導管架滑移下水強度智能分析技術研究

，，， ，

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

導管架平臺是近海石油開采的主要結構物，一般在陸地建造總裝，然后拖運至海上指定位置進行安裝。導管架通常有兩種下水方式：小型導管架可以使用浮吊吊裝下水，而大中型導管架通常進行滑移下水。典型的導管架滑移下水過程是導管架首部(在位狀態的頂部)放置于駁船尾部(導管架裝船位置)，通過壓載使船有一定的縱傾角度，導管架靠自重或者使用絞車拖拉滑移入水直至到達穩定狀態；一般情況下，導管架從船艉入水，某些特殊的導管架也可從駁船側舷滑移入水[1-3]。導管架滑移下水是一個動態的連續過程，整個過程中不僅需要關注駁船的運動軌跡和導管架的下水姿態，以保證駁船和導管架的穩性，同時由于導管架的受力情況和運動狀態比較復雜且不斷變化，因此導管架下水強度也是設計人員關注的重點和難點。

傳統的手動分析方法，尤其是敏感性分析，由于下水狀態不同，工況數量眾多，模型體積大，修改和操作不便，使得整個計算工作量巨大;重復的勞動又極易使設計人員疲勞和犯錯，多個設計人員的參與又無法保證分析的進度和質量。在荔灣3-1導管架設計初期，這種情況曾一度影響了設計進度。為此，開發出一套切實可行的“導管架滑移下水強度智能分析技術”。

國外針對導管架滑移下水的研究主要開始于20世紀70、80年代，基本理論依據是船舶運動理論和波浪力學[4]。國內也有不少學者進行了理論研究和數值模擬[5-8]。

目前，對于導管架下水運動和強度分析已經在成熟的理論基礎上形成了一套完善的計算方法：導管架使用結構分析軟件(SACS)建模和加載，然后導入運動分析軟件(MOSES)進行導管架下水運動分析，并輸出特定時刻對應的導管架載荷，最后將載荷導入到導管架結構模型中進行強度校核[9]。這是目前比較通用并得到廣泛認可的方法，本文主要討論基于該方法的導管架下水強度智能分析相關問題。

1 基本原理和假定

1.1 理論背景

(1)

(2)

這種用靜力學建立平衡方程來求解動力學問題的方法稱為動靜法。

1.2 計算模型簡化

典型的導管架滑移下水過程大致分為5個運動狀態：①導管架在駁船上初始位置;②導管架開始滑移;③導管架通過搖臂開始翻轉(tipping);④導管架與駁船開始分離(separating);⑤導管架和駁船在新的位置平衡。將這5個運動狀態簡化成3個強度計算的基本狀態，見圖1。

圖1 導管架3種計算狀態

a)計算狀態是導管架在駁船上的初始狀態，也稱為全支撐狀態，對應運動狀態①。此時下水滑撐(launch cradle)剛剛壓住搖臂，下水滑撐全部由駁船滑道(slipway)提供支撐，簡化的計算模型邊界條件見圖2a)。

b)種計算狀態是導管架開始滑移至翻轉之前，對應運動狀態2到3(但不包括3)。此時駁船搖臂和滑道都提供支撐反力。邊界條件見圖2b)。

c)種計算狀態是導管架翻轉和翻轉之后至分離，對應運動狀態3到4。此時只有駁船搖臂對導管架下水滑撐提供支撐，邊界條件見圖2c)。

圖2 3種基本狀態的簡化模型邊界條件的比較

3種不同的計算狀態主要體現在導管架下水桁架上邊界條件不同，如圖2a)、b)、c)所示。模型的簡化考慮了以下幾個方面。

1)駁船搖臂或者滑道對導管架的支撐是單向支撐，因此用單向受壓單元來模擬?？紤]到導管架在下水腿硬點(Hard Point,如圖3所示，指導管架下水腿上有強支撐的節點。)處剛度較大，所以在滑道支撐長度上相應下水腿硬點處施加支撐單元。搖臂支撐單元施加在搖臂模型上的每個節點處。

2)由于下水滑撐的存在使得駁船搖臂和滑道并不直接作用在導管架下水腿上，所以搖臂和滑道支撐單元需要做軸向偏移，大小是下水滑撐底板下表面至下水腿中心線之間的距離。同時由于支撐單元只能提供軸向力，為了模擬摩擦力的作用，支撐單元還需要做側向偏移。

3)雖然下水滑撐的存在提高了導管架下水腿的剛度和強度，但是作為保守計算可以將其忽略。

4)雖然理論上每個瞬時的計算模型是靜力平衡結構，但是考慮到誤差和保證求解的收斂性，需要在導管架上施加多余的彈簧約束。

1.3 工況選取

工況位置的選取既要能反映出導管架的典型受力狀態，又要在時間上盡量均勻連續。據此選擇以下幾個工況：①導管架初始位置；②導管架硬點位置；③導管架硬點間中間位置；④導管架翻轉時刻位置；⑤導管架分離時刻位置。

1.4 誤差估計

由于軟件本身的計算精度和誤差無法獲得，只能估計下水運動分析到強度分析的模型和邊界條件簡化以及數據轉化產生的誤差，這種誤差也叫做中間誤差，可以通過比較MOSES和SACS軟件計算結果來衡量。如何衡量這種中間誤差并將其控制在允許范圍之內是保證強度計算可信的必要條件。

這種中間誤差主要由搖臂的反力、滑道反力和約束點反力等來衡量，以SACS的計算結果與MOSES的計算結果相對誤差值在一定范圍內為指標。根據表1統計結果，建議搖臂總反力相對誤差值控制在1%以內。

表1 搖臂反力相對誤差統計表

2 智能分析技術的原理

2.1 智能分析技術思路

“導管架滑移下水強度智能分析技術”的核心是能夠代替設計人員操作，完成導管架下水強度分析的自動化；模擬設計人員的思維，實現數據處理的智能化兩個方面。

傳統手動計算需要先將下水運動分析中MOSES軟件生成的載荷轉化成為SACS軟件格式的載荷，然后將該載荷手動導入到導管架模型中，再進行模型的旋轉、打斷、偏移等操作,最終生成SACS計算模型進行強度分析。設計自動化的邏輯思路就是要打破這種常規，將模型和荷載分別處理，然后再組合；搖臂模型和導管架模型先在工況位置進行組合、斷桿生成新的模型文件，并輸出斷桿前后新舊桿件的對應關系，然后依據此對應關系將載荷重新分布生成新的載荷文件；最后將兩個新文件組合生成最終SACS計算模型。以上操作都由軟件自動完成，并且在此基礎上增加多個文件同步處理的功能來實現敏感性分析的自動化。

在手動操作前，設計人員需要分析和判斷導管架的狀態、搖臂的位置和傾斜角度、對應工況的載荷、摩擦系數和偏移等各種初始條件。設計智能化的邏輯思路可以將這些經驗和算法包括進來，并加以開發和完善，軟件自動輸入數據和判斷其合理性，實現分析的智能化。

在強度計算完成后，設計人員需要評判結果的可靠性，并提取某些結果進行后處理(例如節點加強環設計、BULKHEAD設計等)，設計智能化的邏輯思路可以將自動對比并智能判斷計算結果可靠性的功能包括進來，提高容錯率；并自動提取并二次處理計算結果，實現后處理的智能化。

2.2 智能分析流程和功能

依據智能分析技術思路，設計程序的核心分析流程見圖3，橢圓為需要預先準備文件，矩形為中間生成文件，菱形為最終計算文件。

圖3 智能分析核心流程

根據流程圖將程序主要分為三大功能模塊：①載荷轉化和載荷敏感性歸類模塊；②下水腿斷桿和導管架模型與搖臂模型組合模塊；③載荷重分布和載荷與模型組合模塊。依據功能模塊進行相關算法和框架的開發，軟件界面見圖4。

圖4 軟件界面

通過以上功能，軟件可完成導管架滑移下水強度模型建立，調用SACS進行計算，判斷計算結果的可靠性，并可提取計算結果進行相關處理后用于附件設計和報告編寫，同時提供敏感性分析的批量處理等功能，實現分析的自動化和智能化。

3 結論

“導管架下水強度智能分析技術”已經在多個深水導管架的設計中推廣并應用，包括LW3-1、PY4-2、PY5-1、PY34-1、LF7-2、HY7-1、HZ25-8、XJ24-3、WEN13-6等十幾個導管架，得到了眾多一線設計人員的好評，大大提高了設計效率和質量。平均每個導管架節省約800人工時，總共節省資金超過200萬元。并且本技術在國內屬于領先水平，國外也未見相關文獻。目前本技術已經形成一套成熟完善的應用體系，包括主分析、后處理、附件設計、報告編寫和指南文件等。

[1] 張光發,李鐵驪,紀卓尚,等.導管架下水參數計算程序設計[J].大連理工大學學報,2004,44(3):416-420.

[2] 張光發,紀卓尚,李鐵驪,等.導管架下水系統三維模擬數學模型[J].船舶力學,2011,15(1):48-57.

[3] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程平臺結構設計[M].北京:石油工業出版社,2007.

[4] JO C H,KIM K S,LEE S H.Parametric study on offshore jacket launching[J].Ocean engineering,2002,29(15):1959-1979.

[5] 雷 棟,林 焰,紀卓尚,等.導管架/駁船聯合體下水過程中的完整穩性[J].中國造船,2003,44(4):5-12.

[6] 俞 銳,邢殿祿.深水導管架滑移下水軌跡的計算與分析[J].中國艦船研究,2006(5):41-45.

[7] 楊曉剛.深水導管架滑移下水的安裝分析技術和設計方法[J].中國海上油氣(工程),2003,15(3):4-9.

[8] 田 鋒,蔡元浪,黃懷州.深水導管架安裝設計方法[J].中國造船,2007,48(B11):59-64.

[9] BARLTROP N D P,ADAMS A J.Dynamics of fixed marine structures[M].Oxford:Butterworth-Heinemann,1991.