双船浮托法数值模拟

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(1.能威(天津)海洋工程技术有限公司，天津 300392； 2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引 言

浮托法是一种使用普通驳船配合必要的对接装置，通过调整驳船压载完成组块重量转移的方法。自1983年浮托法首次成功应用于Phillips Maureen项目[1]18 600 t上部组块安装以来，浮托法在海洋石油行业得到广泛的应用和发展，各种浮托技术和方法层出不穷，例如：McDermott联合ETPM开发的Smart-leg技术，JGP开发的Strand-jack 托举技术，Sea Metric公司的TML系统，ALLSEA建造的Pioneering Spirit双体船[2]等。其中,双船浮托方法以其托举吨位大，适用各种平台尺寸及类型(固定式、浮式)等诸多优点，引起广泛关注，并成功应用于马来西亚Kikeh Spar[2]上部组块的安装中。

近年来，油价走低，废弃平台的拆除和边际油田开发等问题亟待解决。考虑传统吊装拆除方案的诸多缺点，双船浮托法因其成本低、耗时短、可以整体拆除组块并再利用于边际油田开发[3-4]等优点再次成为关注热点。双船浮托法的研究，尤其是在组块整体拆除方面的研究，在国内仍处于起步阶段。双船浮托法涉及多个浮体，相关研究表明，多浮体之间由于存在相互作用，在波浪中运动受到的波浪力和辐射力较单浮体更为复杂，有必要进行较为深入的分析研究，尤其要对多浮体系统运动时所受到的波浪力、辐射力和浮体间相互干扰的影响进行分析研究[5-6]。目前业内对小间距双浮体并靠的情况研究较多[5-6]，而对双船浮托中需要考虑三浮体小间距并靠的情况以及相应时域分析方面的研究则较少。

本文以双船浮托整体弃置平台组块过程中的过驳阶段为研究对象，考察3条驳船并靠情况下的水动力特性，并在此基础上进行时域分析，重点探讨不同环境载荷方向及波高变化对过驳阶段的影响，为双船浮托法及其在组块整体拆除领域的设计、研究和应用提供一定的参考。

1 双船浮托法方案介绍

典型的双船浮托法整体弃置平台组块方案如图1所示，包括以下阶段：(1)待命阶段。2艘浮托船(驳船A和驳船C)通过锚泊系统定位在目标平台两侧，运输船(驳船B)通过锚泊系统及辅助拖船定位在目标平台前方，等待合适的气候窗并为拆除做好准备。(2)预对接阶段。如果预测的环境条件在设计环境条件范围内，2艘浮托船通过收放锚缆及拖船辅助同步靠近目标平台，继续移动浮托船，直到傍靠在预先固定在导管架上的碰球。(3)拆除对接阶段。切割分离导管架与上部组块，2艘浮托船同步排载，使浮托船上的桩腿耦合器(Leg Mating Unit，LMU)与组块桩腿逐步对接、压缩，将上部组块的重量由导管架转移到2艘浮托船上。(4)退船阶段。通过收放锚缆，将2艘浮托船和组块从导管架区域移出，到达设定位置后，等待运输船前移。这个过程需要增加额外的对接缆绳系统(连接浮托船与导管架主腿)来限制船舶的运动。(5)进船阶段。通过锚缆及辅助拖船，移动运输船进入2艘浮托船中间区域，直到运输船上组块支撑结构(Deck Support Unit，DSU)与组块主腿插件对齐。(6)过驳阶段。运输船排载，使运输船上DSU主动迎合组块主腿插件，之后保持运输船吃水不变，同步压载2艘浮托船，将组块重量由2艘浮托船逐步转移到运输船。(7)单船运输阶段。重量转移后，拖船辅助2艘浮托船远离运输船，焊接运输船上组块固定，并由运输船将组块运输至目的地。

图1 双船浮托法方案

其中过驳阶段分析涉及物体较多(包含2艘浮托船、1艘运输船和1个组块)，考虑外力复杂(包括风力、波浪力、流力、横向护舷力、锚缆力、LMU 3个方向的作用力)，判定参数多(三船及组块的运动、锚缆力、横向护舷力、LMU 3个方向的作用力及相对运动、DSU相对运动)，同时该阶段也是整个双船浮托拆除方案中至关重要的阶段。因此，本文以转移对接阶段为例，介绍双船浮托法的数值模拟方法及过程。

2 数值计算理论

2.1 坐标系及环境载荷方向定义

为了描述波浪中船舶和组块的运动响应，引入3个右手直角坐标系：(1)大地坐标系。O-xgygzg，原点位于平均海平面，z轴竖直向上。(2)随船坐标系。Oa-xayaza，Ob-xbybzb和Oc-xcyczc，原点O位于船头船中基线位置，坐标轴正方向与大地坐标系一致。(3)组块坐标系。Ot-xtytzt，原点O位于组块第一水平层，坐标轴指向与大地坐标系一致，坐标系及环境方向的定义如图2所示。

图2 坐标系及环境方向定义

2.2 频域计算理论

根据势流理论，假设流场中的流体为不可压缩、无黏、无旋的理想流体，多浮体由无航速的3个浮体组成，其中一个浮体M的速度势可以写成

(1)

浮体在频域下的运动方程为

(2)

式中：Mij为第i个浮体的质量矩阵；Cij为第i个浮体的静回复力矩阵；Fi为第i个浮体所受波浪力；Aij为附加质量矩阵；Bij为阻尼矩阵；ζj为每个浮体的6个自由度运动。

2.3 时域运动方程

在各种载荷作用下，考虑系泊系统的多浮体动力方程为

=Fw1+Fw2+Fw+Fc+Fe

(3)

式(3)可以通过逐步积分的数值方法求解，求解方法为Newmark方法[7]。采用MIT开发的WAMIT水动力分析软件[8]，对相互干扰的多浮体的水动力系数进行求解；采用Ultramarine开发的MOSES分析软件[7]进行时域响应分析。

3 数值模型

3.1 船型参数及有限元模型

船舶的主尺度及重量信息见表1，表中重心纵向坐标(LCG)、重心横向坐标(TCG)和重心垂向坐标(TCG)均参考图2所示的船体坐标系。

表1 浮托船与运输船主要参数

驳船B与驳船A/C船侧间距为1 m。图3为3艘驳船计算水动力的WAMIT模型和时域分析的MOSES模型。

图3 WAMIT模型和MOSES模型

3.2 锚泊系统

锚泊系统由14条锚缆组成，如图3b)所示。按照锚缆的功能，选取3种不同的缆绳材料。缆绳材料属性见表2，各锚缆组成见表3。锚泊系统的能力校核按照“0032/NDGuidelineforMooring[9]”标准的要求进行，安全系数取2.00。

表2 缆绳材料

表3 锚缆组成

3.3 横向护舷LMU和DSU

横向护舷、LMU和DSU都属于MOSES模型中特殊的连接形式(只在受压时产生作用力)，按照各自的性质，在MOSES模型中用线性或非线性的弹簧表示。横向护舷布置在驳船B与驳船A/C相邻的船侧位置，LMU布置在驳船A/C的内侧船边，DSU布置在驳船B的甲板上，横向护舷、LMU和DSU各有3对，布置如图4所示。设计参数见表4。LMU的受力变形曲线如图5所示。

图4 MOSES模型中的横向护舷、LMU和DSU的模拟

表4 设计参数

图5 LMU受力变形曲线

3.4 环境条件

参考渤海海域常规单船浮托的设计海况，选取以下4种环境条件作为时域分析的输入条件，见表5，其中作业水深为20 m。

表5 环境条件

4 分析结果

4.1 频域分析

驳船A/C的频域水动力计算结果如图6所示。驳船B的频域水动力计算结果如图7所示。可以看出：单船在0°浪向下的横摇响应为0；而在三船系统中，由于相互影响，3船均出现了明显的横摇运动响应，而且驳船A/C的运动幅值远大于驳船B。由图6a)可以看出：由于0°浪向时驳船A/C相对于浪向对称，所以驳船A/C的横摇运动响应相同。由图6b)、图6c)、图7b)、图7c)可以看出：由于遮蔽效应，在横浪作用下，相较单船，驳船C(迎浪)的运动响应幅值增大，驳船A(背浪)和B的运动响应幅值减小，但是驳船B的运动响应在某些频率出现突变。由图6d)、图6e)、图7d)、图7e)可以看出：相较单船，由于三船的相互影响，三驳船的横摇附加质量和横摇阻尼均呈现先小后大最终持平的趋势，而且在某些频率会发生突变。由图6d)、图6e)可以看出：虽然相比单船发生了变化，但是驳船A和C的横摇附加质量和横摇阻尼仍相等；由图6f)和图7f)可以看出：相较单船，由于相互影响，三驳船受到的一阶波浪力幅值减小，但是在某些频率会发生突变，超过单船。由图6f)可以看出：由于遮蔽效应，驳船C(迎浪)所受的力比驳船A(背浪)大。三驳船系统对水动力参数的相互影响主要在波浪周期范围内(3～15s)，其他周期影响较小。

图6 驳船A/C频域水动力计算结果

图7 驳船B频域水动力计算结果

4.2 时域分析

采用MOSES模型进行时域分析，模拟时长为4 000 s，步长为0.2 s，前400 s结果不采集。

4.2.1 环境方向的敏感性分析

以环境条件B为例，研究环境方向对双船浮托方案的影响。图8为该影响的统计结果，可以看出：驳船及组块的运动幅值艏浪最小、斜浪次之、横浪最大；三驳船的运动同步性艏浪最好、横浪最差，LMU和DSU相对运动的变化趋势与驳船运动同步性变化趋势一致；在横浪和斜浪情况下，迎浪驳船(驳船C)的运动幅值明显大于背浪驳船(驳船A)；DSU的垂向运动幅值没有超过表4所示的初始垂向间隙，DSU处没有发生碰撞，故没有碰撞力；迎浪侧锚缆(#1，#2，#3，#4，#5)的张力艏浪最小、斜浪次之、横浪最大；背浪侧锚缆(#6，#7，#8，#9，#10)的张力艏浪最大、斜浪次之、横浪最小；迎浪侧锚缆张力比背浪侧锚缆张力大；船间交叉缆(#11，#12，#13，#14)对环境方向的变化不敏感，其张力变化较小；LMU的侧向力、垂向力和横向护舷力艏浪最小、斜浪次之、横浪最大。就整体而言，双船浮托法对环境方向的变化比较敏感。

图8 环境方向对双船浮托方案影响的统计结果

4.2.2 波高敏感性分析

根据时域分析结果可知：双船浮托法对浪向的变化比较敏感。为更好地设计方案，需要进一步研究其在艏浪、斜浪和横浪各方向作业的许可环境条件，对应的判断标准为表2和表4中锚缆、横向护舷、LMU许可载荷以及LMU和DSU捕捉半径。

图9为波高敏感性的分析结果，可以看出：随着波高的增大，LMU水平相对运动、DSU水平相对运动、LMU侧向力、LMU最小垂向力、横向护舷力以及A类锚缆和B类锚缆的张力均趋向或超过许可值。通过判断可以得到双船浮托方案各方向作业许可环境条件，见表6。

表6 各方向的作业许可环境条件

图9 波高敏感性分析结果

5 结论及建议

以双船浮托组块拆除方案中的关键步骤作为研究对象，计算了三船系统的水动力系数，对方案中的关键步骤进行时域分析，并重点研究浪向及波高对方案的影响，得出以下结论:

(1) 通过计算三船系统的水动力系数，与单船相比发现，艏浪时，三船均出现一定的横向运动，且驳船A/C运动响应一致，而单船时横向运动为0；横浪时，相较单船情况，迎浪侧驳船运动幅值增大，背浪侧驳船运动幅值减小；由于三船间的相互影响，驳船的附加质量和阻尼会在某些频率发生突变，驳船A/C的附加质量和阻尼仍相等；三驳船对水动力的相互影响主要在波浪周期范围内(3～15s)。

(2) 通过对方案关键步骤的时域分析发现，双船浮托方案对环境方向的变化非常敏感，驳船及组块的运动和系统中各连接的作用力在艏浪情况下最小，斜浪次之，横浪情况下最大。通过对方案关键步骤的时域分析发现，随着波高的增加，各校核参数趋于或超过许可范围，艏浪作业许可波高为1.5 m，斜浪作业许可波高为1.0 m，横浪作业许可波高为0.5 m。

[1] 柴亚光,方鑫,张晓添.海洋平台浮托安装分析及其关键技术[J].城市建设理论研究(电子版),2015(08).

[2] WANG A M,JIANG X Z.Latest Progress in Floatover Technologies for Offshore Installations and Decommissioning[J].The International Society of Offshore and Polar Engineers,2010:9-20.

[3] 阮志豪,赵庆凯,王文娟,等.双船浮托法整体拆除海上弃置组块方案概述[J].中国水运,2017,38(06):50-52.

[4] 阮志豪,刘登辉,袁廷廷,等.海洋平台组块双船浮托整体迁移方法支撑结构设计[J].中国水运,2017,38(07):40-42.

[5] 徐亮瑜,杨建民,李欣,等.双驳船系统水动力性能及波面升高研究[J].中国造船,2012(53):217-225.

[6] 彭景环.海上浮托安装中多浮体水动力耦合作用研究[D].上海:上海交通大学,2011.

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[8] LEE C H.WAMIT Theory Manual [R].Massachusetts Institute of Technology.

[9] 0032/ND Guidelines for Moorings[S].GL Noble Denton,2015.