張大朋，朱克強(qiáng)，牛天鑫，朱艷杰，陳　凱，湯志臣，荊　彪，楊然哲

(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波315211)

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不同浪向下臍帶纜與主平臺(tái)回接過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

張大朋，朱克強(qiáng)*，牛天鑫，朱艷杰，陳凱，湯志臣，荊彪，楊然哲

(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波315211)

摘要:參考文昌油氣田的臍帶纜截面設(shè)計(jì)及具體工作環(huán)境參數(shù)，利用水動(dòng)力分析軟件OrcaFlex建立了文昌纜與主平臺(tái)回接過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)模型，計(jì)算了在不同浪向下臍帶纜在與主平臺(tái)回接過程中的水動(dòng)力響應(yīng)。通過水動(dòng)力分析結(jié)果可知：絞車的牽引速度和浪向的改變對(duì)臍帶纜的牽拉過程有很大影響；臍帶纜發(fā)生明顯彎曲的部位von mises應(yīng)力也會(huì)發(fā)生明顯變化，但應(yīng)力仍小于API 2RD的允許應(yīng)力，可滿足工程安全要求。

關(guān)鍵詞:臍帶纜；OrcaFlex；水動(dòng)力分析；不同浪向

0引言

臍帶纜是由多種功能單元螺旋纏繞組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，用于連接上部浮式設(shè)施與水下生產(chǎn)系統(tǒng)，是海洋油氣開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要裝備。在安裝與在位運(yùn)行過程中，臍帶纜在浮體運(yùn)動(dòng)、波浪、海流等環(huán)境因素影響下，勢(shì)必受到拉伸、彎曲等荷載作用,而在臍帶纜的牽拉入位操作過程中，各階段臍帶纜的張力、滑速及水中空間位形時(shí)刻在變化，且受海流及母船周圍流場的影響，這些變化更加難以預(yù)測[1-3]。在此過程中，臍帶纜容易被母船甲板、船身和船底纏繞或磨損，因此需要對(duì)臍帶纜與主平臺(tái)回接過程進(jìn)行進(jìn)一步的水動(dòng)力分析。

本文運(yùn)用國際大型水動(dòng)力軟件OrcaFlex建模，通過時(shí)域耦合動(dòng)力分析方法計(jì)算了在不同浪向下，文昌臍帶纜與主平臺(tái)牽拉回接過程中的水動(dòng)力響應(yīng)，并結(jié)合水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果給出了一些指導(dǎo)性建議。

1項(xiàng)目背景及工作環(huán)境

1.1項(xiàng)目地點(diǎn)

文昌9-2/9-3/10-3油氣田群位于南海西部海域。文昌9-2油氣田距離海南省文昌市東海岸145 km(距岸最近距離)，距廣東省湛江市區(qū)約262 km；文昌9-3油氣田位于文昌9-2油氣田東南約5 km處；文昌10-3油氣田位于文昌9-2油氣田東偏北25 km處。文昌9-2油氣田所在海區(qū)水深為110～130 m，文昌9-3油氣田所在海區(qū)水深約為123 m。

1.2海洋水文動(dòng)力環(huán)境

工程海域潮汐類型屬于不正規(guī)全日潮。各層潮流為不正規(guī)半日潮流。工程海域主浪向是NE向。百年一遇有效波高為11.6 m，最大波高為20.8 m；一年一遇有效波高為7.3 m，最大波高為12.5 m。百年一遇最大流速為2.088 m/s,十年一遇最大流速為1.500 m/s，一年一遇最大流速為1.005 m/s。全年平均風(fēng)速為2.3 m/s，每年10月至次年3月以偏NE向風(fēng)為主，5至8月盛行偏S向風(fēng)，4月和9月為季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)。常風(fēng)向?yàn)镹E向，頻率為15%，次常年風(fēng)向?yàn)镋NE向和SSE向，頻率分布分別為11%和10%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹向，最大風(fēng)速達(dá)27 m/s，風(fēng)玫瑰圖如圖1所示。

2臍帶纜主要參數(shù)

臍帶纜需要根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)[4-5]。文昌臍帶纜最外層采用聚合物護(hù)套保護(hù)，其內(nèi)則由多個(gè)功能構(gòu)件以一定螺旋角度纏繞中心鋼管組成，包括9根鋼管(即圖2b中標(biāo)號(hào)為1～9的9根鋼管)、4根電纜(即圖2b中標(biāo)號(hào)為10、11的電纜和填充物T1、T2之間所夾電纜及填充物T3和鋼管9之間所夾電纜)及填充物(即圖2b中的T1、T2和T3)。管單元具體組成為(包括中心管單元和外部管單元)：中心4根1寸管中1根為甲醇輸送管，1根為液壓返回管，1根為環(huán)孔管，還有1根為備用管；外部5根1/2寸管中4根為液壓傳動(dòng)管，1根為阻垢劑輸送管。電單元組成為：內(nèi)部為3根銅芯導(dǎo)體，外部為絕緣層和填充層，其余為填充物，如圖2a所示。具體尺寸如圖2b所示，R表示圓鋼管半徑，單位為mm。

圖1　工程海域風(fēng)玫瑰圖Fig.1　The wind rose diagram of engineering sea area

圖2　文昌臍帶纜截面(a)及尺寸(b)示意圖Fig.2　The section(a) and size(b) of Wenchang umbilical cable cross-section

經(jīng)等效計(jì)算后，臍帶纜的等效彎曲剛度為14.4 kN·m2，等效軸向剛度為509 MN，扭轉(zhuǎn)剛度為45 kN·m2, 最小破斷力為1 067 kN。

3OrcaFlex的理論基礎(chǔ)及基于OrcaFlex的模型建立

3.1OrcaFlex理論基礎(chǔ)

OrcaFlex軟件中坐標(biāo)分為整體坐標(biāo)和局部坐標(biāo)，但兩者均采用右手坐標(biāo)系統(tǒng)。整體坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)在海平面上，Z軸方向垂直向上，X和Y方向滿足右手定則。在畫模型時(shí)，一般采用局部坐標(biāo)，在確定整體模型位置時(shí)，采用整體坐標(biāo)。本研究建立的模型中，平臺(tái)的圖形參考局部坐標(biāo)給出，整個(gè)模型的位置確定參考整體坐標(biāo)來確定[6]，如圖3所示。

圖3　全局及局部坐標(biāo)系示意圖Fig.3　The sketch map of global and local coordinate system

在對(duì)臍帶纜進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，假定其為撓性結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析的內(nèi)容主要包括臍帶纜承受的軸向張力、環(huán)境載荷作用以及整個(gè)系統(tǒng)的耦合動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用凝集質(zhì)量法進(jìn)行建模，臍帶纜的性能相當(dāng)于一個(gè)非線性彈簧[7]，離散為凝集質(zhì)量模型[8]，由若干個(gè)連續(xù)的、無質(zhì)量分段和處于各分段中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)組成，將其模擬為軸向、旋轉(zhuǎn)彈簧和阻尼器的組合體。節(jié)點(diǎn)集中了兩個(gè)相鄰分段各一半的質(zhì)量，力和力矩都作用于節(jié)點(diǎn)上，這也正是OrcaFlex中對(duì)臍帶纜張力建立模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[9-10]。

對(duì)于海洋管線這類細(xì)長撓性構(gòu)件，可忽略結(jié)構(gòu)本身對(duì)波浪的影響，所受到的波浪力F通常用Morison公式計(jì)算。在OrcaFlex 中拓展后的Morison 公式為：

(1)

式中：Δ=ρv，為排開的水的質(zhì)量，在此處ρ取為1 024 kg/m3；aw為流體對(duì)地加速度；ar為流體相對(duì)于結(jié)構(gòu)物的加速度；vr為流體相對(duì)于結(jié)構(gòu)物的速度；Cm為慣性力系數(shù)，CD為拖曳力系數(shù)；A為阻尼面積。Cm和CD據(jù)API (American Petroleum Institute)規(guī)范分別選取為1.2 和1.8，而波浪計(jì)算則采用線性波理論。目前波浪理論大致可以分線性波浪理論和非線性波浪理論。DEAN et al[11]指出在各種水深線性波浪理論都可以給出不錯(cuò)的結(jié)果，隨著水深的增加，海浪基本控制方程中的非線性項(xiàng)的影響逐漸降低，因此本文在OrcaFlex的建模過程中選用線性波浪理論。

在OrcaFlex中臍帶纜有效張力用以下公式計(jì)算：

1.2.2 肩痛穴平衡針灸治療方式 在應(yīng)用肩痛穴平衡針灸治療方式時(shí)，主治醫(yī)師需要協(xié)助患者保持坐姿，并將膝蓋伸直，針灸角度選擇直刺角度，并以提插的針灸手法對(duì)針進(jìn)行刺入，在進(jìn)行刺入操作前，需要對(duì)患者的針刺部位進(jìn)行消毒處理，本次針灸治療選擇的是長度為5 cm的無菌毫針，刺入的深度為1.5寸。針灸的穴位有肩痛穴，位于人體足三里穴位的下方3寸位置處，在實(shí)際針灸過程中需要避開腓淺神經(jīng)，因此要應(yīng)用交叉取穴的方式，保持每10分鐘行針1次的頻率[4-6]。

Te=Tw+PoAo-PiAi

(2)

(3)

式中：Te表示有效張力；Po表示外部壓力；Tw表示壁面張力；EA是纜軸向剛度；ε=(L-λL0)/λL0是總的軸向平均應(yīng)變，λ是分段伸長系數(shù)，L0是分段原長；v是泊松比；Pi和Po分別為內(nèi)、外部壓力；Ai和Ao分別為臍帶纜內(nèi)、外部的橫截面面積，對(duì)于臍帶纜而言，其內(nèi)部橫截面積為0；e為管線阻尼系數(shù)，一般忽略不計(jì)，在本文中e取為0；dL/dt是長度增加的速率。

至于彎曲應(yīng)力、曲率、von mises應(yīng)力以及strouhal頻率的計(jì)算在OrcaFlex中和一般教科書中的計(jì)算原理完全相同，此處不再詳述。

模型的上邊界限制條件主要取決于它所連接的船體的運(yùn)動(dòng)情況。而船體的運(yùn)動(dòng)取決于RAO。RAO，即Response Amplitude Operator，在船舶或者浮體設(shè)計(jì)領(lǐng)域，RAO是一個(gè)工程統(tǒng)計(jì)的概念，可以用來計(jì)算船舶在海中工作時(shí)的行為。船體RAO一般可以通過船舶的水池模型實(shí)驗(yàn)或者CFD計(jì)算機(jī)程序來獲得。通常需要計(jì)算浮體在各種波浪情況下的船體運(yùn)動(dòng)，其本質(zhì)是一個(gè)由波浪激勵(lì)到船體運(yùn)動(dòng)的傳遞函數(shù)。在OrcaFlex中，一旦船體的RAO確定，那么船體的運(yùn)動(dòng)就將確定。本文根據(jù)實(shí)際船體主尺寸在OrcaFlex軟件建的模型中船長為103 m，型寬為16 m，型深為13.32 m，設(shè)計(jì)吃水為6.66 m，橫穩(wěn)性半徑為1.84 m，縱穩(wěn)性半徑為114 m，排水量為8 800 t，水面上正面投影為191 m2，水面上側(cè)面投影為927 m2，方形系數(shù)CB為0.804，首搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩為5.83×109 kg·m2。本研究中船的RAO、波浪漂移QTFs、附加質(zhì)量系數(shù)及阻尼系數(shù)的數(shù)據(jù)均來自一個(gè)103 m長的船舶在400 m水深水池的NMIWave衍射分析。

OrcaFlex整個(gè)水動(dòng)力分析包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩部分。本研究中靜態(tài)分析部分主要有2個(gè)作用：(1)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在重力、浮力和水流粘滯力作用下是否達(dá)到靜態(tài)平衡；(2)為動(dòng)態(tài)分析提供一個(gè)初始狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)分析是從靜態(tài)分析提供的穩(wěn)定狀態(tài)開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，它包括自建階段和模型保持分析階段。自建階段是波和船舶運(yùn)動(dòng)由0逐漸增加到所給值的階段，這個(gè)階段一般需要一個(gè)波長的時(shí)間。自建階段過后，模型就可以進(jìn)入保持分析階段。動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，采用顯式和隱式兩套計(jì)算方法，二者都是在每個(gè)時(shí)間步長計(jì)算系統(tǒng)的幾何形態(tài)，充分考慮了幾何非線性因素，包括波浪載荷和接觸載荷等的空間變化。運(yùn)動(dòng)方程的求解采用定步長顯式向前Euler積分，初始模型參數(shù)通過靜態(tài)分析獲得，計(jì)算每個(gè)自由體和節(jié)點(diǎn)的力和力矩，其中力和力矩包括: 重力、浮力、水動(dòng)力和空氣阻力、水動(dòng)力附加質(zhì)量、張力和剪切力、彎矩和扭矩、海底作用力及摩擦力、物體接觸力、鉸鏈和絞車施加的力等。

運(yùn)動(dòng)方程為：

M(p,a)+C(p,v)+K(p)=F(p,v,t)

(4)

式中：M(p,a)是系統(tǒng)慣性載荷，C(p,v)是系統(tǒng)阻尼載荷，K(p)是系統(tǒng)剛度載荷，F(xiàn)(p,v,t)是外部載荷，p是位置，v和a分別指速度和加速度，t是模擬時(shí)間長度。

3.2OrcaFlex中臍帶纜與主平臺(tái)回接模型的建立

臍帶纜連接到重力基座或是導(dǎo)管架平臺(tái)時(shí)，必須拉入到專用通道，該通道就是J型管。J型管一端用塞子塞緊，防止水滲入造成腐蝕。臍帶纜與主平臺(tái)連接時(shí)所用的J型管連接方法是：當(dāng)鋪管船到達(dá)平臺(tái)附近時(shí)用深水遙控機(jī)器人ROV對(duì)海床和J型管入口進(jìn)行可視化探查，考察J型管的物理?xiàng)l件和海床條件以及J型管的路線剖面。平臺(tái)上的絞車牽引纜索沿著J型管下放，使其在鋪管船甲板上與臍帶纜的一端連好，平臺(tái)上的絞車收回牽引纜索。當(dāng)牽引纜索在J型管喇叭口的擋板處時(shí)，要用很大的張力才能通過。平臺(tái)絞車將臍帶纜拉起直到臍帶纜懸掛頭到達(dá)平臺(tái)鋪板標(biāo)高處，連接于平臺(tái)上控制終端。把臍帶纜系統(tǒng)安裝到船上時(shí)，臍帶纜自船上垂入水中通過斜槽，斜槽是一個(gè)剛性圓弧形的支撐導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，以確保臍帶纜在入水時(shí)的彎曲半徑大于最小彎曲半徑，在OrcaFlex中運(yùn)用彈塑性固體模塊結(jié)合實(shí)際參數(shù)來構(gòu)建斜槽。在船上還有一個(gè)張緊器，對(duì)船上管線進(jìn)行夾持，保持預(yù)張力。

根據(jù)具體環(huán)境參數(shù)及工作條件，在OrcaFlex中建成如圖4所示模型。

圖4　文昌臍帶纜與主平臺(tái)回接操作示意圖Fig.4　The schematic model of Wenchang umbilical cablepull-in the main platform through J-tube

4計(jì)算結(jié)果

對(duì)于管線的牽拉來說，波浪是其所承受的最重要的外部載荷，浪向的改變會(huì)使管線承受的動(dòng)載荷發(fā)生很大的改變。因此，必須進(jìn)行不同浪向下的動(dòng)力學(xué)分析以確保整個(gè)操作過程的安全性和穩(wěn)定性。為簡化模型，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文中暫時(shí)不考慮流載荷作用和風(fēng)載荷作用。浪向取為0°～180°，每隔15°取1個(gè)浪向。在模擬過程中，船上張緊器對(duì)臍帶纜的牽引點(diǎn)為A，即沿纜長方向長度的0 m點(diǎn)；水下絞車對(duì)臍帶纜的牽引點(diǎn)為B，即沿纜長方向長度的300 m點(diǎn)。

4.1不同浪向下臍帶纜有效張力和拉伸應(yīng)變的水動(dòng)力分析結(jié)果

圖5為沿纜長方向臍帶纜有效張力最大值、最小值和平均值的變化情況，圖6為沿纜長方向拉伸應(yīng)變最大值、最小值和平均值的變化情況。對(duì)比觀察兩幅圖可知，在不同浪向時(shí)，沿纜長方向有效張力的最大值、最小值及平均值,拉伸應(yīng)變的最大值、最小值及平均值在距離牽引點(diǎn)A 0～91 m之間除了一些有一定的斜率變化外基本各自都維持在1個(gè)近似恒定的正值(60°～120°浪向除外，此時(shí)有效張力和拉伸應(yīng)變的最小值出現(xiàn)負(fù)值)，雖然各自有小幅度起伏，但變化不大，說明在這段纜長范圍內(nèi)臍帶纜處于被拉伸狀態(tài)。在模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浪向?yàn)?0°～120°時(shí)，由于此時(shí)浪向接近橫向浪向90°，此時(shí)波浪的作用會(huì)使船體產(chǎn)生大幅度的橫蕩和橫搖，若絞車牽引速度為0.1 m/s(在0°～60°和120°～180°浪向角時(shí)絞車的牽引速度)，臍帶纜在船體上的部分會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的抖動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，甚至?xí)撾x船體上的牽引槽(90°浪向時(shí))。為了使臍帶纜在橫浪情況下可以依然沿著斜槽較為順利地牽引到海面以下，將絞車的牽引速度提高到了0.2 m/s，隨著牽引速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)停留在船體上的臍帶纜長度大大減少，降低了船體上的臍帶纜發(fā)生抖動(dòng)和扭轉(zhuǎn)的可能性。但隨著牽引速度的改變也使得這一浪向范圍內(nèi)，距離牽引點(diǎn)A 0～91 m之間的臍帶纜有效張力變化情況和其他浪向時(shí)有極大的不同。由此可知，當(dāng)不得不在橫浪條件下施工時(shí)，可以在允許范圍內(nèi)增加絞車的牽引速度。

圖5　沿纜長方向臍帶纜有效張力變化Fig.5　The change of effective tension of the umbilical cable along the length direction

觀察圖5發(fā)現(xiàn)，有效張力的平均值和最小值均未超過臍帶纜的最小破斷力(1 067 kN)；在浪向?yàn)?0°和105°時(shí)在距離牽引點(diǎn)A 225 m處出現(xiàn)了急劇的有效張力突變現(xiàn)象，此時(shí)有效張力急劇增加到一個(gè)極大值，然后沿纜長方向趨于穩(wěn)定，且最大有效張力(1 600 kN和1 700 kN)均已超過了臍帶纜的最小破斷力，因此應(yīng)該盡量避免在這兩種浪向下進(jìn)行施工。且經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的有效張力圖像形態(tài)在一定程度上呈現(xiàn)一定的相似性，這和理論分析的結(jié)果相一致。

圖6　沿纜長方向臍帶纜拉伸應(yīng)變變化Fig.6　The change of direct tensile strain of the umbilical cable along the length direction

4.2不同浪向下臍帶纜彎曲應(yīng)力和曲率的水動(dòng)力分析結(jié)果

圖7為沿纜長方向臍帶纜彎曲應(yīng)力最大值、最小值和平均值的變化情況，圖8為沿纜長方向臍帶纜曲率最大值、最小值和平均值的變化情況。對(duì)比觀察2幅圖可知，在彎曲應(yīng)力集中發(fā)生突變的地方也是曲率較大、彎曲較為嚴(yán)重的地方，曲率和彎曲應(yīng)力的圖像在形態(tài)上呈現(xiàn)出一定的相似性，彎曲應(yīng)力突變和曲率突變發(fā)生的位置也基本相同。同時(shí)圖7也說明在距離牽引點(diǎn)A 87.5 m處的彎曲應(yīng)變和彎曲程度明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置，此處的彎曲應(yīng)力最大值為120 000 kPa，曲率最大值為0.75 rad/m；隨著水深和纜長的繼續(xù)增加，臍帶纜彎曲程度開始減緩，并逐漸趨近被拉直狀態(tài)；在距離牽引點(diǎn)A 235 m處驟然發(fā)生小幅度彎曲，隨后彎曲程度迅速減緩并趨于穩(wěn)定，并在臍帶纜尾端被拉直，彎曲應(yīng)力和曲率都變?yōu)?。且經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的彎曲應(yīng)力圖像形態(tài)在一定程度上呈現(xiàn)出相似性；浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的曲率圖像形態(tài)在一定程度上也呈現(xiàn)出相似性，這和理論分析的結(jié)果相一致。

圖7　沿纜長方向臍帶纜彎曲應(yīng)力變化Fig.7　The change of bending stress of the umbilical cable along the length direction

圖8　沿纜長方向臍帶纜曲率變化Fig.8　The change of curvature of the umbilical cable along the length direction

4.3不同浪向下臍帶纜剪力的水動(dòng)力分析結(jié)果

圖9為沿纜長方向臍帶纜剪力最大值、最小值和平均值的變化情況。由圖可知，各浪向下沿纜長方向剪力的最大值和最小值及平均值在距離牽引點(diǎn)A 0～87.5 m之間基本為零，雖然各自有小幅度的起伏，但變化不大，說明在這段纜長范圍內(nèi)的臍帶纜不承受剪切應(yīng)力的作用。在距離牽引點(diǎn)A 87.5 m處會(huì)發(fā)生剪力突變現(xiàn)象，剪力由0急劇變?yōu)?個(gè)較大值(最大值為22.5 kN,平均值為4 kN)，然后開始沿著纜長方向降低到一個(gè)較小值(最大值為10 kN左右，平均值為1.0 kN左右)，并在距離牽引點(diǎn)A 87.5～122.5 m處保持不變，不同的浪向時(shí)這段區(qū)域會(huì)有小幅度的改變，但總體變化不大；隨著纜長和水深的增加，在距離牽引點(diǎn)A 227.5 m處再次發(fā)生剪力突變現(xiàn)象，由較小值再次急劇增大到1個(gè)較大值(最大值為120 kN,平均值為7.5 kN)，然后再次沿纜長方向降低到一個(gè)較小值并在這個(gè)值附近發(fā)生小幅度波動(dòng)直至臍帶纜末端，并在臍帶纜末端再次產(chǎn)生剪力突變，再次驟然增加。由圖9b可知，沿纜長方向剪力在整條臍帶纜上任意一處(臍帶纜末端除外)都曾出現(xiàn)過為0的情況，而在臍帶纜末端一直會(huì)出現(xiàn)剪力急劇增大的現(xiàn)象。這些出現(xiàn)剪力突變的地方也是會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，在安裝的過程中應(yīng)采取相關(guān)措施以便將安裝過程中的損失降低到最低限度。且經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的剪力圖像形態(tài)在一定程度上呈現(xiàn)一定相似性，這和理論分析結(jié)果一致。

圖9　沿纜長方向臍帶纜剪力變化Fig.9　The change of shear force of the umbilical cable along the length direction

4.4不同浪向下臍帶纜strouhal頻率的水動(dòng)力分析結(jié)果

圖10為沿纜長方向臍帶纜strouhal頻率最大值、最小值和平均值的變化情況。根據(jù)strouhal頻率的定義可知，在管線的直徑一定時(shí)，它的數(shù)值越大，說明流體相對(duì)于管線的速度越大。通過觀察圖10a和圖10c發(fā)現(xiàn)，在靠近船體部分和靠近水下絞車牽引處的臍帶纜strouhal頻率較大，也就是說這些部位的相對(duì)流速較大，而其他部位相對(duì)而言較小。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸诳拷w部位的臍帶纜受船體運(yùn)動(dòng)影響較為明顯，船體的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)臍帶纜的運(yùn)動(dòng)使得靠近船體部位的相對(duì)流速比其他部位大；而靠近水下絞車部位的臍帶纜由于水下絞車的牽引作用使得絞車附近的臍帶纜的速度相對(duì)較大，也使得這一區(qū)域的相對(duì)流速較大。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在距離牽引點(diǎn)A 87.5 m處的strouhal頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他處，分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋阂环矫娲颂幘嚯x船體較近，受船體運(yùn)動(dòng)影響較大，使得此處的相對(duì)流速較大；另一方面，通過上文分析已知，在此處的彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)變遠(yuǎn)大于其他部位，這也就使得此處的管線直徑遠(yuǎn)比其他部位小，這兩方面的原因使得此處的strouhal頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他處。而隨著水深和纜長的增加，其他部位的臍帶纜運(yùn)動(dòng)受到水阻力影響和自身重力的影響越來越大，使得相對(duì)流速的增加變得較為困難，這也是其他部位strouhal頻率較小的原因。且經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的strouhal頻率圖像形態(tài)在一定程度上呈現(xiàn)一定的相似性，這和理論分析的結(jié)果一致。

圖10　沿纜長方向臍帶纜strouhal頻率變化Fig.10　The change of strouhal frequency of the umbilical cable along the length direction

4.5不同浪向下臍帶纜von mises 應(yīng)力的水動(dòng)力分析結(jié)果

圖11為沿纜長方向臍帶纜von mises應(yīng)力最大值、最小值和平均值的變化情況。由圖可知，von mises應(yīng)力在距離牽引點(diǎn)A 87.5～237.5 m處基本為0，或是在0 m附近發(fā)生小幅度波動(dòng)，但總體變化不大。靠近船體的臍帶纜因?yàn)槭艽w運(yùn)動(dòng)影響明顯，發(fā)生了不同程度的彎扭，有明顯的von mises應(yīng)力變化；而在靠近水下絞車的部分臍帶纜因絞車的牽引和水流的聯(lián)合作用，也發(fā)生了不同程度的彎扭，但彎扭程度并沒有靠近船體附近的臍帶纜彎扭程度劇烈。但此時(shí)的von mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于API 2RD允許的允許應(yīng)力，可滿足工程要求。且經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的von mises應(yīng)力圖像形態(tài)在一定程度上呈現(xiàn)一定的相似性，這和理論分析的結(jié)果相一致。

圖11　沿纜長方向臍帶纜von mises應(yīng)力變化Fig.11　The change of von mises stress of the umbilical cable along the length direction

5結(jié)論

(1)不同浪向下，沿纜長方向有效張力和拉伸應(yīng)變?cè)诰嚯x牽引點(diǎn)A 0～91 m之間基本各自都維持在一個(gè)恒定的正數(shù)數(shù)值(60°～120°浪向除外，此時(shí)有效張力和拉伸應(yīng)變出現(xiàn)負(fù)值)，雖然各自有小幅度的起伏，但變化不大，說明在這段纜長范圍內(nèi)臍帶纜處于被拉伸狀態(tài)。在浪向?yàn)?0°～120°時(shí)，波浪作用會(huì)使船體產(chǎn)生大幅度的橫蕩和橫搖，若絞車牽引速度為0.1 m/s(在0°～60°和120°～180°浪向角時(shí)絞車的牽引速度)，臍帶纜在船體上的部分會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的抖動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，甚至?xí)撾x船體上的牽引槽。且經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，在牽拉上平臺(tái)的過程中臍帶纜所承受的最大有效張力(特殊浪向除外)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該臍帶纜設(shè)計(jì)的最小破斷力，能滿足工程安全要求。在浪向?yàn)?0°和105°時(shí)臍帶纜的最大有效張力超過了該臍帶纜設(shè)計(jì)的最小破斷力，無法保證施工的安全，故而此時(shí)應(yīng)改變船體的相對(duì)浪向或是避免在此種浪向下施工。

(2)如橫浪條件下工作不可避免，可在允許范圍內(nèi)通過提高絞車的牽引速度，進(jìn)而使得單位時(shí)間內(nèi)停留在船體上的臍帶纜長度大大減少，可降低船體上的臍帶纜發(fā)生抖動(dòng)和扭轉(zhuǎn)的可能性；然而隨著絞車牽引速度的增加，牽引絞車會(huì)受到較大載荷和沖擊，會(huì)縮短絞車的使用壽命，也增加了臍帶纜和J形管之間的磨損。

(3)由于船體運(yùn)動(dòng)和絞車牽引的影響，在靠近船體和水下牽引絞車的臍帶纜部位相對(duì)流速較大，進(jìn)而使得strouhal頻率較大。另外，發(fā)生軸向拉伸和彎曲較嚴(yán)重部位的管線直徑相對(duì)其他位置大大減小，而且這些位置離船體較近，相對(duì)流速也較大，因此這些部位的strouhal頻率發(fā)生突變，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置。

(4)在發(fā)生明顯彎扭的部位von mises應(yīng)力也會(huì)發(fā)生明顯的變化，但小于API 2RD的允許應(yīng)力，可滿足工程安全要求。

(5)浪向角之和為180°的2個(gè)浪向的水動(dòng)力分析結(jié)果在一定程度上呈現(xiàn)相似性，這和理論分析的結(jié)果一致。

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Dynamic response in the process of umbilical cable pull-in main platform through J-tube under different wave directions

ZHANG Da-peng, ZHU Ke-qiang*, NIU Tian-xin, ZHU Yan-jie, CHEN Kai, TANG Zhi-chen,

JING Biao, YANG Ran-zhe

(FacultyofMaritimeandTransportation,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

Abstract:A dynamics response model are established using hydrodynamic analysis software OrcaFlex and referring to cable cross section design of Wenchang umbilical cable and operation environmental parameters to simulate the dynamic response of J-tube pull-in installation of the main platform for the umbilical cable under different wave directions. Finally, some instructive notices and mechanical properties during umbilical tie-back were put forward based on related modeling results. The hydrodynamic analytical result shows that the speed of the winch and the change of wave directions have very important effects on the process of umbilical cable pull-in through J-tube; the position where umbilical cable bends badly is where the von mises stress changes obviously as well, but the stress is still less than that permitted by API 2RD, and it can satisfy the request by the engineering safety.

Key words:umbilical cable; OrcaFlex; hydrodynamic analysis; different wave directions

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.009

中圖分類號(hào):TV131.2；U674.38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-909X(2016)01-0067-09

作者簡介:張大朋(1987-)，男，山東臨清市人，助理研究員，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的研究。*通訊作者：朱克強(qiáng)(1956-)，男，教授，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的研究。E-mail: zhukeqiang@nbu.edu.cn

基金項(xiàng)目:長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助 (IRT0734); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(11272160); 國家高科技發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目資助(2014AA09A224)

收稿日期:2015-05-25修回日期:2015-06-08

張大朋，朱克強(qiáng)，牛天鑫，等.不同浪向下臍帶纜與主平臺(tái)回接過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)[J].海洋學(xué)研究,2016,34(1):67-75,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.009.

ZHANG Da-peng, ZHU Ke-qiang, NIU Tian-xin，et al. Dynamic response in the process of umbilical cable pull-in main platform through J-tube under different wave directions[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(1):67-75, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.009.

E-mail: 1214265737@qq.com