錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)推力器故障模式影響分析

王洪超，王 磊，張 峰

(上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200230)

隨著世界石油需求的激增，海洋工程迫切需要向深水領(lǐng)域發(fā)展。對(duì)于海洋浮式鉆井系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其安全性非常重要，定位系統(tǒng)是保證其海上正常生產(chǎn)作業(yè)的重要設(shè)備［1-2］。錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)是將錨泊定位系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)相結(jié)合的一種新型位置控制系統(tǒng)。它既能滿足平臺(tái)在較惡劣海況下的定位能力需求，又能降低動(dòng)力定位時(shí)的燃油消耗，在深水作業(yè)中非常實(shí)用［3-4］。

對(duì)于海上鉆井船舶和平臺(tái)而言，由于操作的安全性極其重要，因此其動(dòng)力定位系統(tǒng)一般采用三級(jí)動(dòng)力定位設(shè)備，即DP-3。根據(jù)IMCA的動(dòng)力定位分析報(bào)告，包括失位在內(nèi)的動(dòng)力定位事故主要由計(jì)算機(jī)、電力系統(tǒng)、參考系統(tǒng)和推力器故障引起，而這其中由推力器失效所造成的事故占比高達(dá)21%［5］。裝載動(dòng)力定位的深水半潛式鉆井平臺(tái)通常每個(gè)配電板負(fù)責(zé)兩個(gè)推力器，且都為對(duì)角布置。在惡劣海況下，如果其中一個(gè)主配電板出現(xiàn)故障，則可能導(dǎo)致該配電板上的兩個(gè)推力器同時(shí)失效，會(huì)對(duì)平臺(tái)的可靠性和安全性造成很大的影響，因此考慮此種情況的故障模式分析是十分必要的。

以某深水半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，在給定的環(huán)境載荷條件下，通過(guò)時(shí)域模擬計(jì)算分析了半潛式平臺(tái)同一配電板兩個(gè)推力器失效時(shí)對(duì)平臺(tái)定位精度、功率消耗以及纜繩張力等方面的影響，同時(shí)提出了相關(guān)建議并進(jìn)行了時(shí)域模擬的對(duì)比，為動(dòng)力定位系統(tǒng)的FMEA，即故障模式與影響分析提供了相關(guān)參考。

1 平臺(tái)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)的時(shí)域模擬又稱為動(dòng)態(tài)模擬，就是對(duì)在定位系統(tǒng)控制下的半潛式平臺(tái)真實(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作時(shí)域模擬能顧及到更多因素和限制條件，更接近實(shí)際情況，同時(shí)可以獲得許多有價(jià)值的信息，如平臺(tái)定位精度、功率消耗等［6-7］。半潛式平臺(tái)在外力作用下的低頻運(yùn)動(dòng)方程:

式中:u，v，w 為線位移速度;p，q，r為角位移速度;m 為平臺(tái)質(zhì)量，包含流體附加質(zhì)量;Ixx，Iyy，Izz，Izx為質(zhì)量慣性矩，也包括附加質(zhì)量部分;X，Y，Z分別為x，y和z方向的外力;K，M，N分別為x，y和z方向的外力矩。這里的附加質(zhì)量為低頻運(yùn)動(dòng)下的附加質(zhì)量，與運(yùn)動(dòng)的頻率無(wú)關(guān)，由水下的幾何形狀決定。

推力器的推力、轉(zhuǎn)矩及功率消耗的計(jì)算公式:

式中:n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，Q為螺旋槳轉(zhuǎn)矩，D為螺旋槳直徑，KT為推力系數(shù)，KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，KT、KQ可根據(jù)軸向進(jìn)速在螺旋槳敞水性能曲線上查取。

2 計(jì)算模型

2.1 半潛式平臺(tái)參數(shù)

目標(biāo)平臺(tái)為深水半潛式鉆井平臺(tái)，平臺(tái)主要尺度如表1所示。主要組成部件包括:下浮體2個(gè)、立柱4根、主甲板、箱形甲板、居住艙樓、井架臺(tái)、井架、起重機(jī)、直升機(jī)平臺(tái)等。

表1 半潛式平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the semi-submersible platform

2.2 推力器布置

平臺(tái)推力器采用八個(gè)全方位螺旋槳，均為Ka系列，具體參數(shù)如表2所示。推力器布置為“內(nèi)八”形式，T1～T8代表1號(hào)到8號(hào)推力器，8個(gè)推力器由4個(gè)主配電板配電，每個(gè)配電板負(fù)責(zé)的推力器均為對(duì)角布置。1、4、5、8號(hào)推力器到橫縱中心線距離分別為15.70 m和35.50 m，2、3、6、7號(hào)推力器到橫縱中心線距離分別為47.02 m和24.58 m，如圖1所示。這種布置的優(yōu)勢(shì)在于拉大了推力器之間的距離，能夠有效降低槳-槳干擾，可縮小推力器禁止角范圍，推力器設(shè)置禁止角區(qū)域［8］如表3所示。

表2 推力器參數(shù)Tab.2 Main parameters of azimuthing thrusters

表3 推力器禁止角度設(shè)置Tab.3 Forbidden angle of azimuthing thrusters

2.3 錨泊系統(tǒng)布置

錨泊系統(tǒng)布置形式如圖2所示，為懸鏈線錨泊系統(tǒng)，采用三段復(fù)合式錨纜，可用復(fù)合纜懸鏈線方程進(jìn)行求解［9］。從海底到海面各部分材料的長(zhǎng)度分別為:底部錨鏈長(zhǎng)度1 850 m，中部聚酯纜長(zhǎng)2 650 m，頂部錨鏈長(zhǎng)度150 m。其中，錨鏈最小破斷強(qiáng)度為8 379 kN，聚酯纜最小破斷強(qiáng)度為7 840 kN，系泊纜繩的預(yù)張力為436 kN。錨鏈線端點(diǎn)位置如表4所示。

圖1 推力器布置示意Fig.1 Layout of thrusters

圖2 錨泊系統(tǒng)布置示意Fig.2 Layout of mooring lines

表4 錨鏈線端點(diǎn)位置Tab.4 Mooring lines position

2.4 海洋環(huán)境載荷

由于風(fēng)、浪、流同向作用時(shí)為最惡劣的環(huán)境條件，故取風(fēng)、浪、流同向聯(lián)合作用作為計(jì)算的環(huán)境條件，其具體參數(shù)如表5所示。環(huán)境載荷作用方向取為180°，即環(huán)境力方向與x軸正向相反，計(jì)算水深取為1 500 m。

表5 環(huán)境條件Tab.5 Environmental condition

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬

分別對(duì)推力器完整模式和同一配電板上兩推力器失效模式下的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)域模擬研究。考慮到平臺(tái)的對(duì)稱情況，選取推力器T1、T5失效和推力器T3、T7失效兩種失效模式進(jìn)行時(shí)域模擬，模擬時(shí)間為10 800 s，記錄數(shù)據(jù)步長(zhǎng)選為24 s。最終得到推力器完整模式以及兩種推力器失效模式下平臺(tái)水平偏移以及功率消耗的時(shí)歷曲線，分別如圖3和圖4所示。以1號(hào)纜繩為例，給出了1號(hào)纜繩在推力器完整模式以及兩種推力器失效模式下的纜繩張力時(shí)歷曲線，如圖5所示。

圖3 不同模式下平臺(tái)水平偏移時(shí)歷曲線Fig.3 Offset time trace under different modes

圖4 不同模式下平臺(tái)消耗總功率時(shí)歷曲線Fig.4 Power consumption time trace under different modes

圖5 不同模式下纜1張力時(shí)歷曲線Fig.5 Time trace of top tension of mooring line No.1 under different modes

當(dāng)同一配電板上的兩推力器失效后，可以采取相關(guān)措施減小平臺(tái)偏移:

措施1，通過(guò)減小或取消失效推力器相鄰?fù)屏ζ鹘菇菂^(qū)域的方法，使其余正常工作的推力器能夠更充分地發(fā)揮作用來(lái)保持平臺(tái)位置。當(dāng)推力器T1、T5失效時(shí)，可以取消T2在-9°到-29°和T4在-10°到10°的禁止角區(qū)域;當(dāng)推力器T3、T7失效時(shí)，可以取消推力器T8在9°到29°的禁止角區(qū)域，時(shí)歷曲線如圖6所示。

措施2，可以通過(guò)拉緊迎風(fēng)纜繩并松弛背風(fēng)纜繩的方法來(lái)減小平臺(tái)偏移。在此環(huán)境條件下，纜1、纜2、纜7、纜8的纜繩處于張緊狀態(tài)，為迎風(fēng)纜;纜3、纜4、纜5、纜6處于松弛狀態(tài)，為背風(fēng)纜。拉緊纜1、纜8并松弛纜4、纜5，時(shí)歷曲線如圖7所示。

最終得到各工況下平臺(tái)水平偏移統(tǒng)計(jì)值和平臺(tái)消耗總功率統(tǒng)計(jì)值分別如表6和表7所示。計(jì)算得到8根纜繩張力時(shí)歷的最大值如表8所示。

圖7 不同失效模式下采取措施2平臺(tái)偏移時(shí)歷曲線Fig.7 Offset time trace under different failure modes with method 2

表6 平臺(tái)水平偏移統(tǒng)計(jì)值Tab.6 The statistic values of the platform offset

表7 平臺(tái)消耗總功率統(tǒng)計(jì)值Tab.7 The statistic values of the platform consumed power

表8 纜繩張力最大值Tab.8 The maximum values of top tension of the mooring lines

3.2 結(jié)果分析

1)由圖3和表6可以看到:三種模式下，平臺(tái)水平偏移的最大值分別為14.38 m、19.38 m和19.49 m，分別為1 500 m水深的0.96%、1.29%和1.30%，精度均控制在水深的2.5%以內(nèi)。根據(jù)DNV-OS-E301中要求，在此環(huán)境條件下三種模式均能滿足平臺(tái)的定位精度要求。推力器T1、T5失效時(shí)和推力器T3、T7失效時(shí)平臺(tái)偏移量最大值分別增大了34.8%和35.5%，平臺(tái)的平均偏移量分別增大了41.3%和44.9%。可以看出，兩種推力器故障模式下，平臺(tái)的偏移最大值和平均偏移值都有著非常顯著的增加，這對(duì)平臺(tái)的定位是十分不利的。同時(shí)，對(duì)比兩種故障模式下平臺(tái)的水平偏移，可以看出推力器T3、T7失效時(shí)影響更大。這是由于T1、T5到平臺(tái)中心的水平距離為38.8 m，而T3、T7到平臺(tái)中心的水平距離為53.1 m，推力系統(tǒng)中處于外側(cè)的推力器能輸出更大的力矩，從而T3、T7失效時(shí)要比T1、T5失效時(shí)更容易失位。

2)由圖4和表7可以看出:兩種推力器故障模式下平臺(tái)平均消耗總功率分別增大了2.43%和2.41%。兩個(gè)推力器失效后，推力器消耗總功率沒(méi)有下降，反而有一定的增幅，導(dǎo)致其余6個(gè)推力器的工作負(fù)荷增大，這將使推力器的磨損更加嚴(yán)重。另一方面，系泊纜繩提供了一部分回復(fù)力，使得平臺(tái)推力器失效時(shí)的能耗并沒(méi)有非常大的增幅，在保證定位精度的情況下使平臺(tái)仍留有一定的功率儲(chǔ)備，保證了平臺(tái)的安全性。

3)由圖5和表8可以看到:纜1、纜2、纜7、纜8在兩種推力器失效模式下張力都有所增加，纜1和纜8的張力增幅尤為明顯。其中所有纜繩張力的最大值出現(xiàn)在推力器T1、T5失效時(shí)的1號(hào)纜繩上，其值大小為480.3 kN。可以看到，由于動(dòng)力定位系統(tǒng)的存在，使得系泊纜繩的張力仍留有較大的裕度，可以有效防止更加惡劣海況下纜繩出現(xiàn)斷裂的情況發(fā)生。

4)由圖6、圖7和表6可以看到:同一配電板上的兩推力器失效后，當(dāng)采取措施1時(shí)，T1、T5失效和T3、T7失效兩種模式的偏移平均值分別減小了5.4%和5.1%;當(dāng)采取措施2時(shí)，T1、T5失效和T3、T7失效兩種模式的偏移平均值分別減小了21.4%和22.3%。可以看到，兩種措施均能有效減小平臺(tái)偏移。實(shí)際工程中，推力器失效后，合理地取消一些禁止角區(qū)域，可以獲得更好的定位精度;同時(shí)，纜繩的張緊程度是可以調(diào)節(jié)的，在風(fēng)浪流聯(lián)合作用的惡劣海況下拉緊迎風(fēng)纜繩并松弛背風(fēng)纜繩是非常有用的。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了半潛式平臺(tái)同一配電板上的兩個(gè)推力器失效模式對(duì)平臺(tái)定位精度、功率消耗和纜繩張力等方面的影響，并提出了相關(guān)建議，得到了以下結(jié)論:

1)在同一配電板上兩推力器失效時(shí)，平臺(tái)的水平偏移、功率消耗和纜繩張力都有不同程度的增加，尤其以平臺(tái)外側(cè)推力器失效時(shí)的影響更加顯著。

2)分析中可以看出錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)在深水作業(yè)中的優(yōu)勢(shì)所在:既減小了纜繩所受張力，減小了惡劣海況時(shí)纜繩出現(xiàn)斷裂的可能性，又節(jié)約了能耗，使纜繩張力留有一定裕度，平臺(tái)留有一定的功率儲(chǔ)備。

3)同一配電板上兩推力器失效時(shí)，可以通過(guò)減小或取消失效推力器相鄰?fù)屏ζ鹘菇菂^(qū)域的方法，使其余正常工作的推力器能夠更充分地發(fā)揮其作用來(lái)保持平臺(tái)位置。同時(shí)在實(shí)際工程中，纜繩的張緊程度是可以調(diào)節(jié)的，在風(fēng)浪流聯(lián)合作用的惡劣海況下拉緊迎風(fēng)纜繩并松弛背風(fēng)纜繩是非常有用的，既減小了平臺(tái)的水平偏移，又節(jié)約了平臺(tái)的功率消耗。

4)動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障模式與影響分析旨在評(píng)估每種故障模式的影響并進(jìn)行后果分析，同時(shí)給出降低或消除每種故障模式和其帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的方法。通過(guò)分析，為平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障模式與影響分析提供了相關(guān)參考。

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