

4.2 试验结果分析

本试验分别进行了艏向角为0°、45°、90°、135°与180°的退船试验，并考虑实验的偶然性，每个角度退船的实验均重复3次，最终得到退船过程中，运输驳船的推进器各项信息以及靠垫压力结果。推进器功率统计如表3所示，最大靠垫压力如表4所示。

根据推进器功率统计结果不难发现，在90°退船时，由于推进器需抵抗横向环境力并提供船舶目标轨迹行驶的推力，其平均功率以及最大功率对比其他角度工况为最大，其中槽道推进器以及全回转推进器的功率使用率已经接近额定功率；135°退船工况次之；而0°与180°退船工况仅需抵抗纵向环境力的影响，其消耗功率较小；45°与135°退船工况也有类似的规律。

从靠垫压力结果来看，0°与180°退船工况的碰撞力最小，这是由于在这两种工况下，驳船仅需抵抗纵向环境力的影响，推进器推力更多地分配在船舶纵向方向上，船舶所受的横向力较小，偏离目标轨迹距离较小，从而靠垫碰撞力也较小。而90°退船工况中，船舶需抵抗横向环境力并提供纵向推力，船舶偏离目标轨迹的距离相对较大，碰撞力也较大。135°、90°、45°时，大部分靠垫压力普遍大于100 t，最大靠垫压力为234 t、222 t和153 t。其主要原因是退船时由于受限于位置，无法完成在线动力定位，其运行属于突围型前进，与靠垫碰撞较多。

从试验现场看，退船时如果不采用人工操作，在退船结束时容易出现角度偏差，甩尾现象，其主要原因是退船过程末期，无法实现动力定位，仅靠自动航行，在退出后，受到风浪流的影响，产生艏摇力矩，船艏会偏向风浪流反方向，艏摇角变化较大。

综合推进器功率统计结果与靠垫碰撞力统计结果，不难发现，难易程度次序分别为0°、180°、45°、90°和135°，90°和135°退船较为困难，180°和0°时具有较好的退船特性，其消耗功率相对较小，靠垫碰撞力也相对较小。

5 结 论

本文以惠州25-8DPP浮托安装组块为研究对象，进行动力定位浮托安装法模型试验研究，总结运输驳船在退船作业中的特性与规律，可得到如下结论：

(1)综合推进器功率统计结果与靠垫碰撞力统计结果，退船工况中难易程度次序分别为0°、180°、45°、135°和90°，90°最为困难。180°和0°退船工况具有较好的退船特性。

表3 推进器功率统计表

表4 靠垫压力最大值统计结果

(2)在退船作业结束时容易出现甩尾现象，角度偏差较大，其主要原因是退船过程末期，受到风浪流的影响，产生艏摇力矩，船艏会偏向风浪流反方向。

上述退船工况特性与规律的得出，不仅有利于浮托安装前期的总体设计，对浮托安装时域模拟程序的研究开发具有参考指导意义，还对浮托安装现场作业的指挥具有重要的参考价值。

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Research on the Model Test of Undocking Operation in Float-over Installation Based on Dynamic Positioning System

WANGBiao1,QINLi-cheng1,WANGLei2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Float-over installation executed by dynamic position system has more advantages in reducing costs than traditional mooring system. This research focused on the undocking operation in Huizhou 25-8 DPP float-over installation and completed model test to obtain information of track, consuming power and collision between vessel and fenders which were helpful to study the properties and laws in undocking case. Compared to other incident angles, undocking operation performs better in 180° and 0°. At the end of undocking operation, float-over barge shows spin phenomenon. The phenominon involves a variety of technical reasons. The main reason is bow wave moment caused by environment force and the lost of cushion force. This work can provide advice to build time domain simulation of float-over executed by dynamic position system and practical instruction for engineer to conduct practice engineer.

float-over installation; dynamic position system; undocking operation; model test

2016-03-04

国家自然基金项目(51179103)

王 飚(1968-)，男，河北唐山人，硕士，高级工程师，主要从事海洋工程项目管理工作。

Tel.：13820034157；E-mail：wb@mail.cooec.com.cn

P 751

A

1006-7167(2017)01-0005-05