海洋石油201船加裝J-lay鋪管系統(tǒng)動(dòng)力定位能力計(jì)算分析

張法富，彭小佳，何寧，宋安科

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油201船加裝J-lay鋪管系統(tǒng)動(dòng)力定位能力計(jì)算分析

張法富，彭小佳，何寧，宋安科

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對(duì)選定的J-Lay鋪管系統(tǒng)加裝方案，計(jì)算船舶環(huán)境載荷及鋪管作業(yè)力，在不改變船舶原有推進(jìn)器配置的情況下，對(duì)船舶動(dòng)力定位能力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，給出推進(jìn)器完整及失效工況下的動(dòng)力定位能力曲線。

J-Lay鋪管；環(huán)境載荷；動(dòng)力定位能力

海洋石油201船(簡(jiǎn)稱HYSY201)是擁有動(dòng)力定位能力的深水起重鋪管船，主要功能為深水S-Lay鋪設(shè)和起重，最大工作水深3 000 m，船艉布置一臺(tái)起重能力4 000 t(固定式)/3 500 t(全旋轉(zhuǎn)式)大型海洋工程起重機(jī)。隨著南海深水勘探發(fā)現(xiàn)及我國(guó)在深水油氣田開(kāi)發(fā)能力的提升，對(duì)深水工程船舶的需求也不容忽視。對(duì)現(xiàn)有深水工程船舶進(jìn)行改造，使其具備相應(yīng)的工程作業(yè)能力，成為當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下的首選。

基于HYSY201目前作業(yè)能力，為使其達(dá)到鋪設(shè)1 600 m水深558.8 mm(22 in)海管的鋪管能力，海洋石油工程股份有限公司提出在HYSY201加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)的改造方案。在假設(shè)HYSY201加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)并不改變現(xiàn)有推力系統(tǒng)配置的情況下，對(duì)船舶動(dòng)力定位能力進(jìn)行分析計(jì)算，以評(píng)估改造方案的可行性。

1 坐標(biāo)系及船舶主要參數(shù)

為了便于描述船舶運(yùn)動(dòng)，引入如下右手坐標(biāo)系?？臻g固定坐標(biāo)系O-XYZ，原點(diǎn)位于船舯與基線的交點(diǎn)，X軸平行船體基線指向船艏，Z軸豎直向上，見(jiàn)圖1[1]。

1.1 船舶主尺度及推進(jìn)器配置參數(shù)

HYSY201主尺度見(jiàn)表1。

表1 HYSY201主尺度 m

風(fēng)浪流的方向指其傳播方向，方向角α指風(fēng)浪流傳播方向與X軸逆時(shí)針?lè)较虻膴A角。隨浪方向?yàn)?°，迎浪方向?yàn)?80°。

HYSY201配置7臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推進(jìn)器總功率為25 MW。推進(jìn)器布置見(jiàn)圖2，推力及功率參數(shù)見(jiàn)表2。

推進(jìn)器編號(hào)推進(jìn)器類型最大推力/kN最大使用功率/kWT1全回轉(zhuǎn)680.84500T2全回轉(zhuǎn)680.84500T3全回轉(zhuǎn)540.53200T4全回轉(zhuǎn)540.53200T5全回轉(zhuǎn)540.53200T6全回轉(zhuǎn)540.53200T7全回轉(zhuǎn)540.53200

注：推進(jìn)器推力坐標(biāo)系與環(huán)境載荷坐標(biāo)系一致。

1.2 J-Lay鋪管系統(tǒng)加裝方案

世界上現(xiàn)有J-Lay鋪管船的J-Lay塔布置位置有船艉布置、船舯月池布置和舷側(cè)布置3種方案。考慮到船艉已布置有主吊機(jī)，船艉方案不可行；通過(guò)船舯月池進(jìn)行鋪設(shè)，需新開(kāi)設(shè)月池，對(duì)原船改動(dòng)過(guò)大，方案也不可行。因此J-Lay塔只能布置在舷側(cè)，具體布置見(jiàn)圖3。

2 環(huán)境載荷及鋪管作業(yè)力計(jì)算

船舶在海上所遭遇的環(huán)境條件有3種：風(fēng)、波浪和海流。由于動(dòng)力定位只對(duì)低頻水平載荷做出響應(yīng)，除了考慮長(zhǎng)周期變化的風(fēng)和流載荷外，波浪載荷則只計(jì)算其中的低頻部分。在缺少風(fēng)洞試驗(yàn)及船舶水池試驗(yàn)資料情況下，采用軟件計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算兩種方法，根據(jù)選定的環(huán)境條件進(jìn)行船舶環(huán)境載荷計(jì)算[2]。

同時(shí)，鋪管時(shí)管道在水下的懸跨段部分對(duì)船體的縱向作用力是影響起重鋪管船鋪管作業(yè)的一個(gè)重要方面，只有計(jì)入其對(duì)船體的影響，才能對(duì)鋪管作業(yè)時(shí)動(dòng)力定位操作有一個(gè)較精確的客觀描述。

2.1 鋪管作業(yè)環(huán)境條件

根據(jù)HYSY201船體說(shuō)明書(shū)，鋪管作業(yè)環(huán)境條件見(jiàn)表3。加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)后，HYSY201需滿足1 600 m水深22 in海管的鋪設(shè)需求。

表3 HYSY201鋪管作業(yè)環(huán)境條件

2.2 風(fēng)載荷計(jì)算

海面上的風(fēng)速和風(fēng)向都是隨機(jī)變化的，這給測(cè)定作用在船舶上的風(fēng)力及風(fēng)力矩帶來(lái)困難。本文在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)風(fēng)載荷做常值處理，即只計(jì)算其中定常風(fēng)力部分，忽略低頻風(fēng)力。

采用WINDOS軟件計(jì)算輔以規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證的方法獲取風(fēng)載荷[3]。WINDOS模型見(jiàn)圖4，WINDOS得出的加裝J-Lay鋪管系統(tǒng)后HYSY201的風(fēng)力系數(shù)見(jiàn)圖5。

2.3 流載荷計(jì)算

流力在系泊分析中常做為定常力，假設(shè)流速不隨水深變化，為均勻流。由于假定J-Lay鋪管與原S-Lay鋪管相比吃水不變，計(jì)算采用原流力系數(shù)，見(jiàn)圖6。

2.4 二階波浪漂移力計(jì)算

目前求解二階漂移力的方法主要有3種：基于物體表面積分的近場(chǎng)積分理論、基于動(dòng)量和能量守恒的遠(yuǎn)場(chǎng)理論和法國(guó)船級(jí)社發(fā)展出來(lái)的中場(chǎng)積分法。二階波浪力理論復(fù)雜，多采用軟件建模方法進(jìn)行計(jì)算。動(dòng)力定位能力計(jì)算時(shí)，通常只考慮二階波浪力中的定常部分。本文采用遠(yuǎn)場(chǎng)公式，利用DNV船級(jí)社的SESAM/HydroD軟件進(jìn)行計(jì)算，水動(dòng)力計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

2.5 管道對(duì)船體縱向作用力計(jì)算

鋪管作業(yè)時(shí)所鋪設(shè)的管道對(duì)船體的水平作用力對(duì)于DP系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是越小越好，由于鋪設(shè)管道水下懸跨段的彎曲不能超過(guò)材料的極限，因此張緊器必須提供一定程度的水平力來(lái)保證水下管道的彎曲不超過(guò)材料的極限。管道受力見(jiàn)圖8。

基于目標(biāo)管道尺寸和水深在J-lay鋪設(shè)模式下的鋪管能力要求(1 600 m水深，22 in管)，采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和假設(shè)確定不同管道外徑下的壁厚之后，使用商業(yè)軟件PIPELAY進(jìn)行鋪管應(yīng)力分析。該軟件采用對(duì)非線形梁和線纜單元建模的有限元法，根據(jù)彼此相連的有限梁?jiǎn)卧到y(tǒng)對(duì)管道進(jìn)行建模，確定J-lay海管鋪設(shè)張力需求。

3 動(dòng)力定位能力分析

由于表3中已明確鋪管作業(yè)環(huán)境條件，本文以推進(jìn)器推力使用百分比曲線評(píng)估船舶動(dòng)力定位能力。若推進(jìn)器不能360°抵抗環(huán)境載荷，則計(jì)算最大抗風(fēng)能力曲線，以評(píng)估船舶允許作業(yè)的最大環(huán)境條件。同時(shí)，表3中最大風(fēng)浪條件的風(fēng)載荷及波浪載荷大于風(fēng)后涌浪條件，本文選取最大風(fēng)浪條件進(jìn)行分析。

3.1 計(jì)算假定

1)表2中原有推進(jìn)器配置不做改變。

2)由于環(huán)境載荷計(jì)算時(shí)未考慮動(dòng)態(tài)部分分量，計(jì)算時(shí)風(fēng)載荷和二階波浪漂移力考慮1.25倍動(dòng)態(tài)放大系數(shù)。

3)風(fēng)、浪、流按同向考慮。

4)鋪管作業(yè)時(shí)推進(jìn)器損失與海管充水同時(shí)發(fā)生為小概率事件，計(jì)算時(shí)不考慮兩種損壞模式的疊加。

3.2 計(jì)算工況

HYSY201在鋪管作業(yè)時(shí)動(dòng)力定位等級(jí)為DP2，根據(jù)規(guī)范[4]要求，DP2船不應(yīng)因單點(diǎn)故障而導(dǎo)致動(dòng)力定位失效。本文計(jì)算考慮單個(gè)推進(jìn)器失效工況，計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算工況

3.3 推力分配邏輯及計(jì)算軟件

多推進(jìn)器推力分配是一個(gè)非線性約束優(yōu)化問(wèn)題，也是船舶動(dòng)力定位能力評(píng)估中的核心問(wèn)題，一般應(yīng)用優(yōu)化算法將其簡(jiǎn)化為包括目標(biāo)函數(shù)、等式約束和不等式約束的數(shù)學(xué)模型，然后利用優(yōu)化算法進(jìn)行求解[5]。

運(yùn)用海洋石油工程股份有限公司研發(fā)的“動(dòng)力定位能力解決方案”軟件[2]4進(jìn)行J-Lay鋪管作業(yè)控位能力評(píng)估。

3.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，得到HYSY201在鋪管作業(yè)環(huán)境條件下各工況船舶的動(dòng)力定位能力，見(jiàn)表4。主要結(jié)果如下。

1)Case1～Case4，船舶能360°抵抗鋪管作業(yè)環(huán)境條件，能夠滿足1 600 m水深22 in海管鋪設(shè)要求。推進(jìn)器推力百分比曲線見(jiàn)圖9(篇幅原因，此處僅列出Case1工況曲線)。

2)Case5(推進(jìn)器T7損失時(shí))，船舶在90°～135°及225°～270°區(qū)間不能滿足鋪管作業(yè)環(huán)境條件，船舶作業(yè)時(shí)需降低環(huán)境條件使用。在流速與波高保持不變的情況下，Case5最大抗風(fēng)能力曲線見(jiàn)圖10。

4 結(jié)論

1)HYSY201船鋪管作業(yè)時(shí)的動(dòng)力定位能力是加裝J-lay鋪管系統(tǒng)改造方案的控制工況，艏部推進(jìn)器失效為最嚴(yán)重?fù)p失工況。

2)采用J-lay鋪管系統(tǒng)舷側(cè)布置方案，管道對(duì)船體縱向作用力產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)艏力矩。艏部推進(jìn)

器失效時(shí)，船舶需降低環(huán)境條件使用。

3)對(duì)于J-lay鋪管系統(tǒng)舷側(cè)布置方案，下一步需對(duì)推進(jìn)器推力損失、配電情況等進(jìn)行實(shí)船調(diào)研，以準(zhǔn)確評(píng)估改造方案的可行性。

[1] The International Marine Contractors Association. IMCA M 140 Rev.Ι-Specification for DP capability plots[S].2000.

[2] 張法富,劉波,楊輝.動(dòng)力定位船控位能力計(jì)算軟件平臺(tái)構(gòu)建研究[J].船舶工程,2015,37(1)：69-71.

[3] American Petroleum Institute. API-RP-2SK. Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S]. 3rd ed,2005.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5] 張法富,劉波,劉鴻雁，等.動(dòng)力定位系統(tǒng)推力分配算法研究[J].船海工程,2013,42(2):125-129.

DP Capability Analysis of HYSY201 after Installation of J-lay Pipelaying System

ZHANG Fa-fu, PENG Xiao-jia, HE Ning, SONG An-ke

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

According to the selected J-Lay pipelaying system installation plan, the environmental load and pipelaying force were calculated. Without changing the existing propulsion system of the vessel, numerical calculation of DP capability was performanced and the DP capability curves of thrusters intact and failure conditions were obtained.

J-lay pipelaying; environmental load; DP capability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.027

2016-07-06

張法富(1984—)，男，碩士，工程師

U664.81

A

1671-7953(2017)02-0117-04

修回日期：2016-08-04

研究方向:海洋工程浮式結(jié)構(gòu)物總體性能、動(dòng)力定位