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深水起重铺管船作业性能理论与试验研究

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第28卷第4期2010年11月海洋7n{EOCEAN工程DiGD『EER矾GV01.28No.4Nov.2010文章编号:1005.9865(2010)04-0033.07深水起重铺管船作业性能理论与试验研究李金玉1,商辉2,陈中心,天津300451)刚1,李欣1(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;2.海洋石油工程股份有限公司海洋工程技术摘要:首先应用三维势流理论及时域模拟计算方法,对我国第一艘深水起重铺管船的铺管、起重状态的运动进行模拟,然后将计算结果与模型试验的结果进行比较分析。结果发现该船的横摇偏大,建议加减摇措施;起重状态时,起吊点高度和吊索长度对船的横摇和吊钩的运动有较大影响。这些结果为起重铺管船的生产应用等提供一定的技术依据。关键词:起重铺管船;时域计算;吊钩运动中图分类号:U674.34文献标识码:ATheoryandmodelteststudyondeepwaterderricklaybargeUJin.yul,SHANGHui2,CHENGang',LIXinl(1.StateKey1.aboratoryofOceanEng.,S}lang}laiJiaoTongUniv.,SIl喇200240,China;2.OffshoreoutEngi,1eeri,19TechnologyCenter,O自[ghoreOilEngineeringCo.,lad.,Tmnjin300451,China)Ah缸粼t:TuneUydomainnumericalsimulationsandmodelm吐110dsshowtestsa弛carriedinordertoanalyzemotionsofthea1嘁firstde印waterwol她ofderrickaon3eba学,andthetwotoareso脱resultsofpipingandlifting,thus刚dingtechnicalsupportforthetheshipinway.Accordingmotioll8ofhooktheresultsanalysis.it'ssuggestedthat剐)I∞antirolldevicesshouldbeinstalledbecause0fthebigrail;andtherollandjoiraandthele,19thofsling.influencedlargelybytheheightofliftingKeywords:deepwaterderricklaybarge;pipingandlmIlg;nlotion¥ofhook海上油气田开采的油气除少数在海上直接装船外运外,多数是通过管道传输至陆上加工并分别输送到用户的…1。铺管船法铺设海底管道较其它方法具有抗风浪能力强、适用性广、机动灵活和作业效率高等优点,它已成为铺设海底管道最主要的方法之一。到目前为止,我国海洋石油、天然气开发中铺设的海底管道大多数是采用铺管船法铺设的。同时,海上打捞,新建海洋平台及拆除旧平台等操作对起重的要求不断的提高【2i。起重铺管船同时具有起重和铺管的能力,它的这两种能力的完美结合能极大的提高船舶的利用效率,进而带来更大的经济效益,所以我国建造的铺管船基本都为起重铺管船uJ。国外一些发达国家,海洋石油开发时间早,技术先进,不断向深海发展,铺管能力已接近3国深海铺管技术非常薄弱,目前最深的海洋管道也只有330m【IJ。000m。而我我国南海深水区有着丰富的油气资源,但由于技术所限,还不能够在那里开采。为了保卫南海蓝色疆土,开采深水石油,中海油建造了中国第一艘深水起重铺管船海洋石油201bJ。它的最大铺设水深达3000m,起重能力最大为4000t,总体技术水平和作业能力在国际同类工程船舶中处于领先地位,是国内自主进行详细设计和建造的第一艘具有自航能力、满足DP-3动力定位要求的深水铺管起重船MJ。收稿日期:2009—10-19基金项目:国家科技重大专项资助项目(2008z×05027-002-002)作者简介:李金玉(1984一).女,河南信阳人,硕士,主要从事海洋工程水动力方面的研究。E-mail:jinyulil984@yaIIoo.eolll.∞万方数据海洋工程第28卷计算了我国第一艘深水起重铺管船在铺管作业、起重空钩状态等不同作业状态下的船体运动及吊钩的运动等关键性能参数,并结合试验结果进行分析,为深水起重铺管船的设计等提供一定的技术依据。1研究对象和海洋环境条件对该船未加尾部托管架时船的运动进行数值模拟及试验研究。表1为该船的船体参数,该船工作水深为2000m,定位方式为动力定位。表2为真实的海洋环境条件,前4种环境条件为铺管作业时的环境条件,先在这些环境下对轻载和满载两种铺管状态进行数值计算和模型试验研究,然后再对该船在5、6两种环境条件下进行起重空钩状态下的研究。表1起重铺管船船体参数Tab.1Mainparticularsofdeepwaterderrickraybarge起重铺管船的试验用的吊钩钩头重137.65t,根据最小和最大起重位置的要求,吊索长分别为18.13和80.05m。表2海洋环境条件’n山.2mEnvironmentconditions2数值计算理论基础2.1三维势流理论基础在流体为均匀、不可压缩、无粘、无旋的假定下,流动的基本方程为关于速度势的线性Laplace方程,其定解条件包括非线性的自由面条件和物面条件、水底条件、辐射条件以及初始条件等【5]。对于微幅波运用线性理论可以得到定常空间速度势要满足的控制方程和定解条件如下:在流场内控制方程:729(x,Y,z)=0,一、t(1)(2)(3)(4)(5)’自由表面条件:物面条件:水底条件:辐射条件:警一争=0,在z=o上在物面上凳=竹,凳k一^=o或¨lim甚竖厢(鬈一i肼)=o7=o式中:xy和_分别表示物体某_『个运动模态的运动幅值和广义法向分量,R=/万严,k为辐射波的波数。应用迭加原理,将线性速度势≯(石,Y,z)分解为人射势庐i、绕射势声d和对应于物体各运动模态的辐射万方数据第4期李金玉,等:深水起重铺管船作业性能理论与试验研究35势‰:声:声;+声d+∑%(6)分别建立各自的定解条件,应用源汇分布法,通过数值计算得到物体附加质量、阻尼系数和波浪力等一系列水动力特性。2.2时域运动方程铺管船船体运动方程如下[5-7]:广‘(,n+A*)茹+Di叠+D2f(Jr)+Kx+J。^(f—r);(r)dr=q(t,菇,五)(7)式中:m为船体质量;A。=A,A为频域里∞一∞时的附加质量矩阵;D为阻尼矩阵;.厂为矢量函数,每个单元由Z=xf嚏I给出;K为静水力刚度矩阵;龙为位移矢量;口为激励力矢量。延时函数h(r)表征了由于自由面记忆效应产生的影响,由频域的附加质量或阻尼得到:m)=吾ec(础。swrd∞=一钉cc,o(汕in别cc,,(r>o)(8)式中:c(Ⅲ)和口(叫)分别指频域附加质量和阻尼。计算延时函数时,要求已知频域附加质量或者阻尼。常用频域阻尼来计算延时函数。激励力矢量q可以表示为:g(t,菇,未)=qwl+g锯2+q。xt(9)式中:qwl为风拖曳力;q料为一阶波浪激励力;q。。对于铺管船的铺管状态来说为锚泊力,对于起重状态来说为锚泊力和吊钩的作用力。qwl为风力及风力矩,其一般表达式为:F。={C。P。坨RAT(10)Fw=吉C"lD。瞧RAL(11)肘】【yw=寺C;ⅣP。‰ALLPP(12)式中:kR为海平面上10m处的相对风速;AT为首向受风面积,AL为测向受风面积;£PP为两立柱间长;P。为空气密度;F—Fw和M州分别为纵向风力、横向风力和首摇风力矩;C—Cyw和C刑分别为纵向风力系数、横向风力系数和首摇风力矩系数。g锹可用Cummins提出的脉冲响应方法与频域计算中得到的波浪力来计算,即g钳2=l^f(£一r)叩(r)dr(13)式中:'7(r)为r时刻的波形坐标,当叩(r)=艿(r)时,g嵌=hi(f)是脉冲响应。而hf(t)又与频域响应互为Fourier变换,即阮(∞)=Ih(t)e一“dt1,r∞(14)【JIl(t)=刳一。五(∞)e-irotdt式中:狄拉削r)函数的定义为m)=k:P'同时满足式Em№_lo已知整个频率范围波浪力兀(∞),即可按式(14)求得h(t),然后将h(f)和波浪时历叩(t)代入式(13)求得一阶波浪干扰力g姒。将所求的g代人方程(7)中,求得铺管船的运动。锚链的节点和吊钩的运动方程均为Mx"=F—Cx’一Kx(15)式中:M为质量,F为外力,K为刚度,C为阻尼,石为位移矢量。方程(15)与船体运动方程耦合,用前差分的数值计算方法求解船体与吊钩的运动。万方数据36海洋工程第28卷3数值计算3.1网格划分建立起重铺管船的几何模型,对外表面水下部分划分网格(见图1),整条船的网格数目共3554个。图1起重铺管船的网格划分rig.1Meshingofthederricklayba】fge3.2运动的时域模拟铺管状态时,由于工程上的需要,假设该船未加装尾部托管架,也未进行铺管,但具有铺管状态时的船体参数;起重状态时,假设吊臂在船的中线上,与船是刚性固定的,吊索可以弹性伸长,考虑其阻尼,忽略其质量。首先在频域中计算铺管船的水动力参数,然后在给定的风、波浪、水深和吊钩的起吊状态下,分别对起重铺管船的铺管和起重状态进行时域模拟。4模型试验模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行。实验的水池主要尺度为50mX30mx6m(长×宽X深),可模拟各种风、浪、流海洋环境条件,并能根据试验要求在0。5m间任意改变水深[7|。该试验模型缩尺比为49。4.1波浪的模拟水池中的不规则波浪根据给定的有义波高、周期及波谱进行模拟。所有工况均选用JONSWAP谱,目标谱公式:s(一=口醒丁扩5exp[一1.25(耵)一4]尹一(矿‘)2/2a21o(16)式中:s(.厂)为谱密度(m2s),厂为波频(Hz),g为重力加速度(m2/s),皿为有义波高(in),.厶为谱峰频率(Hz),置二一’石=1/乃,乙为谱峰周期(s),),为谱峰因子。对于,>石,or=0.09,对于厂<石,盯=o.07。图2为造波机所造的不规则波谱与目标谱的比较。由图中可见,两者吻合程度良好。4.2风的模拟风由造风系统模拟。造风系统由安装在拖车下方的轴流风扇组成。试验中模拟定常风速为5.0、7.0、7.5、8.0和16.0邑、、艇鲻图2JONSWAP波浪测量谱与目标谱的比较Targetandmeasuredwavem/s,其相应模型试验风速分别为№.20.714、1.000、1.071、1.143和2.286m/s。specmam5计算与试验结果分析5.1铺管状态下船体运动分析5.1.1满载铺管状态下船的运动分析选取00、450900--个典型的来波角度关注铺管状态下船的运动。从表3可以看出,纵摇的最大试验值为1.53。,理论值为1.16。;横摇的最大试验值为4.04。,理论值为3.83。。可见,满载铺管状态下船的横摇和纵摇都比较小,不会影响该船的作业安全。万方数据第4期李金玉,等:深水起重铺管船作业性能理论与试验研究375.1.2轻载铺管状态下的船的运动分析轻载铺管状态下船的横摇周期为13.3s,与波浪环境条件4(巩=2,乃=12)的波浪周期最为接近,在此环境下该船会有最大横摇,因此对于轻载铺管状态只需关注环境条件4下的运动响应(见表4)。表4轻载铺管状态环境条件4下的运动响应Tab.4Shipm060llSliederplpetay10%conditioninEnv.4从上表可以看出横摇的试验值为lO.32。,计算值为10.80,此时横摇过大,建议加装减摇装置。5.2起重状态下吊钩运动分析按照大部分研究起重机的学者观点,将起重机的起吊点、吊索和钩头看成一个固定的球摆系统,船体运动被认为球摆的激振力,认为钩头运动和船体运动互相耦合[83。文中描述的钩头运动的坐标系为三维随体坐标系,原点在船舶静止时吊钩的荤心处(如图3、4)。图3Fig.380.05/11吊索吊臂升起船模图Fig.4图418.13m吊索吊臂水平船模图Shipmodelwith80.05mslingwhenliftingdavitShipmodelwith18.13msliIlgwhenlayinsdavit本部分研究了起重机吊臂升起到最大角度和吊臂水平两种极限的起重状态,选择18.13m和80.05平。由于横浪是比较恶劣的海况,所以所有载况的波浪和风的角度都为900方向。m两种长度的吊索,因此得到三种工况:80.05In吊索吊臂升起、18.13nl吊索吊臂升起、18.13m吊索吊臂水从图5可以看出,吊臂升起时,吊索长为80.05m和18.13In时船的横摇有明显的差异,由此可以证明船吊耦合的现象确实是存在的,本计算方法是可行的。万方数据38海洋工程第28卷从表5及图6、7可以看出,18.13m吊索吊臂升起时钩头的运动幅度比较大,但是,在该起重条件下的船的横摇运动是较小的;80.05m吊索吊臂升起、18.13m吊索吊臂水平时钩头的运动幅度比较小,而船的横摇角却比18.13m吊索吊臂升起时大很多。对比这三种工况的钩头高度,可以得到一个现象:钩头离水面距离较低时,船的横摇比较大;反之,船的横摇运动较小。12j掣8鞲辎4O80.05m吊索18.13m吊索18.13m吊索80.05m吊索18.13m吊索18.13rn吊索吊臂升起吊臂升起吊臂水平耋i◆圈吊臂升起吊臂升起吊臂水平(a)Env.5(b)Env.6图5不同载况下的横摇对比Fig.5Rollsindifferentloadingconditions表5不同起吊位置时钩头的运动Tab.5HookmolJOll8indifferenthotsengpoaUons图6环境条件5钩头不同起吊状态时吊钩运动隐.6HookrnodoEtsin3eonditiomunderEnv.5图7环境条件6钩头不同起吊状态时吊钩运动Fk.7Hookrnotiol葛in3condifiomunderEnv.6万方数据第4期18.13李金玉,等:深水起重铺管船作业性能理论与试验研究39m吊索吊臂水平状态和18.13m吊索吊臂升起状态仅仅是起吊点的高度不同,起吊点越高,离水面的距离越远,起吊点的运动就越剧烈,在此激励下的吊钩运动也就越剧烈,试验和计算结果都比较好的证明了这一点。80.05m吊索吊臂升起,18.13m吊索吊臂升起两种工况的起吊点高度相同,但是钩头的运动差别很大。由此可见吊索长度和起吊点高度共同决定着吊钩的运动幅度,实际操作时要综合考虑这两方面的因素,优化得到最佳的吊绳长度与吊点高度。在起吊空钩的状态时,由于80.05m吊索吊臂升起和18.13m吊索吊臂水平时船体横摇过大,因此加装舭龙骨进行了试验(见表6)。结果表明,加装舭龙骨后,铺管船的横摇运动比无舭龙骨的状态减少50%,相应的吊钩的运动也减d,7111多,起吊点较高的吊钩运动的减缓效果尤为明显,根据刚体的运动规律,高的起吊点对船的运动比较敏感。建议该船实际运营时加装减摇装置,以减小船体和吊钩的运动,保证安全施工。表6加装舭龙骨前后船体横摇及吊钩运动对比Tab.6Comparisonofrollandhooklnoliontwith啊withoutbilgekeel6结语对我国第一艘深水起重铺管船的铺管、起重状态的几种不同海况下的运动进行模拟计算和试验研究,然后将计算结果与模型试验的结果进行比较分析。结果表明该船铺管状态时在环境条件4(皿=2,瓦=12)下船体摇动最为剧烈,因此需要特别考虑此环境条件下的安全设计;此外此船的横摇过大,因此要考虑加减摇措施。起重状态时,起吊点越高吊钩的运动幅度也越大;吊钩离水平面的高度对船体的横摇有一定的影响,离水面的距离越小,船的横摇越大。建议实际操作时综合考虑,优化得到最佳的吊索长度与起吊点高度。由于船体处于横浪状态下,吊钩运动比较大,因此建议实际操作时船体尽量要处在迎浪或者随浪状态。实验发现,加装舭龙骨大大的减小了起重状态下的船的横摇运动,建议实船加装减摇装置。参考文献:[1]刘嵬辉,曾宝,程景彬,等.国内外铺管船概况[J].油气储运,2007,26(6):11-15.[2]王永福.起重铺管船技术经济分析评价系统研究[D].大连:大连理工大学,2007:1-2.[3]马珉.深水资源:中国能源可持续发展的重要领域[J].高科技与产业化,2008(12):17—19.[4]中海油网站.深水铺管起重船“海洋石油201”开工建造[EB/OL].http://www.oilehina.eom/syxw,2008-09—26[5]刘应中,缪国平.船舶在波浪上的运动理论[M].上海:上海交通大学出版社,1987:56-77,133—150.[6]杨建民,等.海洋工程水动力学试验研究[M].上海:上海交通大学出版社,2007:65,70-71.[7]OcraPlexManual(Version9.Oa)[M].Orcinalid.,2005-"119-120.[8]任会礼.锚?自起重船刚柔耦合动力学建模及其动态特性研究[D].武汉:华中科技大学,2008:7,19,31.万方数据

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