風(fēng)浪流載荷下超大型海洋平臺拆解船運(yùn)動特性數(shù)值模擬

劉永澤，李政謀，任少飛

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著全球海洋油氣開采設(shè)施日益增多，未來將有大量海洋平臺因達(dá)到工作年限而需要拆解[1]。在對超大型海洋平臺進(jìn)行一體化拆解時一般需3 艘拆解船在海上進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，2 艘采用舉升臂將切割后的海洋平臺托起并轉(zhuǎn)移至第3 艘運(yùn)輸船甲板上，在固定后進(jìn)行運(yùn)輸。其中，舉升臂為可拆解裝置，且安裝數(shù)目可根據(jù)待拆解海洋平臺重量進(jìn)行調(diào)整[2]。

目前，對風(fēng)浪流載荷下海上作業(yè)船舶及海洋平臺的運(yùn)動特性開展了較為廣泛的研究。Hu 等[3]針對大型海上平臺上部組塊浮托安裝作業(yè)問題，基于數(shù)值模擬與模型試驗對風(fēng)浪流耦合載荷下非線性沖擊載荷、作業(yè)船運(yùn)動特性進(jìn)行了研究。李文魁等[4]基于海浪幅值響應(yīng)算子對船舶在波浪載荷下的縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值分析。黃致謙等[5]對半潛式海洋平臺在極端海況下的運(yùn)動特性及系泊性能進(jìn)行了分析。翟佳偉等[6]研究了渦激振動對風(fēng)浪流耦合載荷下Spar 型浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動的影響。袁洪濤等[7]研究了風(fēng)浪流耦合載荷方向?qū)Ｑ笃脚_系泊系統(tǒng)運(yùn)動特性的影響，確定了系泊系統(tǒng)危險工況。李巍等[2]基于模型實驗開展了風(fēng)浪流耦合載荷下雙船起重及運(yùn)輸過程，驗證了雙船運(yùn)輸平臺的可行性。孫承猛等[8]對風(fēng)浪流耦合載荷下深水鉆井船漂移載荷進(jìn)行時域模擬，分析了風(fēng)浪流分別引起的漂移載荷比例。

研究風(fēng)浪流耦合載荷下超大型海洋平臺一體化拆解船運(yùn)動特性，對于保證作業(yè)安全具有極其重要的意義，但目前相關(guān)研究相對較少。針對上述問題，本文基于Sesam 軟件研究了風(fēng)浪流耦合載荷下超大型海洋平臺拆解船的運(yùn)動特性，首先采用HydroD 頻域分析模塊得到波浪載荷下拆解船運(yùn)動特性，然后將頻域分析得到的船體運(yùn)動傳遞函數(shù)、附加質(zhì)量等導(dǎo)入Sima 時域分析模塊，求解風(fēng)浪流耦合載荷下拆解船運(yùn)動特性，并探討了舉升臂及載荷方向?qū)Σ鸾獯\(yùn)動特性的影響規(guī)律，旨在為超大型海洋平臺拆解作業(yè)提供一定的指導(dǎo)。

1 拆解船及環(huán)境載荷參數(shù)

本文所研究的拆解船總長200 m，寬45 m，吃水9.5 m，拆解船及舉升臂如圖1 所示。拆解船首部布置2 套側(cè)推進(jìn)器，尾部布置2 套SSP-5 吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)，并配合DP3 動力定位系統(tǒng)實現(xiàn)船舶精準(zhǔn)定位，推進(jìn)器布置及坐標(biāo)系規(guī)定如圖2 所示。

圖1 拆解船及舉升臂示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dismantling ship and lifting arms

圖2 推進(jìn)器布置及坐標(biāo)系規(guī)定Fig.2 Propeller arrangement and the definition of coordinate system

拆解船作業(yè)海域為挪威北海，為保證安全在3 級及以下海況下進(jìn)行拆解作業(yè)。因此，采用3 級海況參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計算，得到拆解船在風(fēng)浪流載荷下的最大運(yùn)動幅值。具體環(huán)境載荷參數(shù)設(shè)置如下：采用NPD 風(fēng)譜模擬風(fēng)載荷，平均風(fēng)速7 m/s；采用Jonswap 譜模擬波浪載荷，有義波高1 m，譜峰周期4 s；流速0.5 m/s[9]。

2 拆解船運(yùn)動特性頻域分析

本文首先使用Sesam 軟件中的HydroD 模塊進(jìn)行頻域分析，得到僅考慮波浪載荷時拆解船運(yùn)動特性及Sima 時域分析模塊所需的船體運(yùn)動傳遞函數(shù)和附加質(zhì)量等參數(shù)。考慮到船舶在作業(yè)時將船首朝向風(fēng)浪加載方向能顯著提高船舶操控性[10]，因此將浪向角分別設(shè)置為150°，180°和210°（見圖2）。為了對比舉升臂對拆解船運(yùn)動特性的影響，本文同時模擬了不考慮舉升臂船舶的運(yùn)動特性，此時由于結(jié)構(gòu)關(guān)于船體中縱剖面對稱，只需考慮150°和180°浪向角。根據(jù)挪威北海波浪平均周期概率分布，設(shè)置作業(yè)水深為100 m，波浪周期為0.1～1.1 rad/s[9]。

安裝舉升臂和未考慮舉升臂影響的拆解船運(yùn)動特性頻域計算結(jié)果如圖3 所示。可以發(fā)現(xiàn)：1）舉升臂對拆解船在波浪載荷下的縱蕩、垂蕩及縱搖運(yùn)動影響較小，如圖3（a）、圖3（c）及圖3（e）所示；2）對于安裝舉升臂的拆解船，波浪頻率為0.55 rad/s、浪向角150°時拆解船運(yùn)動相對較大，此時橫搖RAO 為210°浪向角下的2.75 倍，首搖RAO 為210°浪向角下的2.96 倍，這主要由安裝舉升臂后船舶不對稱性引起，如圖3（d）和圖3（f）所示；3）波浪頻率為0.55 rad/s、浪向角150°下安裝舉升臂的拆解船橫搖RAO 為未考慮舉升臂的2.79 倍，且首搖RAO 為未考慮舉升臂的3.93 倍，如圖3（d）和圖3（f）所示，即安裝舉升臂后拆解船橫蕩及首搖運(yùn)動顯著增大，且舉升臂造成的不對稱性會使拆解船對浮箱側(cè)加載的波浪載荷更加敏感。

圖3 波浪載荷下拆解船六自由度運(yùn)動特性頻域計算結(jié)果Fig.3 The 6-DOF motion characteristics of the dismantling ship under wave predicted by the frequency domain algorithm

3 拆解船運(yùn)動特性時域分析

將頻域計算得到拆解船六自由度運(yùn)動傳遞函數(shù)和附加質(zhì)量等導(dǎo)入至Sima 時域分析模塊中，同時考慮風(fēng)和流耦合載荷的影響，對安裝舉升臂的拆解船在150°及210°風(fēng)浪流載荷下的運(yùn)動特性進(jìn)行模擬，數(shù)值結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以看出，當(dāng)風(fēng)浪流載荷方向為210°時，拆解船的縱蕩、橫蕩運(yùn)動幅度都小于150°方向加載，而首搖運(yùn)動幅度則大于150°方向加載時。圖5 給出了上述2 個方向下安裝舉升臂拆解船的運(yùn)動軌跡點，從圖中可以看出風(fēng)浪流載荷從210°方向加載時船舶的在X-Y平面的運(yùn)動軌跡所在范圍相較150°時更小，即風(fēng)浪流從壓載箱側(cè)加載時拆解船運(yùn)動幅值相對較小，有利于拆解作業(yè)。

圖4 安裝舉升臂拆解船在150°和210°風(fēng)浪流載荷方向下時運(yùn)動時歷曲線Fig.4 The motion-time curves of the dismantling ship with lifting arm under wind,wave and current loads of 150° and 210° directions

圖5 安裝舉升臂拆解船在150°和210°載荷方向下運(yùn)動軌跡點Fig.5 The trajectory points of the dismantling ship with lifting arm under wind,wave and current loads of 150° and 210° directions

由于縱蕩、橫蕩及首搖運(yùn)動對拆解作業(yè)影響最大[3]，因此對上述3 個方向的時域計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到考慮和不考慮舉升臂的拆解船在150°，180°及210°載荷方向下的運(yùn)動最大值、最小值及運(yùn)動幅度（最大值-最小值）[11]，數(shù)值計算結(jié)果見表1。從表中可以發(fā)現(xiàn)：1）風(fēng)浪流載荷從180°方向加載時，拆解船在安裝舉升臂后縱蕩運(yùn)動幅度增加了102.4%；2）風(fēng)浪流載荷從150°加載時，拆解船在安裝舉升臂后縱蕩運(yùn)動幅度增加了87.3%，橫蕩運(yùn)動幅度增大了9.1%，首搖運(yùn)動幅度減小了75.5%；3）對于安裝舉升臂的拆解船，風(fēng)浪流載荷從210°方向加載時比從150°方向加載時縱蕩運(yùn)動幅度減小了51.1%，橫蕩運(yùn)動幅度減小了8.9%。

表1 風(fēng)浪流耦合載荷下拆解船縱蕩、橫蕩及首搖時域計算結(jié)果Tab.1 Time-domain calculation results of surge,sway and yaw of dismantling shipunder wind,wave and current loads

4 結(jié)語

本文以一艘超大型海洋平臺拆解船為研究對象，基于HydroD 頻域分析模塊得到波浪載荷下拆解船運(yùn)動特性，然后將頻域分析得到的運(yùn)動傳遞函數(shù)和附加質(zhì)量等參數(shù)導(dǎo)入Sima 時域分析模塊，并同時考慮風(fēng)和流載荷的影響，研究風(fēng)浪流耦合載荷下船體運(yùn)動特性，探討了舉升臂及載荷方向的影響。研究結(jié)果表明：

1）安裝舉升臂后的拆解船在波浪載荷下的橫蕩、橫搖、首搖方向上的運(yùn)動幅值會顯著增大。頻率為0.55 rad/s的波浪從210°加載時，與未安裝舉升臂拆解船相比，安裝舉升臂后拆解船橫搖R A O 和首搖RAO 分別增加了179%和293%；風(fēng)浪流載荷從150°和180°方向加載時安裝舉升臂后拆解船縱蕩運(yùn)動幅度分別增大了84.4%和55.4%。

2）舉升臂導(dǎo)致拆解船結(jié)構(gòu)不對稱，風(fēng)浪流載荷從210°方向加載時比150°加載時拆解船縱蕩和橫蕩運(yùn)動幅度分別減小了51.1%和8.9%。為保證作業(yè)安全性，應(yīng)盡量選擇風(fēng)浪流載荷從壓載箱一側(cè)加載時進(jìn)行作業(yè)。