導(dǎo)管架滑移下水強度智能分析技術(shù)研究與開發(fā)
——基于MOSES與SACS軟件的數(shù)據(jù)交互及二次開發(fā)應(yīng)用

文｜海洋石油工程股份有限公司 尹光榮

1.前言

導(dǎo)管架平臺是近海石油開采的主要結(jié)構(gòu)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(dǎo)管架通常有兩種下水方式：小型導(dǎo)管架可以使用浮吊吊裝下水，而大中型導(dǎo)管架通常進行滑移下水。典型的導(dǎo)管架滑移下水過程是導(dǎo)管架首部（在位狀態(tài)的頂部）放置于駁船尾部（導(dǎo)管架裝船位置），通過壓載使船有一定的縱傾角度，導(dǎo)管架靠自重或者使用絞車拖拉滑移入水直至到達穩(wěn)定狀態(tài)。一般情況下，導(dǎo)管架從船艉入水，某些特殊的導(dǎo)管架也可從駁船側(cè)舷滑移入水。

導(dǎo)管架滑移下水是一個動態(tài)的連續(xù)過程，整個過程中不僅需要關(guān)注駁船的運動軌跡和導(dǎo)管架的下水姿態(tài)，以保證駁船和導(dǎo)管架的穩(wěn)性，同時由于導(dǎo)管架的受力情況和運動狀態(tài)比較復(fù)雜且不斷變化，因此導(dǎo)管架下水強度也是設(shè)計人員關(guān)注的重點和難點。現(xiàn)場安裝過程中，對導(dǎo)管架滑移下水時環(huán)境條件有嚴格的要求，并且經(jīng)過驗算證明其對分析結(jié)果影響很小，因此可以不用考慮風波流的作用。

傳統(tǒng)的手動分析方法，尤其是敏感性分析，由于下水狀態(tài)不同造成工況數(shù)量眾多，模型體積大造成修改和操作不便，使得整個計算工作量巨大，重復(fù)的勞動又極易使設(shè)計人員疲勞和犯錯，多個設(shè)計人員的參與又無法保證分析的進度和質(zhì)量。在荔灣3-1導(dǎo)管架設(shè)計初期，這種情況曾一度影響了設(shè)計進度。為此，開發(fā)出一套切實可行的“導(dǎo)管架滑移下水強度智能分析技術(shù)”顯得十分必要。

國外針對導(dǎo)管架滑移下水的研究主要開始于70、80年代，基本理論依據(jù)是船舶運動理論和波浪力學(xué)。Daniel Vasicek和Cheng-Heng Lu（1979）討論了下水過程中導(dǎo)管架和駁船之間的相互作用以及相應(yīng)公式推導(dǎo)。May fi eld J和Arnold P等人（1989）從工程角度介紹了世界第一大導(dǎo)管架BULLWINKLE的下水情況。S.Sircar和T.K.Chandra等人（1990）詳細介紹了Kilauea導(dǎo)管架下水分析方法。Kim和Lee等人（2001，2002）則從數(shù)值模擬角度研究和討論了導(dǎo)管架下水的指標和參數(shù)影響[9-10]。M.R.Honarvar等 人（2008） 研 究了Reynolds-Froude數(shù)在導(dǎo)管架下水模型試驗和數(shù)值分析中起的重要作用。國內(nèi)也有不少學(xué)者進行了理論研究和數(shù)值模擬。顧樹華等人（1986）首先對導(dǎo)管架下水中的關(guān)鍵因素進行了分析。張光發(fā), 紀卓尚等人對導(dǎo)管架下水三維數(shù)值模擬做了深入研究。楊曉剛，黃曙光，田鋒等人從工程角度綜合闡述了導(dǎo)管架安裝分析技術(shù)和計算方法。

目前，對于導(dǎo)管架下水運動和強度分析已經(jīng)在成熟的理論基礎(chǔ)上形成了一套完善的計算方法：導(dǎo)管架使用結(jié)構(gòu)分析軟件（SACS軟件）建模和加載，然后導(dǎo)入運動分析軟件（MOSES軟件）進行導(dǎo)管架下水運動分析，并輸出特定時刻對應(yīng)的導(dǎo)管架載荷，最后將載荷導(dǎo)入到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型中進行強度校核。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(dǎo)管架下水強度智能分析相關(guān)問題。

2.基本原理和假定

2.1.理論背景

上文所述的計算方法主要是基于達朗伯原理。根據(jù)達朗伯原理，在非自由質(zhì)點系 M 運動中的每一瞬時，作用于質(zhì)點系內(nèi)每一質(zhì)點的主動力約 束 反 力和該質(zhì)點的慣性力構(gòu)成一假想的平衡力系，即：

導(dǎo)管架的下水是一個連續(xù)的運動過程，屬于動力學(xué)范疇，但是工程上可以將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化成靜力學(xué)問題來求解，大大降低求解難度和時間。首先導(dǎo)管架下水運動分析采用MOSES的時域模塊求解，然后依據(jù)上述原理，輸出導(dǎo)管架下水過程中某一時刻的主動力和慣性力的合力施加到相同邊界條件的導(dǎo)管架模型上，即該瞬時導(dǎo)管架的等效靜力平衡狀態(tài)，最后采用SACS的靜力求解模塊進行強度分析。

2.2.計算模型簡化

典型的導(dǎo)管架滑移下水過程大致分為5個運動狀態(tài)：1）導(dǎo)管架在駁船上初始位置，2）導(dǎo)管架開始滑移，3）導(dǎo)管架通過搖臂開始翻轉(zhuǎn)（Tipping），4）導(dǎo)管架與駁船開始分離（Separating），5）導(dǎo)管架和駁船在新的位置平衡。將這5個運動狀態(tài)簡化成3個強度計算的基本狀態(tài)，如圖2 a、b、c所示：

第a種計算狀態(tài)是導(dǎo)管架在駁船上的初始狀態(tài)，也稱為全支撐狀態(tài)，對應(yīng)運動狀態(tài)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如圖3 a所示。

第b種計算狀態(tài)是導(dǎo)管架開始滑移至翻轉(zhuǎn)之前，對應(yīng)運動狀態(tài)2到3（但不包括3）。此時駁船搖臂和滑道都提供支撐反力。邊界條件如圖3 b所示。

第c種計算狀態(tài)是導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)之后至分離，對應(yīng)運動狀態(tài)3到4。此時只有駁船搖臂對導(dǎo)管架下水滑撐提供支撐，邊界條件如圖3 c所示。

三種不同的計算狀態(tài)主要體現(xiàn)在導(dǎo)管架下水桁架上邊界條件不同，如圖3 a、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(dǎo)管架的支撐是單向支撐，因此用單向受壓單元來模擬。考慮到導(dǎo)管架在下水腿硬點 處剛度較大，所以在滑道支撐長度上相應(yīng)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(jié)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(dǎo)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(cè)向偏移。

3.雖然下水滑撐的存在提高了導(dǎo)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(jié)構(gòu)，但是考慮到誤差和保證求解的收斂性，需要在導(dǎo)管架上施加多余的彈簧約束。

2.3.工況選取

連續(xù)。據(jù)此選擇以下幾個工況：1）導(dǎo)管架初始位置；2）導(dǎo)管架硬點位置；3）導(dǎo)管架硬點間中間位置；4）導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時刻位置；5）導(dǎo)管架分離時刻位置。

工況位置的選取既要能反映出導(dǎo)管架的典型受力狀態(tài)，又要在時間上盡量均勻

圖1 荔灣3-1導(dǎo)管架下水現(xiàn)場

圖2 三種計算狀態(tài)

圖3 三種基本狀態(tài)的簡化模型邊界條件的比較

2.4.誤差估計

由于軟件本身的計算精度和誤差無法獲得，這里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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化產(chǎn)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(jié)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(nèi)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(jié)果與MOSES的計算結(jié)果相對誤差值在一定范圍內(nèi)為指標。根據(jù)表1統(tǒng)計結(jié)果，建議搖臂總反力相對誤差值控制在1%以內(nèi)為準。

表1 搖臂反力相對誤差統(tǒng)計表

圖4 搖臂反力相對誤差統(tǒng)計圖

3.智能分析技術(shù)的原理

自動化技術(shù)尤其是計算機自動化技術(shù)（例如CAD、CAE等）已經(jīng)在各行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。如果采用計算機自動化技術(shù)實現(xiàn)導(dǎo)管架下水分析的自動化與智能化，將大大提高生產(chǎn)效率，減少人為錯誤，真正把勞動者從重復(fù)、繁重的工作中解脫出來。

3.1 智能分析技術(shù)思路

“導(dǎo)管架滑移下水強度智能分析技術(shù)”的核心是能夠代替設(shè)計人員操作，完成導(dǎo)管架下水強度分析的自動化；模擬設(shè)計人員的思維，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的智能化兩個方面。

傳統(tǒng)手動計算需要先將下水運動分析中MOSES軟件生成的載荷轉(zhuǎn)化成為SACS軟件格式的載荷，然后將該載荷手動導(dǎo)入到導(dǎo)管架模型中，再進行模型的旋轉(zhuǎn)、打斷、偏移等操作最終生成SACS計算模型進行強度分析。設(shè)計自動化的邏輯思路就是要打破這種常規(guī)，將模型和荷載分別處理，然后再組合；搖臂模型和導(dǎo)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(yīng)關(guān)系，然后依據(jù)此對應(yīng)關(guān)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(chǔ)上增加多個文件同步處理的功能來實現(xiàn)敏感性分析的自動化。

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

在強度計算完成后，設(shè)計人員需要評判結(jié)果的可靠性，并提取某些結(jié)果進行后處理（例如節(jié)點加強環(huán)設(shè)計、BULKHEAD設(shè)計等），設(shè)計智能化的邏輯思路可以將自動對比并智能判斷計算結(jié)果可靠性的功能包括進來（見2.4節(jié)），提高容錯率；并自動提取并二次處理計算結(jié)果，實現(xiàn)后處理的智能化。

3.2 智能分析流程和功能

依據(jù)智能分析技術(shù)思路，設(shè)計程序的核心分析流程，如圖5所示，橢圓為需要預(yù)先準備文件，矩形為中間生成文件，菱形為最終計算文件。

根據(jù)流程圖將程序主要分為三大功能模塊：A）載荷轉(zhuǎn)化和載荷敏感性歸類模塊；B）下水腿斷桿和導(dǎo)管架模型與搖臂模型組合模塊；C）載荷重分布和載荷與模型組合模塊。依據(jù)功能模塊進行相關(guān)算法和框架的開發(fā)，軟件界面如圖6所示。

圖5 智能分析核心流

圖6 軟件界面

通過以上功能，軟件可完成導(dǎo)管架滑移下水強度模型建立，調(diào)用SACS進行計算，判斷計算結(jié)果可靠性，并可提取計算結(jié)果進行相關(guān)處理后用于附件設(shè)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(xiàn)分析的自動化和智能化。

4.結(jié)論和展望

“導(dǎo)管架下水強度智能分析技術(shù)”已經(jīng)在多個深水導(dǎo)管架的設(shè)計中推廣并應(yīng)用，包括荔灣3-1、番禺4-2、番禺5-1、番禺34-1、陸豐7-2、黃巖7-1、惠州25-8、西江24-3、文昌13-6等十幾個導(dǎo)管架，得到了眾多一線設(shè)計人員的好評，大大提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，平均每個導(dǎo)管架節(jié)省約800人工時，總共節(jié)省資金超過500萬元。并且本技術(shù)在國內(nèi)屬于領(lǐng)先水平，國外也未見相關(guān)文獻。目前本技術(shù)已經(jīng)形成一套成熟完善的應(yīng)用體系，包括主分析、后處理、附件設(shè)計、報告編寫和指南文件等。

“導(dǎo)管架下水強度智能分析技術(shù)”是在軟件平臺上，利用計算機智能化技術(shù)解決工程領(lǐng)域問題的成功應(yīng)用，