荔灣3-1組塊浮托安裝實船監測與數值模擬

吳 驍，李 欣,楊立軍，李 俊

(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)

荔灣3-1組塊浮托安裝實船監測與數值模擬

吳 驍，李 欣,楊立軍，李 俊

(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)

目前海洋平臺日趨集成化、模塊化，重量和體積都逐漸增大，使得適合安裝大型組塊的浮托安裝法得到飛速發展。介紹荔灣3-1大型導管架平臺浮托安裝中使用的實測技術，對駁船的運動監測和海洋環境監測等測量數據進行分析，分析結果被應用于指導整個浮托安裝過程，保證浮托安裝符合安全施工標準。對浮托安裝載荷轉移階段采用數值計算方法進行作業過程模擬，將計算結果與實測結果進行對比分析，兩者具有較好的相似性。

浮托安裝；荔灣3-1；海洋平臺；駁船；海洋環境監測

Abstract: Offshore platforms become increasingly integrated and modular with large weight and size. Floatover installation method which is more suitable for the installation of large topsides develops rapidly. This paper presents the field measurement techniques used in the floatover installation of the Liwan 3-1 mega topsides. The motion measurements of barge and the environmental field measurements, etc., were conducted to guide the entire floatover operation. The field measurement data ensured the floatover operation to be performed as rapidly as possible and coincident with safe practice. Numerical method is used to simulate the mating operation process, and the calculated results are compared with field measurement showing that they have the same pattern of changes.

Keywords: floatover installation; Liwan 3-1; offshore platforms; barge; environmental field measurements

最近十幾年全球大型油氣田的勘探實踐表明，陸上油氣資源已日漸枯竭，海洋石油產量、探明儲量均超過陸上，隨著全球原油需求的不斷增長，海洋石油開發進程也逐步加快。海洋工程結構物是應用于海洋資源勘探與開發的結構物，其中鋼質導管架平臺是目前海上油田使用最為廣泛的一種平臺，使用水深一般小于300米，自1947年第一次被用在墨西哥灣6米水域以來，發展十分迅速，導管架平臺具有整體性好、安全性高、結構簡單和造價低等優點。

傳統的導管架平臺安裝方法是吊裝法，將導管架和上部結構在陸上預先建造好，用駁船或其他方式運到安裝現場，先將導管架沉放到預定位置并打樁固定，再將上部結構吊裝在導管架上焊接固定。但受到起吊能力、結構物尺寸等因素的限制，海上起重船有時無法完成吊裝作業，可采用浮托安裝法。浮托法相比于其他安裝方法減少了海上作業時間，節約成本且適合大型或超大型組塊安裝。1997年，上部模塊質量為46 000 t的Hibermia導管架平臺在紐芬蘭島附近成功使用雙體船浮托安裝成功，是到目前為止最重的浮托安裝作業[1]。

在以往的浮托安裝作業過程中，對安裝海域的海況環境主要依賴氣象員的預報，對于現場情況無法得到實時數據，此外船體運動以及重要位置碰撞受力情況等都只有憑借現場施工人員的經驗目測判斷。實時監測系統可以在現場測量得到相關數據以便幫助施工作業人員更充分地了解現場情況，在荔灣3-1天然氣綜合處理平臺26 000 t上層組塊的整體浮托安裝的過程中，成功應用了實測系統，監測系統保證了在南海深水惡劣海況下安全而且效率進行浮托安裝，浮托安裝現場如圖1所示。

1 計算理論

1.1 坐標系與坐標轉換

對于浮托安裝實測，如圖2建立三個右手笛卡爾坐標系，全球定位系統(global positioning system, GPS)和慣性導航系統(inertial navigation system, INS)分別在全局坐標系和局部坐標系下測量導管架平臺的運動和加速度[2]。

圖1 荔灣3-1導管架平臺浮托安裝現場圖Fig. 1 Portside-bow view of barge with topsides

圖2 運動坐標系Fig. 2 Coordinate system

全局坐標系O-XGYGZG：又稱為大地坐標系，XOY平面與靜水面一致，XYZ三個坐標軸分別指向地理東、北、天。局部坐標系O-XBYBZB：又稱為船體坐標系，原點在船尾正中，X軸指向船首，Y軸指向左舷，XOY平面與上甲板重合。隨船坐標系O-XRYRZR：隨船坐標系初始時刻與船體固定坐標系重合，隨后跟隨駁船在水平面進行運動，XOY平面平行于靜水面，駁船的波頻運動在此坐標系中給出。

坐標轉換矩陣：運動測量中的INS系統和GPS系統所使用的坐標系不同，因此所測得的數據需要在不同坐標系下進行轉換，轉換矩陣如下所示。其中，ψ為繞Z軸旋轉角，即90°減去航向角；θ為繞Y軸旋轉角，即俯仰角；φ為繞X軸旋轉角，即橫滾角；XG為大地坐標系下向量；Xb為船體坐標系下向量。

1.2 時域運動方程

基于牛頓第二定律，剛體在任意時刻的時域運動方程的一般形式可表示為：

(3)

式中：M和I是質量矩陣和轉動慣量矩陣，f和m為外力和外力矩。 考慮到流體的影響，基于勢流理論可得到

式中：A是附加質量矩陣，D是阻尼矩陣，K是恢復力矩陣，f和m分別包括一二階波浪力、風力、流力和錨鏈力。

通過對頻域水動力系數進行傅里葉變換，可將式(4)改寫成

其中，卷積部分表示流體的延遲效應，R(t)是延遲函數，該函數只與濕表面幾何形狀有關。

2 實測研究

2.1 船舶運動監測

GPS系統是當前應用最廣泛的衛星定位系統，但其在民用領域內定位精度只有10 m左右，為得到更高的定位精度，一般采用差分技術(DGPS)，將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測，通過載波相位差分技術(real time kinematic)，將基準站采集的載波相位發送給用戶接收機，進行求差解算坐標，該技術可使定位精度達到厘米級。INS系統具有數據更新率高、短期精度和穩定性好等優點，但由于導航信息經過積分而產生，其定位誤差會隨時間而增大，不適合長時間的測量。因此，文中對船體和組塊六自由度運動采用DGPS/INS組合制導，從而消除與GPS觀測值相關的系統誤差和INS的積累誤差，其結構示意如圖3所示[3]。

圖3 DGPS/INS組合導航系統結構示意Fig. 3 Structure diagram of DGPS/INS

2.2 海洋環境監測

浮托安裝過程對于現場的海況條件十分敏感和依賴，因此通過海洋環境監測得到可靠的海況數據是十分必要的，其中潮位的高低影響到浮托安裝作業時間節點的安排，而風浪流的大小和方向則影響到駁船的運動響應。

風的監測包括風向和風速的測量，使用風杯式風速儀測量，它由風標測量風向，風杯的轉速乘以系數后得到風速。

浪流的監測通過一臺X波段航海雷達向海面發射雷達波，同時接受海面雷達回波，回波信息強度隨位置的變化形成強弱相隔區域，通過數據處理雷達回波，經反演算法計算后得到海況信息[4]。

測波雷達對圖像序列的處理主要采用三維傅里葉變換方法，其基本計算流程如圖4所示。

首先將雷達回波圖像序列I(x,y,t)進行三維離散傅里葉變換得到三維圖像譜I(3)(kx,ky,ω)，即

其中，MTF(k)=k-β，β是一個經驗的系數，由海表面的成像機理決定。

圖4 雷達圖像處理流程圖Fig. 4 Process of radar image

根據二維波數譜即可求得其他相應的動力學參數，將二維波數譜轉換到頻率-方向空間，即可得到二維海浪方向譜：

在方向上積分后便可得到波高譜：

2.3 潮位監測

浮托法安裝更加依賴氣候窗，在氣候滿足船舶作業條件下，進船退船過程中應至少滿足一個潮汐周期。潮汐數據的測量是通過水下壓力傳感器獲得的數據進行平均。靜水壓力與水深的關系[5]：

式中：P0是海面大氣壓力，g(h)是所處位置的重力加速度，ρ(h)是所處位置的海水密度，h是水深。

2.4 應力應變監測

使用光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, FBG)傳感器測量應變，光纖布拉格光柵是通過全息干涉法或者相位掩膜法來將一小段光敏感的光纖暴露在一個光強周期分布的光波下面，這樣光纖的光折射率就會根據其被照射的光波強度而永久改變[6]。這種方法造成的光折射率的周期性變化就叫做光纖布拉格光柵。當一束廣譜的光束被傳播到光纖布拉格光柵的時候，光折射率被改變以后的每一小段光纖就只會反射一種特定波長的光波，這個波長稱為布拉格波長，即λB=2neffΛ，其中，neff為光柵區的有效折射率，Λ為布拉格光柵的周期，如圖5所示。

圖5 光纖光柵傳感原理Fig. 5 Principle diagram of fiber grating sensor

當有應變產生時，會引起光柵布拉格波長漂移，可表示為：

式中：ε為應變，kε為應變引起波長變化的靈敏度系數，Pe為光纖的彈光系數。

同樣溫度變化也會引起光柵布喇格波長漂移，其變化量可表示為[6]:

式中：α為光柵傳感器的熱膨脹系數，T為溫度，KT為溫度引起波長變化的靈敏度系數，ξ為光柵傳感器的熱光系數。

2.5 設備布置及數據采集

實測中GPS移動站安裝在駁船上，GPS基準站安裝在導管架附近的一座固定平臺上。考慮到大型組塊對風的遮擋，實測中風速儀安裝位置盡量靠船尾，以減少組塊對其的影響。測波雷達安裝在上部組塊上距離水面大約30 m處，以使其能夠掃描到距船尾1 km的海域。潮位儀安裝在導管架中的通海孔內，由于其連通器的作用，可將波浪過濾而得出實際潮位。光纖傳感器均勻布置于船首護舷內側肋板，通過光纜將信號傳輸至控制室，應變片表面涂有硅膠和防銹漆，防止其在拖航過程中受損。

數據在開始采集前對各個設備的系統時間進行同步，采集時將各數據集成至數據處理系統進行同步處理分析。

3 數據處理

3.1 運動數據

圖6給出了5月22日至23日駁船重心處的橫搖、縱搖、升沉的一分鐘平均時例曲線，浮托安裝時間節點如表1所示，駁船自20日進入安裝區域等待，直到24日安裝完成，浮托安裝實施過程主要在22日和23日之間。

表1 荔灣3-1浮托安裝時間表Tab. 1 Schedule of Liwan 3-1 floatover

圖6 駁船重心處的橫搖、縱搖、升沉的一分鐘平均時例曲線(虛線內為載荷轉移階段)Fig. 6 One minute average motions at COG of barge (mating stage inside dashed line)

從圖6中可以看出，當有載荷開始發生轉移后，由于樁腿對接緩沖單元(LMU)的作用，駁船的橫搖和縱搖均明顯減小。由于潮位下降的影響可以看到升沉運動有慢漂現象，大概每小時0.13 m，與潮位測量數據相符。選取駁船就位插尖對齊階段30分鐘運動數據進行譜分析，得到縱搖、橫搖、升沉三個波頻運動的頻譜密度函數如圖7所示。

圖7 波頻運動頻譜密度函數Fig. 7 Spectrum density functions of wave-frequency motions

圖8 潮位實測結果與理論值的對比Fig. 8 Comparison of tide levels

3.2 潮位數據

浮托安裝階段安裝區域的潮位監測結果與天文預測的理論值如圖8所示，潮位實測數據與理論值在時間和高度上基本保持一致，最大誤差不超過0.1 m。從圖8中可以看出23日的潮差比22日較大，且高潮位較高、地潮位較低，有利于浮托安裝過程中利用潮汐將組塊安裝在導管架上。

3.3 風浪流數據

圖9給出的是浮托安裝階段測量到的波浪數據，從圖中可以看出有效波高最大達到2 m左右，在進船期間有效波高小于1.5 m，平均過零周期穩定在6 s左右。

圖9 波浪測量數據Fig. 9 Results of wave measurements

圖10顯示的是浮托安裝期間駁船船尾處一分鐘平均風速的曲線。在23日凌晨進船過程中，風速穩定在4～8 m/s之間，而最大平均風速大約為13 m/s，發生在22日20時。圖11顯示的是海洋表面流速，在系泊階段流速在0.2 m/s附近，進船階段流速有所增大，最大流速達到0.7 m/s。

圖10 十分鐘平均風速曲線Fig. 10 Time series of ten-minutes average wind speed

圖11 流速曲線Fig. 11 Time series of current speed

3.4 應變數據

圖12給出了通過光纖應變片測量得到的應變數據，圖12(a)中數據為在23日9:15-9:25期間船首4個應變片所受應變，其中1～4號應變片最大應變分別為59 με、53 με、85 με、52 με。根據有限元計算，駁船護舷所受應變可以通過計算各個應變片應變之和得到，因此如12(b)所示，當時護舷所受最大應變為97 με，即約450 t壓力。

圖12 應變測量數據Fig. 12 Time series of strains

4 數值模擬對比

以荔灣3-1浮托安裝的載荷轉移過程為例進行時域模擬，根據實測結果駁船在整個載荷轉移過程中重心下降了4.1 m，環境條件選取有效波高1.2 m，譜峰周期7 s，浪向160°。駁船系泊系統有8根錨鏈組成，每根錨鏈由懸鏈線和鋼纜組成，建立懸鏈線方程求解錨鏈端點的張力，使用彈簧模擬駁船護舷以及LMU。

圖13 載荷轉移過程駁船運動結果對比Fig. 13 Comparison of barge motions in mating process

圖13給出了載荷轉移過程中橫搖、縱搖、垂蕩實測與數值計算結果的對比。從圖中可以看出兩者形狀和變化趨勢基本吻合，具有良好的相似性，駁船的六自由度運動隨著載荷逐漸轉移至導管架上呈減小的趨勢，這階段插尖和LMU之間的作用力限制了上部組塊和駁船的六自由度運動。隨著載荷的繼續轉移，組塊對駁船的運動限制減小，駁船的六自由度運動再次增大，載荷轉移之前和之后的運動幅值均比載荷轉移過程中運動幅值較大。當載荷轉移結束之后時，上部組塊已經基本與導管架安裝相連，此時駁船的六自由度運動幅值與載荷轉移之前狀態相比有所增大，表明當上部組塊與駁船分離時，上部組塊對駁船的運動限制減少。

4 結 語

對荔灣3-1浮托安裝過程中進行實地監測，并對測量方法和數據分析手段進行了介紹，該實時監測系統對海上現場施工作業提供了有效幫助，對實測數據進行了分析，并與數值模擬結果進行了對比，得到以下結論：

1)運動監測系統可有效得到駁船的六自由度運動，對重心和插尖運動數據進行了分析，得到時域統計結果和譜分析結果，當載荷開始轉移時，由于LMU的作用，駁船的橫搖和縱搖均明顯減小。

2)X波段測波雷達可有效測量施工海域的浪流信息，對波浪及海流進行分析，結合運動分析數據，對能否進行浮托安裝提供重要依據。

3)潮位測量結果與天文預測的理論值吻合良好，可通過長期監測有效預報潮位。

4)通過對測量到的應變計算得到進船過程中靠墊受到了壓力，護舷的最大受力為450 t。

5)對載荷轉移階段進行了數值模擬，其結果與實測結果具有較好的一致性。

[1] O’NEILL L A , FAKAS E, RONALDS B F. History, trends and evolution of float-over deck installation in open waters[C]//Proceedings of the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, SPE63037. 2000.

[2] Marintecand Det Norske Veritas. Simulation of marine operations[S]. 2004.

[3] PETOVELLO M G. Real-time integration of a tactical-grade IMU and GPS for high-accuracy positioning and navigation[D]. Calgary: The University of Calgary, 2003.

[4] DANKERT H, HORSTMANN J, ROSENTHALl W. Wind- and wave-field measurements using marine X-band radar-image sequences[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2005, 30(3):534-542.

[5] 盛振邦,劉應中. 船舶原理[M]. 上海:上海交通大學出版社, 2004.(SHEN Zhenbang, LIU Yingzhong. Practical ship hydrodynamics[M]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2014.(in Chinese))

[6] 饒云江,王義平,朱濤. 光纖光柵原理及應用[M]. 北京:科學出版社, 2006.(YAO Yunjiang, WANG Yiping, ZHU Tao. Principle and application of fiber bragg grating[M]. Beijing: Science Press, 2006. (in Chinese))

Field measurement and numerical simulation of Liwan 3-1 topsides floatover installation

WU Xiao, LI Xin, YANG Lijun, LI Jun

(Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, State Key Lab of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

1005-9865(2016)04-0001-08

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.001

2015-02-16

國家發改委海洋工程裝備研發及產業化專項；遠海大型浮式結構物項目

吳 驍(1990-)，男，主要從事海洋工程方面的研究。E-mail：wuxiao@sjtu.edu.cn