T型駁運(yùn)載超大型組塊運(yùn)動特性分析

楊小龍，高定全，董寶輝，董曉曼，周 燕

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

海洋平臺作為海上油氣資源開采的載體，其上部模塊正向著綜合化，大型化的方向發(fā)展。平臺在陸上建造完工后，一般由駁船運(yùn)載至油田場址進(jìn)行海上安裝。組塊浮托安裝有一定的優(yōu)勢，可以節(jié)省組塊海上調(diào)試時(shí)間及安裝費(fèi)用。但駁船的選型受到平臺下部基礎(chǔ)開口的限制，有時(shí)需要將駁船改造成T形以保證運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)性。本文以采用浮托安裝的某大型組塊的拖航為例，對設(shè)計(jì)過程中需注意的問題進(jìn)行討論。

1 T型駁簡介

艏和艉的半寬存在較大差異。它一般由傳統(tǒng)船舶改造而成，也有直接由船廠初次建造的，例如國內(nèi)為三星重工建造的1.8萬t的“三星2號”。大部分T型駁的改造源于浮托安裝的需要。所謂浮托安裝是指通過調(diào)整安裝船上組塊高度將組塊置于預(yù)先安裝的水下基礎(chǔ)頂部的一種安裝方法。當(dāng)海上起重船能力不足或者不具備起重船作業(yè)條件時(shí)，可采用浮托法進(jìn)行安裝作業(yè)。由于浮托安裝船的寬度需要受到水下基礎(chǔ)開口的限制，有時(shí)不得不對船體進(jìn)行削窄處理。同時(shí)為了保證拖航過程中的穩(wěn)性，增加船體的儲備浮力，通常又將未削窄的部分加寬，形成所謂的T型。國際上著名的T型駁包括Heerema公司的H-851，Mcdermott公司的intermac-650以及海油工程的HYSY229等。典型T型駁的浮托安裝于海上拖航作業(yè)見圖1、2。

圖1 Intermac-650海上拖航

圖2 H-851浮托安裝

2 算例

2.1 計(jì)算軟件

Moses是一款通用的浮式計(jì)算軟件，可進(jìn)行大部分海上施工的數(shù)值模擬。SESAM是一款商用浮式計(jì)算軟件包，主要包括用于結(jié)構(gòu)分析的Genie模塊，用于水動力分析的HydroD模塊和用于系泊分析的DeepC模塊。同時(shí)集成了前處理與后處理功能。兩款軟件在國際上應(yīng)用廣泛，有著很高的計(jì)算精度。本文以上述兩款軟件進(jìn)行拖航的數(shù)值模擬并將計(jì)算結(jié)果與上海交通大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模型試驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果的可靠性。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

坐標(biāo)系定義見圖3，X軸原點(diǎn)位于船艏，正向由船艏指向船艉，Y軸原點(diǎn)位于船體中線，向右為正，Z軸原點(diǎn)位于船體基線上，向上為正，坐標(biāo)系定義服從右手定則。

圖3 船體坐標(biāo)系

文中計(jì)算的T型駁設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、圖4。

表1 T型駁設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 駁船主尺度

拖航組塊設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 運(yùn)載結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)參數(shù)

組塊在駁船上的位置見圖5。

圖5 組塊在駁船上位置

2.3 響應(yīng)幅值算子(RAO)

運(yùn)動響應(yīng)幅值算子顯示浮體在不同頻率單位波幅規(guī)則波下的運(yùn)動，它與系統(tǒng)所受到的激勵(lì)，系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量分布直接相關(guān)。結(jié)合特定的海浪譜，可以方便地進(jìn)行浮體的短期運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報(bào)。RAO可以看做是浮體運(yùn)動特性的直接量度。在Moses中應(yīng)用三維勢流理論得到系統(tǒng)重心處6自由度的RAO，見圖6。

圖6 船體重心處6自由度RAO

拖航過程中最關(guān)心的是船體的橫搖運(yùn)動。橫搖RAO幅值在很大程度上取決于橫搖阻尼的大?。?］。將實(shí)驗(yàn)中得到的橫搖線性阻尼系數(shù)μ代入數(shù)值模型中，得到的90°的橫搖和垂蕩的RAO曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。實(shí)驗(yàn)中得到的橫搖，縱搖兩自由度的自由衰減曲線見圖7，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比見圖8。

圖7 橫搖及縱搖自由衰減曲線

圖8 Moses，Sesam與模型試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖8可見Sesam與Moses兩款數(shù)值計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果幾乎完全吻合，與實(shí)驗(yàn)中白噪聲測得的RAO結(jié)果吻合較好，對于橫搖RAO幅值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果要略大于數(shù)值計(jì)算的結(jié)果［2］。

3 結(jié)論

1)駁船運(yùn)載超大型組塊后由于總的重心較高，橫穩(wěn)性高較小，橫搖固有周期較大，實(shí)驗(yàn)中測得的阻尼較小，在波頻的范圍內(nèi)容易產(chǎn)生較大的橫搖運(yùn)動。在拖航設(shè)計(jì)工程中應(yīng)充分考慮固有周期的影響，通過調(diào)整吃水，降低系統(tǒng)重心等操作使系統(tǒng)固有周期避開波浪能量集中的頻率。

2)以縱搖運(yùn)動為例，通過靜水衰減得到的結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)測得的固有周期和頻域計(jì)算的RAO曲線峰值位置并不一致。主要的原因可能是由于T型駁前后寬窄不一，縱搖運(yùn)動時(shí)船體浮心位置不斷改變，縱搖運(yùn)動時(shí)始終伴隨著垂蕩運(yùn)動的耦合，導(dǎo)致縱搖自由衰減受垂蕩運(yùn)動的影響，固有周期未必一定對應(yīng)RAO最大峰值位置。由此可見對于特殊船型通過RAO曲線的最大峰值位置來確定固有周期的方法不一定可靠。

除此之外，由于船體的特殊性T型駁在遭遇橫浪工況時(shí)更容易產(chǎn)生艏搖，在船體加寬處更容易產(chǎn)生甲板上浪，不利于船體航向的穩(wěn)定性。最后，不同于常規(guī)駁船，T型駁在運(yùn)載超大型組塊時(shí)船體的總橫強(qiáng)度也應(yīng)是拖航設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

［1］肖龍飛，楊建民，盛振邦.海洋工程水動力學(xué)模型試驗(yàn)研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008.

［2］呂海寧，李 欣.荔灣3-1 CEP組塊浮托安裝模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.上海:上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2011.