波浪作用下平臺吊放遙控水下機(jī)器人系統(tǒng)共振響應(yīng)研究*

李文喆, 常安騰, 曹航語, 杜君峰

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

隨著海洋油氣開發(fā)向深海發(fā)展,水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用越來越多,全世界有130多個海洋油氣田應(yīng)用了水下生產(chǎn)系統(tǒng)[1],水下安裝、檢測、探傷修復(fù)等深水作業(yè)需求重大,遙控水下機(jī)器人(Remotely operated underwater vehicle,ROV)在水下石油生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)中扮演非常重要的角色[2]。然而,在ROV投入作業(yè)前的下放過程中,動力現(xiàn)象復(fù)雜、風(fēng)險大,因此在ROV的下放過程中保障其系統(tǒng)安全至關(guān)重要。

現(xiàn)階段,人們對作業(yè)船舶吊放機(jī)器人做了一些研究。劉永林[3]采用時域和頻域方法分析母船-吊纜-ROV系統(tǒng)的動力學(xué)特征,對垂直纜索運(yùn)動特性進(jìn)行了研究。徐詩婧[4]通過建立ROV多體耦合系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型,分析了母船-臍帶纜-ROV多體耦合的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性。顧永寧等[5]和任會禮等[6]采用數(shù)學(xué)建模的方法,對船舶-吊物系統(tǒng)進(jìn)行耦合計算,得到吊物的共振區(qū)域范圍。在這些研究中,主要針對的是采用母船進(jìn)行ROV下放的過程。近年來,由于油氣鉆采平臺直接下放ROV具有操作簡單、靈活性高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn),因此越來越受到青睞。但深海石油鉆采平臺和作業(yè)船舶的水動力特性差異較大,整體系統(tǒng)動力響應(yīng)特征不同,深海石油鉆采平臺下放ROV的過程需要進(jìn)一步的深入研究。

在ROV的實(shí)際下放過程中,隨著纜長的變化,吊纜-ROV系統(tǒng)的固有頻率不斷變化,在整個下放過程中,系統(tǒng)存在較寬的共振頻率范圍,且同波浪激勵和平臺運(yùn)動發(fā)生共振或諧振的可能性較大。要安全、有效地下放,就需要對ROV下放過程中的共振機(jī)理和共振響應(yīng)特性有清晰的認(rèn)識。Driscoll等[7]通過對垂直吊放ROV系統(tǒng)進(jìn)行了自由度相關(guān)性測定發(fā)現(xiàn),起重船同ROV的垂向耦合運(yùn)動明顯。朱克強(qiáng)等[8]通過建立纜索系統(tǒng)垂向吊放解析模型,計算了系統(tǒng)固有頻率,預(yù)測纜索松弛情況。王瑩瑩等[9]針對水下管匯下放,建立了運(yùn)動方程,進(jìn)而求解管匯發(fā)生軸向共振時的水深。綜上可以看出,目前人們主要關(guān)注ROV的垂向共振,事實(shí)上,在ROV下放過程中更易發(fā)生共振,進(jìn)而會引起吊纜的彎折。此外,ROV擺動幅度過大會引起較大的縱蕩,從而會有ROV同平臺及其附屬用具發(fā)生碰撞的危險。

本文針對某深水半潛式鉆井平臺下放ROV的過程,使用Orcaflex建立平臺-吊纜-ROV系統(tǒng)的耦合分析模型,采用時域方法研究波浪作用下ROV下放過程的共振響應(yīng)及影響因素,重點(diǎn)關(guān)注ROV共振時的ROV擺動角度、吊纜張力、ROV縱蕩響應(yīng),并給出了下放速度的取值建議以降低共振響應(yīng),對保障ROV的安全下放具有一定的工程意義。

1 計算模型

本文耦合模型如圖1所示,通過鉆井平臺上的絞車將ROV于鉆井平臺的一側(cè)進(jìn)行吊放。其中,某半潛式鉆井平臺為雙下浮體、四立柱、兩組橫撐、箱型甲板的船體型式,如圖2所示。平臺作業(yè)水深為1 000 m,作業(yè)工況下吃水19 m,排水量51 616.4 t。如圖3所示,系泊系統(tǒng)分4組,共有12根系泊纜,系泊纜為錨鏈-聚酯纜-錨鏈三段式。應(yīng)用商業(yè)軟件HydroD計算平臺運(yùn)動的響應(yīng)幅值算子(Remotely operated vehicle,RAO),結(jié)果如圖4所示。

圖1 耦合模型

((a)濕表面模型 Wet surface model; (b) 網(wǎng)格模型 Grid model.)

(①～分別為1～12號系泊纜。①～ are mooring cables from No.1 to No.12, respectively.)

((a)縱蕩RAO;(b)垂蕩RAO;(c)縱搖RAO;(d)橫蕩RAO;(e)垂蕩RAO;(f)橫搖RAO。(a)Surge RAO;(b)Heave RAO;(c)Pitch RAO;(d)Sway RAO;(e)Heave RAO;(f)Roll RAO.)

ROV采用SAAB公司的某型號水下機(jī)器人,置于平臺左側(cè),搭配8型中繼器系統(tǒng)。為方便計算,將帶有中繼器的ROV模型簡化為長方體,參考規(guī)范DNV-RP-H103[10],根據(jù)ROV形狀簡化計算得到水動力系數(shù),用于ROV的運(yùn)動響應(yīng)分析。吊纜數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[11],吊纜和ROV的具體參數(shù)設(shè)置如表1和2所示。

表1 吊纜參數(shù)

表2 帶有中繼器的ROV參數(shù)Table 2 ROV parameters with TMS

2 空中下放階段的ROV共振響應(yīng)分析

基于頻域水動力分析數(shù)據(jù),考慮平臺-吊纜-ROV的耦合運(yùn)動,采用海洋工程軟件Orcaflex對耦合系統(tǒng)進(jìn)行時域分析,研究ROV在空中下放階段的共振響應(yīng)特性,分析不同吊纜長度的ROV共振響應(yīng)。

首先,計算了4種纜長在2～10 s周期的單位波幅波浪作用下的ROV擺角幅值,如圖5所示。

((a)吊纜長度5 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 5 m;(b)吊纜長度10 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 10 m;(c)吊纜長度15 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 15 m;(d)吊纜長度20 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 15 m.)

在波浪荷載的作用下,擺動幅值在特定波浪周期下出現(xiàn)峰值,ROV有明顯的共振響應(yīng),當(dāng)?shù)趵|長度分別為5、10、15、20 m時,ROV擺動對應(yīng)的共振波浪周期分別為4.5、6.5、7.9、8.9 s。

為進(jìn)一步完整分析空中下放階段中ROV的共振響應(yīng)特性,進(jìn)一步細(xì)化下放過程,得到空中下放階段的吊纜長度、波浪周期和ROV擺動角度的三者關(guān)系圖(見圖6)。

圖6 吊纜長度、波浪周期、ROV擺動角度關(guān)系圖

提取圖6中的峰值點(diǎn),分析下放纜長與對應(yīng)共振周期的關(guān)系,并將ROV共振周期與單擺共振周期公式所計算的數(shù)值進(jìn)行對比(見圖7)發(fā)現(xiàn),二者符合較好,誤差均小于3%,即在空中下放階段ROV擺動共振周期可用單擺固有周期計算公式進(jìn)行估算,可在作業(yè)過程中進(jìn)行快速分析。

圖7 不同吊纜長度下的ROV共振周期統(tǒng)計圖

此后,進(jìn)一步分析共振時的ROV擺動角度同吊纜張力峰值關(guān)系(如圖8)發(fā)現(xiàn),吊纜頂端張力峰值同ROV擺動角度正相關(guān)。在吊纜長度為8～15 m時,由于ROV共振頻率和平臺縱搖RAO峰值對應(yīng)的頻率區(qū)域重合,加劇了吊纜-ROV系統(tǒng)的共振響應(yīng),因此出現(xiàn)擺動角度較大的情況。

圖8 不同吊纜長度下的ROV擺動角度和吊纜張力峰值

結(jié)合圖7和8可以看出,空中下放階段的ROV共振波浪周期范圍在2.8～9.3 s之間,尤其當(dāng)波浪周期在5～8 s時,ROV共振響應(yīng)尤為劇烈,這與平臺縱搖RAO的一個峰值區(qū)域相對應(yīng)(見圖4(c))。

3 水中下放階段的ROV共振響應(yīng)分析

3.1 ROV水中下放的共振響應(yīng)特性

本章研究ROV在水中下放階段的共振響應(yīng)特性。考慮ROV的水動力系數(shù),選取不同的下放位置,計算不同吊纜長度的ROV共振響應(yīng)結(jié)果運(yùn)動響應(yīng)。分析水中下放階段的纜長同對應(yīng)的共振周期的關(guān)系,并同單擺的共振周期的計算公式進(jìn)行對比(見圖9)發(fā)現(xiàn),誤差隨纜長的增加不斷增大。對單擺的共振周期公式進(jìn)行修正如式(1)所示,修正公式估算共振周期誤差能保持在4%以內(nèi),可為水中下放階段估算ROV共振周期提供參考。

圖9 不同吊纜長度下的ROV共振周期統(tǒng)計圖

(1)

式中:T為ROV的共振周期;l為吊纜長度。

水中吊放時,ROV共振擺角幅值明顯較空氣中下放時小,這主要是因?yàn)楹Ｋ畬OV和吊纜產(chǎn)生了較大的阻尼荷載;同時,吊纜長度的增加使吊纜-ROV系統(tǒng)在水中的阻尼增大,導(dǎo)致ROV的共振擺角隨纜長的增加而減小。分析吊纜長度同ROV共振時的擺動角度和吊纜張力響應(yīng)峰值的關(guān)系(見圖10)發(fā)現(xiàn),由于ROV的擺動角度較小,吊纜張力的動力項(xiàng)較小,張力主要受系統(tǒng)重力影響,因此吊纜頂端張力峰值隨纜長的增加而增大,增加值主要來自于吊纜纜重的貢獻(xiàn)。

圖10 不同吊纜長度的ROV擺動角度和吊纜頂端張力峰值

3.2 流荷載對ROV共振響應(yīng)的影響分析

考慮到流荷載對ROV運(yùn)動響應(yīng)的影響,對流速大小對ROV共振周期及共振響應(yīng)的影響規(guī)律開展研究,結(jié)果見表3,發(fā)現(xiàn)流速越大,共振周期越大,ROV受到阻力越大,共振擺角則越小,但是對吊纜頂端張力峰值影響不大。

表3 特征纜長下,不同海流流速下ROV共振響應(yīng)

4 ROV下放過程模擬分析

4.1 ROV下放過程中的共振分析

依據(jù)不同海區(qū)的波浪條件特征,選取特定作業(yè)工況,有義波高2 m,譜峰周期為8和16 s。設(shè)置吊點(diǎn)高度25 m,ROV起吊高度22 m,初始纜長3 m,下放速度0.1 m/s。對ROV連續(xù)下放過程進(jìn)行分析,得到其動態(tài)響應(yīng),計算結(jié)果如圖11和12所示。由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),ROV下放過程中存在明顯的共振現(xiàn)象。當(dāng)譜峰周期Tp=8 s時,且ROV下放至120 s時,ROV縱蕩和吊纜底端張力突然變大并持續(xù)到200 s,此時纜長伸長至15～23 m,對應(yīng)的吊纜-ROV系統(tǒng)共振周期為7.8～8.3 s,固有頻率為0.12～0.13 Hz,正好與波浪譜能量集中的頻率區(qū)域相重合,如圖13所示,激發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生共振響應(yīng);類似地,當(dāng)譜峰周期Tp=16 s時,ROV下放至470 s時,ROV縱蕩和吊纜底端張力變大并持續(xù)到550 s,此時纜長伸長至50～58 m,對應(yīng)系統(tǒng)的共振周期為15.4～16.9 s,固有頻率為0.05～0.06 Hz,與波浪譜能量集中的頻率區(qū)域相重合,如圖14所示。

圖11 下放速度為0.1 m/s時的ROV縱蕩響應(yīng)時歷圖

圖12 下放速度為0.1 m/s時的吊纜底端張力時歷圖

圖13 譜峰周期Tp=8 s的波浪頻譜

圖14 譜峰周期Tp=16 s的波浪頻譜

特別地,圖12中出現(xiàn)張力驟降是因?yàn)殡S著吊纜的下放,ROV從空中下放至水中,由于海水給ROV提供了浮力,因此吊纜底端張力會出現(xiàn)突然減小的現(xiàn)象。吊纜張力出現(xiàn)較大波動區(qū)域的原因則是因?yàn)镽OV處于共振區(qū)域,吊纜張力受系統(tǒng)的運(yùn)動影響,因此吊纜底端張力隨ROV運(yùn)動響應(yīng)的增大而出現(xiàn)較大的波動。

4.2 下放速度對共振現(xiàn)象的影響分析

考慮到不同下放速度可能對ROV下放過程中的共振現(xiàn)象的影響,本文針對4.1節(jié)中的第一個作業(yè)工況(有義波高2 m,譜峰周期為8 s),分別以0.1、0.2、0.3 m/s的速度下放ROV,響應(yīng)時程如圖15—16所示。

圖15 譜峰周期為8 s時的ROV縱蕩響應(yīng)時歷對比圖

圖16 譜峰周期為8 s時的吊纜底端張力時歷對比圖

可以看出,通過不同速度下放ROV都會存在共振問題,但相應(yīng)特征差別明顯,下放速度為0.2 m/s時,ROV的縱蕩響應(yīng)明顯較其他兩個速度下放時的響應(yīng)小。因此,在該海況下作業(yè)時,推薦以0.2 m/s的速度進(jìn)行ROV的下放。

5 結(jié)論

(1)空中下放階段,ROV的搖擺共振周期可通過單擺固有周期計算公式進(jìn)行估算;吊纜頂端張力峰值同ROV擺動角度正相關(guān)。ROV共振頻率與平臺縱蕩RAO峰值所對應(yīng)的頻率區(qū)域重合時,將導(dǎo)致ROV共振更加劇烈。

(2)水中下放階段,通過本文修正的單擺共振周期計算公式可相對準(zhǔn)確地對ROV共振周期進(jìn)行估算。由于吊纜-ROV系統(tǒng)在水下存在阻尼,ROV共振響應(yīng)相比空中階段大幅度減小。考慮流荷載的影響,水流速越大,ROV共振周期越大,ROV共振擺角越小。由于ROV的擺動角度較小,所以吊纜張力的動力項(xiàng)較小,因此張力主要受系統(tǒng)重力影響而隨纜長增加而增大。

(3)選取典型的作業(yè)工況,對ROV的連續(xù)下放過程進(jìn)行模擬,響應(yīng)時程顯示存在明顯的共振段,共振響應(yīng)區(qū)域?qū)?yīng)的系統(tǒng)固有頻率范圍與波浪譜能量集中的頻率區(qū)域重合。ROV下放速度對下放過程中的共振響應(yīng)有顯著影響,可通過選擇合適的下放速度以降低ROV共振響應(yīng),保障系統(tǒng)安全。