文昌13-6導管架下水過程模擬與分析

王文科，韓井波，劉吉林

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東蓬萊265607

文昌13-6導管架下水過程模擬與分析

王文科1，韓井波2，劉吉林1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司，山東蓬萊265607

導管架滑移下水過程是指導管架從有一定縱傾的下水駁船上靠自重滑移下水，直至與駁船分離并在水中達到漂浮狀態(tài)的過程。文章以文昌13-6導管架為模型，采用MOSES軟件對下水過程進行時域模擬，并且運用敏感性分析計算來綜合判斷導管架和駁船下水過程的穩(wěn)定性與安全性，計算結(jié)果表明整個下水過程安全可靠，且與海上施工現(xiàn)場實際情況基本一致。

導管架；駁船；下水；敏感性分析

1 概述

國內(nèi)200 m水深以內(nèi)海上油氣田通常采用導管架形式進行開發(fā)，由于浮吊能力的限制，深水導管架海上安裝通過滑移下水來實現(xiàn)。海上安裝風險大、作業(yè)成本高，所以下水過程的分析與計算十分關(guān)鍵。本文采用MOSES軟件進行三維過程數(shù)值模擬分析和結(jié)構(gòu)分析。把導管架和駁船看作具有6個自由度的剛體，且兩個剛體之間通過滑道和搖臂相對運動，同時其結(jié)構(gòu)分析要考慮導管架和駁船的變形。

2 下水過程模擬

2.1 模擬步驟

（1）根據(jù)船舶資料在MOSES軟件中建立駁船模型。

（2）從SACS中導出導管架模型，注意添加額外的附件。比如下水滑道、導管架上的滑道梁等連接件，防沉板和陽極等附屬結(jié)構(gòu)。

（3）定義初始下水狀態(tài)的參數(shù)，包括：駁船縱傾、吃水、導管架初始位置、絞車速度等。將系統(tǒng)壓載至所需要的狀態(tài)，導管架和駁船系統(tǒng)準備好進行時域模擬。

（4）調(diào)整導管架，使其滑移到重心通過搖臂，導管架成傾斜狀態(tài)。

（5）在搖臂的協(xié)助下導管架繼續(xù)滑移直至與駁船完全脫離，俯沖入水最后達到穩(wěn)定的漂浮狀態(tài)。

2.2 模擬過程分析

導管架下水示意見圖1。

圖1 導管架下水示意

在導管架滑移下水過程中，導管架和駁船都是運動物體。模擬物體運動過程采用動態(tài)平衡原理，即運動物體的慣性力和其所受外力是瞬時平衡的，利用該平衡方程來求解物體運動的過程，即時間歷程分析法（時域分析法）。

導管架滑移下水過程是在水中的一個三維空間運動過程。在數(shù)值模擬分析中，要考慮動水拖曳力、動水慣性力、駁船和導管架的相互作用力、桿件慣性力、重力和浮力等。其中二者的相互作用是指在初始階段駁船和導管架被約束在一起的運動，此約束需在方程的剛度矩陣里考慮。

在初始階段，帶有質(zhì)量和慣性特征的導管架作為剛體，受絞車索引力或液壓缸的推力，當引力或推力大于靜摩擦力時，導管架沿駁船滑道滑移。當駁船的縱傾角度使導管架的自重克服動摩擦力向前運動時，此時導管架的運動是加速的過程。此時計算導管架與駁船之間的相互作用力，并可預(yù)測導管架何時發(fā)生轉(zhuǎn)動。

同樣，駁船也被模擬成可動的，當導管架加速向船艉運動時，駁船也向離開導管架的方向運動。駁船在運動過程中的動力特性包括附加水質(zhì)量、阻力、摩擦力和水面剛度。

當導管架的頂部鉆入水中時，導管架所受的靜水壓力和動水壓力用Morison公式計算。此時，要隨時累積附加水質(zhì)量，因此在每一時段都要修正方程中的質(zhì)量矩陣。駁船運動和濕表面壓力可以通過2D切片理論求得。

在下水運動分析中，導管架和駁船的相互運動是通過解耦的方法進行分析的，即把導管架和駁船離散成單個體來考慮動態(tài)平衡，建立運動方程。導管架和駁船的相互作用力體現(xiàn)在各自的運動方程中。

由以上分析方法可知，導管架的重量、重心及構(gòu)件型式和駁船的詳細參數(shù)對分析結(jié)果影響很大，為準確模擬導管架的下水過程，需要盡可能準確模擬導管架和駁船的模型，包括導管架附件。

3 工程實例

3.1 計算模型

文昌13-6導管架為4腿12裙樁結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為7 012 t，其立體視圖如圖2所示。

圖2 導管架立體視圖

駁船海洋石油221規(guī)格142 m×36 m×9.75 m，空船質(zhì)量8 592.5 t，下水駁船模型如圖3所示。現(xiàn)場水深116.3 m。

圖3 下水駁船模型

3.2 下水初始條件

導管架距駁船艏部52 m，滑道高度1.8 m，下水前駁船壓載，船舯吃水7.25 m，縱傾4.25°，動摩擦系數(shù)0.06。計算分析中常用到圖4所示的四種坐標系。

3.3 結(jié)果分析

導管架從開始滑移狀態(tài)到下水至最終分離狀態(tài)的時間是50.3 s。導管架下水軌跡和關(guān)鍵步驟見圖5。

從圖5可以看出，整個下水過程導管架的運動軌跡基本平穩(wěn)。駁船和導管架橫搖角度都很小，搖臂順利轉(zhuǎn)動，支反力也遠小于許用載荷（單個搖臂許用荷載為31 360 kN，駁船入水深度7.32 m，許用值21.1 m，泥面間隙64.41 m，滿足規(guī)范要求。因而下水過程安全可行。

圖4 計算分析坐標系統(tǒng)

4 敏感性研究

影響下水過程的參數(shù)眾多，根據(jù)設(shè)計規(guī)格書的要求選取適當?shù)闹匦淖鴺宋恢?、動摩擦系?shù)、導管架重量三類參數(shù)進行敏感性分析，并且與基本工況結(jié)果進行比較，來驗證基本工況參數(shù)是否恰當，見表2。

從表2可以看出，敏感性研究選擇的工況計算結(jié)果與基本工況比較變化很小，不會產(chǎn)生過度敏感。因此敏感性滿足規(guī)格書要求。

圖5 導管架下水軌跡

表2 敏感性工況計算

5 結(jié)束語

本文論述了文昌13-6導管架的下水計算過程及計算方法，對基本工況和敏感性的10種工況的結(jié)果進行了對比驗證，導管架和駁船的運動軌跡平穩(wěn)，計算結(jié)果滿足規(guī)格書和相關(guān)規(guī)范要求。下水之前導管架的4根濕拖纜與駁船提前掛好，保證導管架和駁船的安全，待下水完成后立即濕拖就位。計算結(jié)果最終也得到了海上施工現(xiàn)場的驗證：駁船壓載到尾傾3°左右開始切割防滑板，導管架開始在滑道上緩緩移動，過后加速下滑至俯沖入水，整個過程十分平穩(wěn)。

表2 敏感性工況計算（續(xù)）

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Simulation and Analysis ofWenchang 13-6 Jacket L aunch

Wang Wenke1，Han Jingbo2，Liu Jilin1
1.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.PenglaiJutalOffshore Engineering Heavy Industries Co.，Ltd.，Penglai265607，China

Jacket launch is the procedure that a jacket sliding into water from a trim barge by itself weight，until being separated from the barge and floating on the water.In this paper，Wenchang 13-6 jacket is taken as a model to simulate the launching process in time-domain by software MOSES，and the sensitivity analysis calculation is used to determine the stability and safety of the integrated jacket and barge launching process.The simulation results show that the whole launching process is safe and reliable，which is then verified by offshore construction practice.

jacket；barge；launch；sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.006

王文科（1980-），男，安徽太湖人，工程師，2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋石油工程設(shè)計與安裝工作。

2014-04-10；

2014-07-07