三船體浮托作業(yè)水動力響應(yīng)數(shù)值模擬

張文軍，李宏偉

應(yīng)用研究

三船體浮托作業(yè)水動力響應(yīng)數(shù)值模擬

張文軍1，李宏偉2

（1. 梧州學(xué)院管理學(xué)院，廣西梧州 543003；2.中國石油大學(xué)（華東）船舶與海洋工程系，山東青島 266580）

針對退役的大型海洋平臺拆除問題，現(xiàn)提出一種雙船起重系統(tǒng)（TML）將平臺上部模塊整體浮托并駁運(yùn)到運(yùn)輸船上。為研究該方法的可靠性，對三船系統(tǒng)小間隙并靠時的波浪力和RAO進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同的環(huán)境情況下三船體耦合作用時的水動力參數(shù)變化特性。結(jié)果顯示三船系統(tǒng)對海況條件的變化比較敏感。波高增加后，船舶之間的相對運(yùn)動的有義值也顯著增加；船舶之間的相對運(yùn)動在不同浪向角下呈現(xiàn)不同的數(shù)值。實(shí)際作業(yè)中應(yīng)考慮避開運(yùn)動響應(yīng)較大時的波浪頻率和環(huán)境載荷方向。

多浮體 浮托法 水動力參數(shù) 頻域分析 數(shù)值模擬

0 引言

平臺退役與棄置是油田開采整個過程里最終的一環(huán)，退役平臺的拆除工作會成為新的產(chǎn)業(yè)并帶來龐大的市場，開發(fā)與之配套的技術(shù)和設(shè)備刻不容緩[1]，退役平臺的拆除工作和裝備將會有非常大的市場發(fā)展前景[2-4]。而重型浮吊（HLV）的價格和作業(yè)風(fēng)險日益增高，所以DEVON公司[5]、瑞士船東Allseas、美國Versabar[6]等海工公司研制開發(fā)了一些平臺拆除的工程船，康菲公司、Murphy/Technip公司[7]則采用了雙駁船浮托法來進(jìn)行整體施工。而這同時也促進(jìn)了TML的產(chǎn)生和應(yīng)用。

雙船起重法（TML）包括了兩艘相同的裝有 DP3動力定位系統(tǒng)的起重船和一艘駁船。每艘起重船各裝載4門起重器，從兩側(cè)靠近導(dǎo)管架平臺，并使用起重器合力抬升上部模塊，將上部模塊由導(dǎo)管架上拆除。TML作為一項(xiàng)主要用于一體化安裝、拆除海上導(dǎo)管架平臺的技術(shù)，具有風(fēng)險更小、費(fèi)用更低、效率更高、適用范圍更廣等優(yōu)勢。

但TML中存在多艘船舶并存的情況，整個三船系統(tǒng)的運(yùn)動特性在海洋環(huán)境下會表現(xiàn)出很復(fù)雜的變化[8]。本論文將TML系統(tǒng)一體化拆解平臺上部模塊時的過駁作業(yè)過程中的運(yùn)動特性作為研究目標(biāo)，重點(diǎn)探討三船并靠時耦合作用對系統(tǒng)水動力參數(shù)的影響，為退役平臺一體化拆解領(lǐng)域提供一種高效安全的方法。

1 方案介紹

平臺拆除方案的設(shè)計(jì)需要對多方面進(jìn)行充分考慮。包括平臺最初設(shè)計(jì)、建造和安裝的情況，使用過程中結(jié)構(gòu)的變化、部分備的添加和減少，以及拆解裝備、拆除設(shè)計(jì)和施工能力的影響[9]。

TML一體化拆除平臺上部模塊方法包括準(zhǔn)備、對接、拆除、進(jìn)船、過駁、單船運(yùn)輸6個階段。這個過程中有多個過駁階段的船體與結(jié)構(gòu)參與（包括兩艘起重船、一艘駁船和一個上部模塊），考慮外力復(fù)雜，判定參數(shù)多，三船耦合的水動力相互作用會影響到每艘船在海洋環(huán)境中的運(yùn)動特性[10]，同時過駁階段也是整個方案中最重要的階段之一。所以，本論文以過駁階段為例，對TML三船系統(tǒng)對每艘船水動力參數(shù)的影響進(jìn)行分析，并與各船單獨(dú)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比。

2 數(shù)值計(jì)算理論

2.1 坐標(biāo)系及環(huán)境荷載方向定義

為說明船舶與平臺上部模塊在海浪中的運(yùn)動響應(yīng)，建立了3個右手坐標(biāo)系：（１）大地坐標(biāo)系:O-xyz，原點(diǎn)O在海平面上，z軸豎直朝上。（２）隨船坐標(biāo)系：O-xyz，O-xyz，O-xyz，原點(diǎn)O在船艏的基線位置，正方向和大地坐標(biāo)系相同。（３）上部模塊坐標(biāo)系：O-xyz，原點(diǎn)在上部模塊第一水平層，正方向和大地坐標(biāo)系相同。

圖1 坐標(biāo)系及環(huán)境方向定義

2.2 頻域計(jì)算理論

依照勢流理論，假定流體是不可壓縮、無黏性且無旋轉(zhuǎn)的理想流體，多浮體包含三個無航速的浮體，而這之中一個浮體Ｍ的速度勢為：

式中：為作用于M上的入射波速度勢；φ為因?yàn)楦◇wL存在而對浮體M造成的繞射勢，也含浮體M對它本身造成的繞射勢；φ為浮體M不動時，因?yàn)榱硗獾母◇w振蕩，作用于浮體M上的輻射勢，也含浮體M對它本身造成的輻射勢；ζ為浮體自由度的運(yùn)動響應(yīng)，=1～6、=7～12和=13～18分別表示第一個、第二個和第三個浮體的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖六個自由度。

浮體在頻域下的運(yùn)動方程可以寫成：

式中：M是第個浮體的質(zhì)量矩陣；C是第個浮體的靜回復(fù)力矩陣；F是第個浮體的波浪力；A是附加質(zhì)量矩陣；B是阻尼矩陣；ζ是每個浮體的六個自由度運(yùn)動。

3 數(shù)值模型

3.1 船型參數(shù)及有限元模型

三艘船的主尺度以及吃水?dāng)?shù)據(jù)如表1，組塊尺寸及重量數(shù)據(jù)如表2。

表1 起重船主尺度信息表

表2 組塊尺寸信息表

駁船B和起重船A/C之間的距離為19 m，圖2為系統(tǒng)的有限元數(shù)值模型。

圖2 TML系統(tǒng)有限元模型

3.2 環(huán)境參數(shù)

參考海域常規(guī)海洋環(huán)境情況，選擇表3數(shù)據(jù)作為頻域分析時的輸入條件，系統(tǒng)作業(yè)水深80 m。

表3 環(huán)境條件

4 三船相互作用對水動力參數(shù)的影響

由于水動力相互作用對附加質(zhì)量、輻射阻尼和船舶波浪力的影響重點(diǎn)表現(xiàn)于波浪頻率的范圍之內(nèi)，所以船舶的幅值響應(yīng)RAO也在波浪頻率內(nèi)波動。如圖3、圖4，船舶單獨(dú)存在時在艏浪浪向的情況下的橫搖響應(yīng)接近0，但在三船系統(tǒng)之中，因?yàn)樗畡恿ο嗷プ饔茫掖急憩F(xiàn)出顯著的橫搖運(yùn)動響應(yīng)，并且起重船A/C的運(yùn)動幅值遠(yuǎn)超駁船B的值；艏浪浪向下起重船A/C處于對稱位置，因此起重船A和C橫搖運(yùn)動響應(yīng)是一致的。

圖4 起重船A/C0°橫搖RAO

圖5 駁船B90°橫搖RAO

圖6 起重船A/C90°橫搖RAO

圖7 駁船B90°橫蕩RAO

圖8 起重船A/C90°橫蕩RAO

如圖5到圖8所示，在90度浪向的情況下，迎浪的起重船C的運(yùn)動響應(yīng)幅值比單獨(dú)存在時有所增加，而因?yàn)檎诒涡?yīng)的影響，起重船A和駁船B的運(yùn)動響應(yīng)幅值則有所減少。

5 水深吃水比對波浪力的影響

分別選擇20 m、40 m、80 m和1000 m的水深，即2.11、4.21、8.42與105.26的水深吃水比，對起重船C進(jìn)行水動力分析，分析過程中考慮三船系統(tǒng)的水動力相互作用。

通過數(shù)值模擬分析后表明，當(dāng)水深吃水比減小時，波浪力在整個波浪頻率范圍之內(nèi)，尤其低頻率區(qū)域是表現(xiàn)出了不斷増大的趨勢。一階波浪力的最高值隨水深減少逐漸向低頻率區(qū)域移動，波浪力最高值都隨水深減少而呈現(xiàn)顯著的增加趨勢。

6 給定海況三船系統(tǒng)頻域運(yùn)動分析

6.1 不同波高下對三船系統(tǒng)的影響

由于三船系統(tǒng)的相互作用，組塊轉(zhuǎn)移過程中系統(tǒng)在風(fēng)浪流的作用下會表現(xiàn)出比較復(fù)雜的動力特性。本文采用JONSWAP波浪譜用于模擬環(huán)境荷載中的波浪條件，將波浪的有效波高作為變量，計(jì)算分析改變波高對三船系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)的影響。分別取1.0 m，1.5 m和2.0 m波高作為研究對象。圖9列出了三種波高下三船重心位置相對運(yùn)動有義值比較。

圖9 不同波高下的影響

波高增大后，船體之間的相對運(yùn)動的有義值也有明顯增加。對比1.0 m波高和2.0 m波高情況下，增加幅度非常明顯，說明系統(tǒng)對壞境條件的改變非常敏感。

6.2 不同浪向下對三船系統(tǒng)的影響

選取0°、45°、90°、135°和180°五個方位，對波浪的入射方位進(jìn)行分析。通過計(jì)算和模擬，得出了不同波高下三船重心位置相對運(yùn)動有義值比較。結(jié)果表明，船體之間的相對運(yùn)動在不同浪向角下呈現(xiàn)不同的數(shù)值。橫蕩、垂蕩和橫搖的相對運(yùn)動值在90°浪向時最大；縱蕩的相對運(yùn)動值在180°浪向時最大；縱搖和艏搖的運(yùn)動值較小。

7 結(jié)論

TML是未來海工拆除作業(yè)市場的一種新工藝，填補(bǔ)我國在海洋工程起重拆解領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白。本文描述了TML拆除平臺的步驟, 進(jìn)行了初步計(jì)算分析，對所建立的TML組塊拆除方案的多浮體模型的水動力性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究和模擬，得到了船舶在多浮體系統(tǒng)中水動力參數(shù)的變化特性。本文結(jié)論主要如下：

1）三船系統(tǒng)對水動力參數(shù)的相互影響主要在波浪頻率范圍內(nèi)?？紤]耦合時船舶的附加質(zhì)量和阻尼會發(fā)生變化，而受到的波浪力幅值會減小。

2）0°浪向時，三船仍會有一定的橫向運(yùn)動，且船A和C的運(yùn)動響應(yīng)相同，而單獨(dú)存在時的橫向運(yùn)動幾乎為0；90°浪向且三船耦合時，迎浪船運(yùn)動幅值增大，背浪船減小。

3）隨著水深吃水比的減小，波浪力最大值顯著增大，同時所對應(yīng)的波頻降低。

4）系統(tǒng)對環(huán)境條件的改變很敏感。波高增加后，船舶之間的相對運(yùn)動的有義值也顯著增加；船舶之間的相對運(yùn)動在不同浪向角下呈現(xiàn)不同的數(shù)值。

而該方案仍存在需要解決的問題：類似的拆除案例較少，缺乏可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)；多浮體系統(tǒng)對環(huán)境載荷的影響更加敏感，系統(tǒng)抵抗風(fēng)浪的能力較弱，需盡量減少雙船和組塊處于耦合狀態(tài)下的作業(yè)時間；只采用了數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究分析，方案實(shí)施前還需要進(jìn)行相關(guān)的物理模型實(shí)驗(yàn)，在以后的研究工作中需要加以考慮。

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Numerical Simulation of Hydrodynamic Response for Three Hulls Floatover

Zhang Wenjun1，Li Hongwei2

（1. School of Management, Wuzhou University, Wuzhou 543003, Guangxi, China; 2. Department of Ship and Ocean Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong,China)

U661.3

A

1003-4862（2023）12-0077-04

2023-06-08

張文軍（1971-），男，高級工程師。主要從事交通港航自動化和智能運(yùn)維的研究。E-mail：re2000@sina.com