浮托安裝進船過程中護舷碰撞力實測研究

葛洪亮，李 欣，楊建民，田新亮

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

浮托安裝進船過程中護舷碰撞力實測研究

葛洪亮，李 欣，楊建民，田新亮

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

浮托安裝法廣泛應用于大型組塊海上安裝。導管架平臺上部組塊浮托安裝進船過程中，風、浪、流引起的浮托駁船橫向運動造成浮托駁船與導管架樁腿的碰撞，碰撞力可能會對導管架結構造成損傷。陸豐7-2上部組塊浮托安裝中，為了監測碰撞力大小，設計了碰撞力海上監測系統。通過在導管架外側四個樁腿上安裝光纖光柵應變傳感器對碰撞過程中導管架樁腿進行應力監測，進而計算碰撞力。對碰撞過程，載荷作用位置、方向進行簡化，并對載荷大小及垂向作用位置對計算的影響進行了研究。結構分析模型簡化后，測點von-Mises應力與碰撞力大小成正比，對導管架整體結構建模計算并取局部結構計算比例系數，結合應力實測數據計算出進船過程中駁船對導管架樁腿碰撞力。

浮托安裝；導管架樁腿；碰撞力；應力監測；實測

Abstract:Float-over installation method is widely used in large topside installation at sea.The transverse motion of the barge caused by wind,wave and current can lead to collisions between barge sides and jacket legs at the docking stage of float-over installation which may damage the jacket structure.In Lufeng7-2 topside float-over installation,a collision force monitoring system on the sea was designed to monitor the force.Stress response of the jacket legs was monitored by mounting fiber grating strain sensors on the jacket’s legs in order to calculate the collision force.The collision processes,locations and directions of loads were simplified.Influences of magnitude of loads and their vertical positions were also studied.When the structural analysis model was simplified,von-Mises stress of gauging points was proportional to the collision force.The proportionality coefficients were calculated by modeling and computing the whole jacket structure and then modeling and computing the local structures of the jacket.Based on the stress data by field measurement,the collision force acting on the jacket’s outer four legs was calculated.

Keywords:float-over installation; jacket legs; collision force; stress monitoring; field measurement

海洋平臺上部組塊安裝主要有吊裝和浮托安裝兩種方法。吊裝法是用浮吊船將組塊分塊或整體吊裝就位，適用于小型組塊。浮托安裝法則是將在陸地上建造完成的組塊由浮托駁船運輸至安裝海域，利用潮位升降、壓載等技術將組塊安裝就位。與吊裝法相比，浮托安裝法具有可安裝組塊重量大、成本低等優點[1]。隨著上部組塊朝著大型化發展，浮托安裝法的應用越來越廣泛。2005年我國在渤海中部南堡35-2油田完成了浮托安裝，隨后旅大27-2/32-2、荔灣3-1、渤中35-2、惠州25-8、陸豐7-2等上部組塊相繼用浮托安裝法完成。

浮托安裝過程如圖1所示。進船過程中，由于風、浪、流的作用，浮托駁船產生橫向運動，由于駁船舷側與導管架樁腿之間的距離很小(通常只有十幾公分)，駁船與導管架之間會產生碰撞和擠壓，為緩沖駁船運動和碰撞力，減小對結構的損傷，浮托駁船舷側安裝有橫蕩護舷，橫蕩護舷通常為橡膠護舷結構。

當駁船靠在導管架上時，橡膠產生變形，從而產生對導管架樁腿的擠壓力。對單根樁腿的擠壓力有時可達數百噸，可能對導管架結構產生損傷，因此，對浮托安裝進船過程中駁船對導管架樁腿擠壓力進行研究具有重要的現實意義。

圖1 浮托安裝過程Fig.1 Float-over sequence

隨著測量技術的進步，實船監測研究越來越多。上海交通大學海洋工程國家重點實驗室[2]于2007年至2009年對“南海奮進號”FPSO展開兩年多的現場測量，得到了FPSO的運動特性，以及該海域風、浪、流環境數據；趙文華等[3]、魏躍峰等[2]對“南海奮進號”FPSO監測數據進行研究；許寧等[4]用光纖光柵應變傳感器對渤海冰區JZ20-2NW平臺水下結構進行應變監測，并推算結構所受總冰力大小；張鼎等[5]通過在浮托駁船護舷上安裝應變片的方法對荔灣3-1浮托安裝過程導管架樁腿對護舷作用力進行監測并計算分析。文中通過在陸豐7-2導管架樁腿上安裝應變片監測上部組塊浮托安裝進船過程中舷側橡膠護舷對樁腿的碰撞力。

1 監測系統及原理

1.1監測對象

監測對象為陸豐7-2導管架，通過在導管架樁腿表面焊接應變片的方式監測碰撞力引起的結構應力響應進而推算碰撞力大小。陸豐7-2油田位于香港東南約217 km的南海海域，水深約106 m。導管架于2013年5月順利下水，2013年8月陸豐7-2上部組塊采用低位浮托方式進行首次安裝，由于復雜原因，安裝未能成功完成，之后陸豐7-2上部組塊被拖到碼頭進行修理并于2014年8月改良原有低位浮托方式成功完成安裝。

陸豐7-2上部組塊重12 262 t，浮托駁船采用駁船海洋石油221。海洋石油221船型參數如表1所示，駁船舷側橡膠護舷厚度80 cm。

表1 駁船HYSY221主要參數Tab.1 Main parameters of HYSY221

導管架EL.(-)10000以上部分如圖2所示。A1，B1樁腿截面圓心距離為40 m；A4，B4樁腿截面圓心距離43 m。外四腿即A1，B1，A4，B4截面直徑均為1 981 mm；內四腿即A2，B2，A3，B3直徑均為1 829 mm。

圖2 陸豐7-2導管架Fig.2 Lufeng 7-2 Jacket

圖3 HYSY221橡膠護舷Fig.3 Rubber fenders of HYSY221

1.2監測原理

駁船舷側橡膠護舷如圖3所示，駁船舷側橡膠護舷對導管架樁腿產生橫向擠壓力，在導管架樁腿表面會產生應力響應，通過測量樁腿表面點處的應力值可推算出擠壓力大小。駁船舷側作用在導管架樁腿上的力主要有兩種方式產生：一種是駁船舷側靠墊起初遠離樁腿，由于橫蕩運動駁船舷側撞向樁腿引起樁腿應力響應；另一種是駁船一直緊靠樁腿，由舷側橡膠靠墊擠壓產生對樁腿的作用力。第一種情況下的撞擊力會引起導管架結構動力響應，但浮托過程中駁船運動速度較小，橡膠靠墊對樁腿的撞擊力可視為靜力加載，不考慮導管架動力響應。

導管架樁腿受力簡化為只受橫向力作用，浮托安裝進船過程中，導管架樁腿與駁船舷側橡膠護舷接觸位置施加橫向作用力后，樁腿表面一點處的應力便可確定。假設作用于導管架樁腿上的力為P，結構某點處的應力張量為[σ]，該點主應力分別為σ1，σ2，σ3，在線性理論即小變形假設下，σ1，σ2，σ3與P成正比，即，

該點von-Mises應力，

因此如果測得了該點處的應力值就可以得到作用于樁腿上的力，為提高監測的準確程度，在導管架樁腿表面布置多個測點。

1.3監測系統組成

導管架結構壁厚與其直徑相比為小量，可視為薄壁結構，利用二維殼單元對導管架結構進行模擬。導管架樁腿表面一點處的應力狀態可以由應力分量σx，σy，τxy完全確定，主應力σ1，σ2可通過σx，σy，τxy計算得出。

應力現場監測系統布置如圖4所示，由應變測量模塊、數據傳輸模塊和應變數據集成顯示模塊組成。應變測量模塊包括應變片、應變光纖解調儀和鋰電池組成。應變片選用光纖光柵應變傳感器，焊接在導管架樁腿表面。應變數據經應變光纖解調儀解調后通過安裝在樁腿上的無線傳輸裝置傳輸到駁船監控室內，實時顯示。應變光纖解調儀放置在導管架樁腿上，由鋰電池供電。

與傳統電或電磁傳感器相比，光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾能力強，體積小、重量輕、靈敏度高、耐腐蝕等優點[6]。光纖光柵傳感器得到的原始數據是波長，應變通過如下關系式計算[7]。

式中：ΔλB是波長變化量，λB是原始波長，Pe是光纖的彈光系數。進船過程中主要關心駁船對導管架外側四個樁腿的撞擊力，監測點選擇導管架外四腿A1,B1,A4,B4。每根樁腿上布置五個測點，測點距樁腿上端2.8 m，沿樁腿截面周向分布，測點應變片布置方式如圖5，測點垂向位置如圖6，周向位置如圖7。每個測點由三個應變片組成，分別測量三個方向的線應變。

圖4 應力監測系統現場布置Fig.4 Site layout of the stress monitoring system

圖5 應變片焊接位置Fig.5 Welding position of the strain gages

圖6 應變片垂向位置Fig.6 Vertical location of the strain gages

圖7 應變片水平面內位置Fig.7 locations of the strain gages in horizontal plane

2 碰撞力計算方法研究

2.1計算方法

圖8 取作分析的局部結構Fig.8 The local structure to be analyzed

如果直接用薄殼結構對導管架整體進行建模，則不僅模型復雜且導管架構件相交處網格質量難以保證，影響計算精度。導管架結構構件徑向尺度與長度相比較小，可以用梁單元進行建模。SACS是一款專業海洋平臺結構分析軟件，在導管架平臺結構分析中有著廣泛應用。文中將導管架模型在SACS中整體建模，施加載荷，然后取應變片所在樁腿局部結構在PATRAN中用二維shell單元建模，將SACS計算得到的桿端位移作為邊界條件輸入PATRAN，最后用結構靜力分析軟件NASTRAN計算，得到測點位置von-Mises應力。

以計算B4樁腿碰撞力為例，分析對象選取B4樁腿及與之相連的橫撐。圖8所示局部結構在PATRAN中建模，應變片粘貼位置板厚70 mm，選用shell四邊形單元網格，網格大小50 mm。邊界條件即樁腿端部、橫撐端部位移和轉角調用SACS中的計算結果。

陸豐7-2浮托安裝于2014年8月17日下午16:30開始進船，至第二天凌晨4:00退船結束，完成浮托。進船過程依船尾導向結構到達位置分為四個狀態，分別用T1，T2，T3，T4表示，如表2所示。船尾導向結構到達導管架樁腿ROW1，ROW2之間為T1狀態，到達ROW2，ROW3之間為T2狀態，到達ROW3和ROW4之間為T3狀態，船尾到達ROW4至開始加壓載階段為T4狀態。不同進船狀態對應導管架不同受力狀態。T1狀態時，僅ROW4一排樁腿受力；T2狀態時，ROW4和ROW3兩排樁腿受力；T3狀態時，ROW4，ROW3和ROW2三排樁腿受力；T4狀態時，四排樁腿均有可能受力。例如計算T1狀態導管架樁腿受到的碰撞力時，只需對A4和B4樁腿施加作用力；計算T2狀態時，對A4、A3和B4、B3樁腿分別施加相同大小作用力。

表2 進船狀態對應時刻Tab.2 The corresponding moments of different docking stages

2.2載荷垂向作用位置對計算的影響

浮托安裝進船過程中，由于波浪的作用，駁船會有升沉運動，橡膠護舷與樁腿垂向接觸位置也隨之上下變化。取A4樁腿T2狀態為研究對象，計算載荷垂向位置變化時對測點von-Mises應力的影響。計算中樁腿受力垂向中心位置分別選取橫撐軸線垂向位置，及軸線向下0.1～0.5 m，共6個垂向計算位置，如圖9所示，實際浮托安裝進船過程中，護舷與樁腿的碰撞位置大致在這個范圍內。T2狀態，A4和A3樁腿都會受到駁船的撞擊力，在導管架整體結構模型上(SACS建模)對A4和A3樁腿受力位置施加100 t載荷，然后取A4樁腿局部結構，PATRAN中建立板單元模型，SACS中計算得到的桿端位移作為邊界條件，對A4樁腿受力位置施加100 t作用力。作用力在樁腿上的分布由式(7)計算。

圖9 不同垂向位置作用力Fig.9 Different vertical locations of the force

圖10 樁腿受力示意Fig.10 Illustration of force on the leg

假設橡膠護舷與樁腿接觸點處單位面積壓力與該點處橡膠受壓變形量成正比，p=kδ=k(y+d-R)。參照圖10，樁腿受到的擠壓力F可由式(5)表示，h=800 mm為橡膠護舷厚度，l為樁腿與橡膠護舷接觸段弧長，d為橡膠護舷最大變形量，由圖11碰撞力F與d的關系確定。

求解式(5)可以得到比例系數k和壓力p的表達式。

計算得到測點處的von-Mises應力，結果如表3所示，表中數據表示不同測點在不同垂向位置受力時的von-Mises應力。測點von-Mises應力對受力垂向位置變化并不敏感。實際計算中，作用力垂向位置選在橫撐軸線垂向位置處。

表3 不同垂向位置作用力下測點von-Mises應力Tab.3 von-Mises stresses of gauging points by force at different vertical locations (MPa)

2.3載荷大小對計算的影響

圖11 橡膠護舷剛度曲線Fig.11 Stiffness curves of the rubber fenders

圖12 不同作用力下測點von-Mises應力Fig.12 von-Mises stresses by force of different magnitudes

3 數據分析及處理

3.1測點von-Mises應力計算

光纖光柵應變傳感器測量直接得到的是光的波長變化，通過式轉化為測點應變數據ε1，ε2，ε3。測點處于平面應變狀態下，有關系式(8)，α1，α2，α3分別為應變片粘貼方向與εx方向夾角。

根據上面的關系式得到，εx=ε1，εy=ε3，γxy=2ε2-(ε1+ε3)。測點的應力狀態可以得到，

主應力：

von-Mises應力：

3.2碰撞力計算結果

表4和表5是用NASTRAN計算出的作用力F=100 t時，測點von-Mises應力σv，及二者比值F/σv。實測中應力數據從T2狀態時開始記錄，因此只計算了進船狀態T2，T3，T4時的結果。

表4 A4、B4樁腿σv及F/σv計算值Tab.4 Calculated values of σv and F/σv of legs A4 and B4

A1-4測點位置計算出的F/σv值較大，會放大誤差，計算中未采用;A1-5測點應變片損壞，所以計算A1樁腿碰撞力只使用A1-1，A1-2，A1-3三個測點數據。實際碰撞力F0=(F/σv)σv0，σv0是監測得到的von-Mises應力。計算中每個應變片數據都能計算出一個碰撞力，最終碰撞力采用取平均值的方式得到。

表5 A1、B1樁腿σv及F/σv計算值Tab.5 Calculated values of σv and F/σv of leg A1 and B1

圖13是由式(3)結合測量得到的測點von-Mises應力計算出的樁腿碰撞力，浮托安裝現場環境及施工條件復雜，應變監測設備受到施工影響使B1、B4樁腿20:20-20:35之間應變數據缺失。A1、A4和B4樁腿受到的碰撞力比較大，最大碰撞力將近300 t，B1樁腿受到的碰撞力100 t左右。由于浮托安裝進船過程中駁船首搖運動導致同一列位置的樁腿A4、A1，B4、B1同一時刻碰撞力大小不同。A4和B4樁腿最大碰撞力發生在T2進船狀態，17:50-18:00之間，時間相近；A1和B1樁腿最大碰撞力發生在T4進船狀態21:00前后，如表6所示。由此推斷，最大碰撞力發生時，駁船有比較大的橫向運動。圖14是浮托安裝現場拍攝的駁船舷側橡膠護舷撞向導管架樁腿受壓變形的照片，橡膠護舷受壓變形量約為200 mm，參照圖11橡膠護舷剛度曲線，樁腿受到的力約100 t。

圖13 碰撞力計算值Fig.13 Calculated values of the collision force

表6 最大碰撞力及發生時刻Tab.6 The maximum collision force and the corresponding moment

圖14 浮托安裝現場照片Fig.14 Picture of the float-over installation site

5 結 語

研究了導管架平臺浮托安裝進船過程中，浮托駁船對導管架樁腿碰撞力的實船監測方法。在導管架樁腿表面布置應變監測點，選用抗電磁干擾能力強、靈敏度高的光纖光柵應變傳感器安裝在導管架樁腿表面測點處，通過無線設備將應變測量數據傳輸至浮托安裝駁船。SACS軟件中建立了導管架結構的整體模型，PATRAN中建立單根樁腿的有限元模型，對導管架受力模型進行簡化，利用測點von-Mises應力與碰撞力間的線性關系，數值計算結合實測應變數據得出浮托駁船對導管架樁腿的碰撞力，得到以下結論：

1)碰撞力監測系統能夠在浮托安裝過程中，實時準確地將測點應變數據傳輸到浮托駁船，系統受外界環境影響較小，穩定性和可靠性強。

2)浮托安裝過程中，駁船舷側對導管架樁腿的碰撞力在百噸量級，碰撞力在整個進船過程中都可能出現比較大的值，最大碰撞力發生時，駁船有比較大的橫向運動。

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Field measurement of collision force by fenders at the docking stage of float-over installation

GE Hongliang,LI Xin,YANG Jianmin,TIAN Xinliang

(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.003

1005-9865(2016)03-0019-09

20105-06-04

工信部《浮式液化天然氣儲存及再氣化裝置(LNG-FSRU)總體設計關鍵技術研究》資助項目

葛洪亮(1990-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事海洋工程方面研究。E-mail:gehongliangou@163.com