動力定位浮托安裝法退船工況模型試驗

王 飚， 秦立成， 王 磊

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240)

·實驗技術·

動力定位浮托安裝法退船工況模型試驗

王 飚1， 秦立成1， 王 磊2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461；2.上海交通大學 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240)

針對惠州25-8DPP動力定位浮托組塊的退船階段進行模型試驗，分析浮托安裝船在不同的海洋環(huán)境下的退船過程，測量并分析浮托駁船的運動軌跡、推進器功率消耗以及護舷靠墊力，得到退船階段的特性與規(guī)律。結果表明，180°與0°的退船工況具有較好的退船特性，并且在退船過程結束時，由于缺少靠墊力的作用以及受到風浪流環(huán)境力的作用，浮托駁船受到艏搖力矩的影響，容易出現甩尾現象。

浮托安裝； 動力定位； 退船工況； 模型試驗

0 引 言

隨著海洋油氣資源的勘探與開發(fā)的不斷發(fā)展，可用于海洋油氣資源勘探開發(fā)的大型設備的建造與安裝難度問題逐漸受到人們重視[1]。傳統(tǒng)的分別建造與吊裝最后進行焊接組合的方法，其安裝作業(yè)周期往往較長且耗費較多鋼材，成本較高。單模塊化整體安裝方法不僅節(jié)約時間和施工成本，還能縮短海上連接調試時間，目前主要有兩種整體安裝方法，即為浮吊法與浮托法[2-3]。

浮吊安裝法是利用大型起重船吊起整個上部組塊然后準確吊放在平臺的下部結構上，通常在安裝中小型的上部模塊時該方法使用較多[4-5]。浮托安裝法是通過駁船運輸上部組塊到目標安裝位置，在定位系統(tǒng)和拖輪的輔助下定位與下部結構對準，再將上部組塊的質量緩慢轉移到下部結構上的方法。其過程主要分為裝船、運輸、就位、進船、載荷轉移與退船共6個階段[6]。浮托法適用于大中型平臺的海上安裝，相比于浮吊法，成本更低，耗時更短，受水深和風浪條件等因素制約更少，逐漸成為海上平臺組塊安裝的主流方法。

動力定位系統(tǒng)是一種利用推進器推力與外界環(huán)境力平衡從而達到船舶定位的系統(tǒng)[7-8]，隨著動力定位系統(tǒng)與技術的發(fā)展，動力定位逐漸應用于軌跡跟蹤、浮托安裝等工程實際中[9-11]。基于動力定位的浮托安裝法相比于利用系泊系統(tǒng)與拖船輔助的浮托法可減少大量作業(yè)時間，降低安裝風險，節(jié)約物力和人力成本[12-14]。

本文針對浮托安裝法的退船過程進行模型試驗研究，對試驗結果進行分析，獲得運輸駁船的退船特性，為實際浮托安裝作業(yè)提供參考與指導。

1 坐標系定義

本次模型試驗中共采用大地坐標系XEOYE以及隨船坐標系XbOYb共2個坐標系[13]，如圖1所示。風浪流方向在大地坐標系中表示。當駁船處于退船狀態(tài)時，上部組塊已經轉移到導管架上，僅有駁船一個剛體，故在局部坐標系中，Xb軸指向船首方向為正，Yb軸以左舷為正，Zb軸以右手法則定義。

圖1 坐標系示意圖

2 相似理論

在模型試驗中，需滿足幾何相似、運動相似和動力相似3個條件，但由于滿足2個及2個以上相似條件難以實現，故在模型試驗中通常保持實船與模型的傅汝德數Fr和斯特羅哈數St相等[14]，即：

式中：V，L，T分別為特征速度、特征線尺度及特征周期；下標m及s分別表示模型和實型。

同時，由于實船與模型所處環(huán)境的流體不同，因此需考慮流體介質的密度變化對試驗結果的影響。根據試驗水池的模擬條件與海洋的實際環(huán)境，本試驗設定模型縮尺比λ=36，海水和淡水的密度比γ=1.025。

3 模型試驗

本試驗利用動力定位系統(tǒng)完成浮托安裝退船工況操作，實時運動信息由光學測量儀器捕捉，運動信息傳遞到控制系統(tǒng)內，控制系統(tǒng)計算出抵抗外界環(huán)境力所需的推力大小，并進行推力分配，使得駁船按預定軌跡行駛。實驗過程的各項數據均實時由計算機進行采集，主要記錄的數據包括船舶運動軌跡，推進器回轉角、轉速與功率，護舷靠墊力等等，數據采樣頻率為40 Hz，試驗時間超過30 min，對應的實際作業(yè)時間超過3 h。為了更好地獲得該駁船的退船特性并減少實驗過程中的偶然性，分別進行艏向角為0°、45°、90°、135°與180°的退船試驗，每個角度均重復進行3次。

3.1 運輸駁船模型

本研究對象為惠州25-8DPP浮托組塊的海洋石油-278號運輸駁船，主要運輸浮托上部組塊并被用于浮托作業(yè)。該運輸駁船在退船過程中主尺度實際值和模型值分別如表1所列，駁船的總布置圖如圖2所示。

表1 退船工況運輸駁船主尺度(barge+DSF，不含topside)

3.2 海洋環(huán)境模擬

3.2.1 風的模擬

試驗采用定常風模擬海上風況，并通過改變風機轉速達到改變風速的目的。試驗水池配備有風速儀測量實時風速。

3.2.2 流的模擬

試驗水池配備了整體造流系統(tǒng)與局部造流系統(tǒng)，同時開啟可滿足較大流速的要求。退船試驗中，流速需達到0.167 m/s，兩個造流系統(tǒng)需同時開啟。試驗水池同樣配備有流速儀測量實時流速。

3.2.3 波浪的模擬

退船試驗中采用JONSWAP譜，波浪譜結果與目標譜對比如圖2所示。

試驗中，風浪流海洋環(huán)境組合情況如表2所示。

圖2 駁船總布置圖

圖2 波浪譜實際結果與目標譜對比

3.3 推進設備模擬

海油278運輸駁船配備有7套推進器，分別為首尾側推進器、全回轉推進器以及主推進器等，并在船尾配備有懸掛式襟翼舵，分布情況如圖3所示。在試驗中，推進器均采用螺距比為1.1的Ka4-70螺旋槳，全回轉推進器和主推進器的導管均為No.19A型導管。由于試驗中所用推進器的水動力性能與實船不同，因而需將試驗中的螺旋槳功率值修正為相同推力下的實船螺旋槳功率。

表2 退船海洋環(huán)境模擬

圖3 推進設備分布

3.4 護舷靠墊模擬

在浮托安裝實際作業(yè)中，為防止船舶與下層結構發(fā)生碰撞，往往在船舶與導管架之間布置護舷靠墊。如圖4所示。

圖4 靠墊位置(180°來流)

試驗時，導管架模型配備有8個護舷靠墊，每個靠墊均附有壓力傳感器，根據靠墊的剛度曲線以及靠墊的形變量，記錄并傳遞到計算機中，最終得到碰撞力的大小，靠墊的剛度曲線如圖5所示。

圖5 靠墊剛度曲線

4 退船試驗

4.1 試驗流程

動力定位浮托安裝退船操作模型試驗流程如下：①船模在靜水中由人工固定在導管架中心；②在船模固定位置，動力定位系統(tǒng)中各物理量采零；③開啟造流設備和造風設備，等待至風速與流速達到穩(wěn)定值；④開啟動力定位系統(tǒng)，人工固定解除；⑤當動力定位船模在風流載荷中正常工作時，開啟造波設備；⑥進行動力定位浮托安裝退船工況試驗。

在進行實驗的同時，各項數據均由計算機實時采集，最終的統(tǒng)計結果均已換算到實船數據。

4.2 試驗結果分析

本試驗分別進行了艏向角為0°、45°、90°、135°與180°的退船試驗，并考慮實驗的偶然性，每個角度退船的實驗均重復3次，最終得到退船過程中，運輸駁船的推進器各項信息以及靠墊壓力結果。推進器功率統(tǒng)計如表3所示，最大靠墊壓力如表4所示。

根據推進器功率統(tǒng)計結果不難發(fā)現，在90°退船時，由于推進器需抵抗橫向環(huán)境力并提供船舶目標軌跡行駛的推力，其平均功率以及最大功率對比其他角度工況為最大，其中槽道推進器以及全回轉推進器的功率使用率已經接近額定功率；135°退船工況次之；而0°與180°退船工況僅需抵抗縱向環(huán)境力的影響，其消耗功率較小；45°與135°退船工況也有類似的規(guī)律。

從靠墊壓力結果來看，0°與180°退船工況的碰撞力最小，這是由于在這兩種工況下，駁船僅需抵抗縱向環(huán)境力的影響，推進器推力更多地分配在船舶縱向方向上，船舶所受的橫向力較小，偏離目標軌跡距離較小，從而靠墊碰撞力也較小。而90°退船工況中，船舶需抵抗橫向環(huán)境力并提供縱向推力，船舶偏離目標軌跡的距離相對較大，碰撞力也較大。135°、90°、45°時，大部分靠墊壓力普遍大于100 t，最大靠墊壓力為234 t、222 t和153 t。其主要原因是退船時由于受限于位置，無法完成在線動力定位，其運行屬于突圍型前進，與靠墊碰撞較多。

從試驗現場看，退船時如果不采用人工操作，在退船結束時容易出現角度偏差，甩尾現象，其主要原因是退船過程末期，無法實現動力定位，僅靠自動航行，在退出后，受到風浪流的影響，產生艏搖力矩，船艏會偏向風浪流反方向，艏搖角變化較大。

綜合推進器功率統(tǒng)計結果與靠墊碰撞力統(tǒng)計結果，不難發(fā)現，難易程度次序分別為0°、180°、45°、90°和135°，90°和135°退船較為困難，180°和0°時具有較好的退船特性，其消耗功率相對較小，靠墊碰撞力也相對較小。

5 結 論

本文以惠州25-8DPP浮托安裝組塊為研究對象，進行動力定位浮托安裝法模型試驗研究，總結運輸駁船在退船作業(yè)中的特性與規(guī)律，可得到如下結論：

(1)綜合推進器功率統(tǒng)計結果與靠墊碰撞力統(tǒng)計結果，退船工況中難易程度次序分別為0°、180°、45°、135°和90°，90°最為困難。180°和0°退船工況具有較好的退船特性。

表3 推進器功率統(tǒng)計表

表4 靠墊壓力最大值統(tǒng)計結果

(2)在退船作業(yè)結束時容易出現甩尾現象，角度偏差較大，其主要原因是退船過程末期，受到風浪流的影響，產生艏搖力矩，船艏會偏向風浪流反方向。

上述退船工況特性與規(guī)律的得出，不僅有利于浮托安裝前期的總體設計，對浮托安裝時域模擬程序的研究開發(fā)具有參考指導意義，還對浮托安裝現場作業(yè)的指揮具有重要的參考價值。

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Research on the Model Test of Undocking Operation in Float-over Installation Based on Dynamic Positioning System

WANGBiao1,QINLi-cheng1,WANGLei2

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China；2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Float-over installation executed by dynamic position system has more advantages in reducing costs than traditional mooring system. This research focused on the undocking operation in Huizhou 25-8 DPP float-over installation and completed model test to obtain information of track, consuming power and collision between vessel and fenders which were helpful to study the properties and laws in undocking case. Compared to other incident angles, undocking operation performs better in 180° and 0°. At the end of undocking operation, float-over barge shows spin phenomenon. The phenominon involves a variety of technical reasons. The main reason is bow wave moment caused by environment force and the lost of cushion force. This work can provide advice to build time domain simulation of float-over executed by dynamic position system and practical instruction for engineer to conduct practice engineer.

float-over installation; dynamic position system; undocking operation; model test

2016-03-04

國家自然基金項目(51179103)

王 飚(1968-)，男，河北唐山人，碩士，高級工程師，主要從事海洋工程項目管理工作。

Tel.：13820034157；E-mail：wb@mail.cooec.com.cn

P 751

A

1006-7167(2017)01-0005-05