Spar平台上部模块就位过程多浮体响应分析
  
作者：   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:04:35

Abstract: 荔湾油田某Spar平台的上部模块在运输船运输到指定位置后，需要由起重船完成上部甲板组块就位工作，就位过程中船体受到海洋环境的影响，吊块运动耦合船体的运动，在多浮体水动力干扰下，产生更加复杂多变的运动。本文研究多浮体扰动下的海上就位过程时域模拟，建立起重船和SPAR平台水动力模型，在频域下求解水动力系数，使用纽马克方法求解包含吊块在内的多浮体时域运动方程。通过研究不不同浪向，风速，以及时间节点上的响应，得到了就位过程的安全和危险操作海况。

关键词: 响应分析；组块就位；多浮体；SPAR；

Abstract: In Liwan oil field, a transporting ship transported the upper module of the SPAR to the specified location; the crane ship is needed in the place to complete the lifting operation of the upper deck block. The hull motion was influenced by the marine environment in the process of sitting. The movement of suspended block coupled the hull motion，in the multi-body hydrodynamic interaction，made a more complex movement. In this paper, the sitting procedure was simulated in the time-domain，the SPAR platform and crane ship hydrodynamic model was established .The hydrodynamic coefficient was solved in frequency-domain. The Newmark-β method was used to solve the time-domain equation of motion including the hanging block and multi floating body, By studying the different wave direction, wind speed, and the response time of nodes, the safety and hazardous sea condition has been proposed in the place during operation of sitting.

Keywords: Response analysis; Block sitting; Multi floating body; SPAR

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1引言

随着海洋工程向深水迈进，对深海海上平台建造安装技术研究更加迫切。在四种海洋平台中，SPAR平台在深水域中具有较大的抗风浪能力，在海洋石油勘探开发领域中发挥着重要作用。本文研究SPAR平台上甲板组块海上就位操作。

海上平台上甲板组块安装作业不同于陆上吊装就位作业，由于海上操作环境恶劣，SPAR平台和起重船两者之间存在水动力相互影响和船体间的相互运动，稳定完成上甲板组块就位操作难度颇大。

南海环境恶劣，风、浪和流变化载荷对海上吊装操作产生了极大风险。因此有必要进行海上吊装操作多浮体系统时域模拟，得出不同风浪流海况下的多浮体的运动响应，给出海上吊装操作建议。

吊装过程中，吊块的运动响应对吊装操作进行有重要影响。沈庆[1]采用船舶耐波性理论和多刚体动力学相结合的方法求解吊块的运动响应。顾永宁[2]等运用三维流体动力和统计分析程序，计算吊块的运动传递函数。王学林[3]等建立了锚泊起重船动力学模型，分析了起重船在规则波作用下吊块的运动特征。

然而海上吊装操作属于多浮体耦合运动，上述研究都只分析了起重船和吊块的耦合运动，没有考虑吊装作业过程中两个浮体之间的运动响应干扰问题，对于多浮体问题国内外学者进行了相关的研究。国内谢楠[4]基于三维线性势流理论建立了多浮体的计算程序，并对两浮体不同间距下的水动力相互作用系数进行了计算。吴广怀[5]采用格林函数法，对多浮体系统的水动力系数进行了数值分析。国外Ohkusu[6]使用切片理论对两浮体水动力特性进行了首次研究。Choi YR[7]等使用高阶边界元法研究了两船体之间的水动力特性。

本文即是针对中国南海海域作业的海上吊装就位操作下，由起重船、SPAR平台和吊块组成的多浮体系统，对其在不同影响因素和危险环境条件下的响应进行详细的时域分析，分析结果可用于海上吊装就位操作方案优化、提出操作限制范围和减少作业操作风险。

2计算原理

应用三维势流理论来求解多浮体水动力相互干扰问题。对于在波浪中漂浮的多浮体系统，作用在每个浮体上总的流体力等于入射力、绕射力、辐射力和静水回复力之和。其中静水回复力不受相邻浮体存在的影响，而其它三种力则与仅有单个浮体的情况不同。由于相邻浮体的遮蔽效应及波浪反射的影响，作用在其中一个浮体上的波浪力也会发生变化。此外，由于相邻浮体的波浪辐射作用，每一个浮体也会受到附加的辐射力。

2.1势流理论

设两物体在规则波中的六自由度响应分别为：

               (2-1)

                (2-2)

其中、,()，分别代表两物体运动的复振幅。分别表示物体的纵荡、横荡和垂荡，表示物体的横摇、纵摇和艏摇。是入射波的频率。

流场的速度势为： 

    (2-3)

(2-4)

其中是入射波速度势，是绕射速度势，，是物体第个模式的单位振幅。

2.2运动方程

对于已知合外力求解运动的问题，可以将运动方程表达为每个时间步长下的向量差分方程形式：

(2-5)

其中，是浮体重心G的三个水平位置向量；

是在重心处计算的浮体水平方向上的质量矩阵，

和是阻尼和刚度矩阵，

是在时刻t作用在浮体重心上的三个水平方向上的载荷向量。

2.3时域求解

本文采用在线性加速度方法的基础上提出一种具有二阶精度的积分方法，即隐式算法中的纽马克-贝塔(Newmark-Beta)法。当已知初始位置，时间步长时。

    （2-6）

   （2-7）

（2-8）

式中,，。

利用式(2-6)、(2-7)可得下一时刻位置的速度和加速度。反复迭代，求得每一时间步的运动。

3就位计算条件

3.1多浮体计算数据

就位过程中使用船型起重机械，起重船全长204.5m，型深14m，型宽39.2m。吊装模块长41.375m，宽46.375 m，高14.5m，重2618t。Spar吃水为150m。详细的数据见表3.1、表3.2和表3.3。

表3.1 深水铺管起重船主体尺寸

表3.2 海上吊装组块主体尺寸

表3.3 SPAR主体尺寸

3.2计算模型

根据船体几何尺寸和型值表，建立起重船和运输船水动力计算模型。详见图3.1、3.2和3.3。

图3.1 起重船水动力计算模型

图3.2  SPAR平台计算模型

图3.3 就位阵位图

3.3环境参数

根据荔湾的海况以及起重船的作业工作情况，本文采取了表3.4定义的操作环境对就位过程进行模拟。波浪谱使用JONSWAP谱，谱峰升高因子γ取1.87；风谱采用API风谱，风级根据蒲式风级选取；风浪流的方向一致。对于作业海域，水深取1500m，流速取1.02m/s，风速取10m/s，11m/s，12m/s和13m/s。

表3.4 就位操作海况

4就位模拟分析

由于本文分析的是在不同风浪流方向下，不同风速作用下，就位过程不同时间节点（即吊块在不同高度）的多浮体运动响应。在分析时，SPAR平台和起重船初始间距11m，吊块距SPAR平台主体高度5m，起重船的船尾正对SPAR平台主体的中心。通过时域模拟得到浮体的运动响应和最小间距。时域模拟初始布置如图4.1所示。

图4.1 就位计算分析的初始位置图

当模型建立以后，依照固定的阵位布置好各个浮体，并且设定连接器的种类以及属性，输入相应的海况，定义好时间步长，然后对就位过程进行模拟。

4.1安全浪向角的确定

在吊块处于固定高度，风速为10m/s，研究不同浪向对浮体运动响应的影响，得出表4.1和表4.2浮体运动响应统计值。

表4.1 就位过程中多组浪向角下多浮体纵荡响应值(ft)

表4.2 就位过程中多组浪向角下多浮体垂荡响应值(ft)

从就位时历统计表中可以看出，在0度浪向的情况下，起重船的垂荡为3.389ft，幅值较大，对就位过程不利。而在90度浪向的情况下，起重船垂荡为4.896ft，超过了起重船安全作业的要求。对于135度浪向，垂荡为4.003ft，对就位也不利，而对于180度浪向，Spar的纵荡过大。225度的时候，起重船的垂荡响应4.009 ft。270度时起重船垂荡响应为4.902 ft，达到最大。综上所述，符合就位要求的浪向为45度和315度。

4.2安全风速的确定

在45度安全浪向下，研究吊块在固定位置时，不同风速对吊装就位过程的影响，给出安全的风速以及危险风速，详见表4.3和表4.4。

表4.3 就位过程中不同风速下多浮体纵荡响应值(ft)

表4.4 就位过程中不同风速下多浮体垂荡响应值(ft)

从表中可以看出，就位过程中，在风速为11m/s以及12m/s，起重船的垂向最大位移均未超过3.2ft(1m)，而在风速达到13m/s的时候，起重船的垂向位移达到了3.72ft，所以不建议在13m/s的风速以及13m/s以上风速进行就位作业。

4.3吊装海况安全性确定

在选定的安全浪向角45度，极限风速12m/s时，研究就位过程不同时间节点下多浮体响应。

表4.5 就位过程中不同时间点处多浮体纵荡响应值(ft)

表4.6 就位过程中不同时间点处多浮体垂荡响应值(ft)

从表4.5和4.6中可以看出就位时，各浮体的响应相似，且都在监测范围内，符合就位的要求，体现了就位过程的平稳性。

5结论

（1）在就位过程中，45度和315度为安全的作业浪向，90度和270度为危险作业海况。

（2）在就位过程中，风速的增加和风向的改变对系统会产生恶劣影响，两浮体的相对间距明显减小，建议操作风速小于13m/s，风向选取45度或315度。

（3）在就位过程中，随着吊块的下降，起重船的纵荡和垂荡有减小趋势，吊块的纵荡和垂荡有增加趋势。

（4）在浪向角45度下，进行海上就位作业，多浮体与吊块间最小间距均处于安全范围内，且运动幅值稳定，反映了就位过程的平稳进行。

参考文献

[1]李跃,沈庆,陈徐均.波浪环境中作业起重船悬吊载荷的摆振分析[J].建筑机械. 2003(08): 55-57.

[2]顾永宁,胡志强,谢彬,刘健,樊之夏.大型起重船波浪诱导吊索附加动力荷载研究[J].中国海上油气.2005,3(17): 197-202.

[3]王学林,尤心一,胡于进.规则波作用下起重船吊重动力学仿真[J].中国机械工程.2010,9(21):1077-1082.

[4]谢楠,郜焕秋.波浪中两个浮体水动力相互作用的数值计算[J].船舶力学. 1999,3(02): 7-15.

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