船艉开槽型安装船及其运动特性数值分析

刘旭平，唐友刚，张少洋

天津大学建筑工程学院水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072

0 引 言

由于海洋平台结构物逐渐向大型化方向发展，浮吊法越来越不能满足超大型导管架和平台组块的安装需求。浮托法作为起源于20 世纪90年代的海上组块安装方法，以其整体安装迅速、海上调试时间短、弥补起重船资源不足等优势得到大力发展。

目前国内有滨海308、海洋石油228、海洋石油229 等浮托安装船，虽然这些安装船具备足够大的浮托能力，但是对于东海海域以长周期涌浪为主的海洋环境适应性较差，很难有效满足在东海海域实施平台上部模块的安装需求。因此，加快东海海洋油气资源开发利用必须研制新的安装船船型以及新的浮托安装方法。

Technip 公司于2006年在马来西亚的Kikeh安装项目中首次采用了双船浮托法进行SPAR 平台上部模块的安装［1］。Allseas 公司开发的安装船Pieter Schelte 采用双体船安装方法进行上部模块的安装［2］。

本文借鉴双船浮托安装与双体船浮托安装的思想，提出一种新型的船艉开槽型海洋工程安装船，结合中国东海海域以长周期涌浪为主的海洋环境，对安装船在安装上部模块时的系泊状态进行运动响应分析。

1 船艉开槽型安装船结构特征

安装船的特点是在船艉部分设置U 形槽口，槽口的尺寸根据在东海海域施工建设的导管架桩腿间距确定，并在槽口内侧设置防撞护舷，可以防止由于安装船运动过大对导管架桩腿造成的损伤。施工时，船艉槽口夹在导管架桩腿周围，将上部模块与导管架定位对接。采用该开槽型安装船安装上部模块的方法为外浮托法，以区别于传统的T 型船内插到导管架桩腿之间的施工方法［3］。外浮托法安装船可以突破导管架桩腿间距的限制，使船可以更加宽大，一方面可以增加安装船的载重能力，另一方面可以增加船的耐波性。设计安装船船长200 m，型宽70 m，型深14 m，槽口长60 m，宽28 m。图1 为安装船安装上部模块施工过程示意图，图2 所示为安装船开槽和主尺度。

2 外浮托法施工过程关键技术

2.1 安装过程定位系泊系统设计

图1 安装导管架上部模块Fig.1 The installation of jacket topside

图2 安装船开槽与主尺度Fig.2 Slot and principal dimensions of installation vessel

当安装船到达导管架所在的海域附近时，需要等待适合进行安装施工的环境条件，安装船在等待期间以及上部模块安装施工期间，均需要布置系泊定位系统［4］。系泊系统需具备适应一定环境条件的能力，能将安装船在安装过程中的运动幅值限制在一定范围内，并且不会发生破断。系泊系统采用辐射状八锚布锚方式，船艏和船艉的左右舷各设置2 根系泊缆。定位锚采用Stevpris MK5 锚，该锚为海洋工程专用锚，其抓重比可达30 以上，锚重为15 t。设计环境条件考虑风、浪、流同向。图3 为系泊系统的布锚方式以及风、浪、流入射角示意图。

图3 安装船系泊缆布置Fig.3 Arrangement of installation vessel mooring system

2.2 组块对接过程控制

选择合适的施工作业天气进行组块的海上安装，使用拖轮牵引安装船，将上部模块运输到待安装的导管架附近，布置系泊缆等定位装置。在定位装置和缓冲装置的辅助下，安装船船艉槽口缓慢“夹住”导管架桩腿，在此过程中不断调节系泊缆的长度，以保持系泊缆张紧。当驳船槽口完全“夹”在导管架外围后，利用定位装置再次调节安装船水平位置，使上部模块的桩腿对接单元（LMU）进入导管架桩腿的捕捉半径［5］。对准后，通过对安装船压载舱加压载水，同时配合潮汐水位的下降，使安装船缓慢下沉，将上部模块的质量逐渐转移到导管架之上。当质量部分转移到导管架后，继续给安装船加压载，使上部模块与驳船的甲板支撑单元（DSU）分离，完成上部模块从安装船到导管架的载荷转移［6］。最后用拖轮将安装船拖离导管架。

在安装船船艉夹住导管架和载荷转移的过程中，安装船的横向运动不宜过大，以免船与导管架桩腿发生强烈碰撞，安装船的垂向运动也需要限制，防止上部模块与桩腿、安装船之间的压力超过LMU 和DSU 的承载能力［7］；另外，上部模块的插尖与LMU 的相对运动必须在允许的范围内（图4），否则插尖难以进入导管架LMU 的捕捉半径内，导致对接失败。

图4 插尖及LMU 位置Fig.4 Position of stabbing cone and LMU

3 数值计算

3.1 安装船系泊运动响应计算理论

根据三维势流理论以及边界元法，计算得到频域下安装船的附加质量、辐射阻尼、幅值响应函数、一阶波浪力传递函数等水动力参数。应用傅里叶逆变换、康明斯脉冲理论对系泊系统进行时域分析［8］。

对于有系泊系统的浮式结构物，其运动方程为

式中：M 为浮体的惯性质量矩阵；Ma为浮体的附加质量矩阵；C 为势流阻尼矩阵；D1为线性阻尼矩阵，D2为二次阻尼矩阵；H(t)为系统的迟滞函数，，B（ω）为辐射阻尼矩阵，ω 为浮体运动频率；K 为系泊系统回复刚度矩阵；x，x˙，x¨ 分别为浮体运动的位移矩阵、速度矩阵和加速度矩阵；等式可分解为一阶波浪力Fwave（1）、二阶波浪力Fwave（2）、风力Fwind、流力Fcurrent以及锚缆系泊力Fmoor等矩阵的组合。

3.2 计算模型

3.2.1 结构模型

安装船重心纵向距船艏93 m，垂向距基线8.26 m，船绕重心处x，y，z 轴方向的惯性半径分别为24.5 m，50 m 和50 m。考虑上部模块，其纵向受风面积为828 m2，侧向受风面积为1 748 m2，重量为15 000 t，受风面积中心垂向距基线28.6 m。系泊缆采用钢芯圆股钢丝绳，直径92 mm，长度1 700 m，弹性模量1.13×1011N/m2，预张力70 t，破断张力493 t，单位长度重35.1 kg/m。通过MOSES软件建立安装船与系泊系统耦合分析模型（图5）。

图5 安装船与系泊系统耦合分析模型Fig.5 Coupling analysis model of installation vessel and mooring system

3.2.2 环境条件

东海海域波浪成分以长周期的涌浪为主，并伴有短周期的风生浪。涌浪与风浪的区别如表1所示。

表1 涌浪与风浪区别Tab.1 Differences between swell and wind-sea

涌浪在低频区域的能量较高，可能会对海上系泊系统造成较大幅值的低频运动，此外长周期涌浪和短周期风浪的叠加也会对海洋结构物产生较大扰动。涌浪可以用能量相对集中的波谱描述，工程上一般采用JONSWAP 谱描述［9］，取谱峰因子γ 为5。风浪谱也采用JONSWAP 谱描述，谱峰因子γ 为2.4。在MOSES 中采用2 种海浪叠加的形式组成混合浪，混合浪的波浪能量为低频部分和高频部分波浪能量的叠加，Hs可根据Rice 理论用能量叠加方式求得,则混合浪的总能量为

式中：Hs为混合浪的有效波高；Hs1为低频部分波浪的有效波高；Hs2为高频部分波浪的有效波高；ρ 为海水密度；g 为重力加速度。

取东海海域水深110 m，海流为均匀流，流速1 m/s，风速指水面以上10 m 处1 h 的平均风速，取10 m/s。计算工况组合如表2 所示，每种工况下均计算0°，45°，90°，135°和180°方向的风浪流。

表2 计算环境条件Tab.2 Calculational environment conditions

4 安装船/系泊系统分析

4.1 安装船/系泊系统静力特性

浮体及系泊系统的静力特性是进行时域动力响应分析的基础，图6 为系泊系统的静位移刚度曲线。从图中可以看出该系泊系统的刚度曲线几乎呈线性，符合一般深水锚泊系统的静力特性。

图6 系泊系统静位移曲线Fig.6 Static offset curves for mooring system

4.2 安装船运动幅值响应算子

以波频载荷为主的一阶波浪是波浪力的主要成分，会导致浮体相应的波频运动。其产生机理是入射波浪在遭遇系泊浮体时，产生复杂的波浪绕射现象。一阶波浪力就是考虑了绕射影响后的入射波系对静止安装船的作用力。作用力包括入射波波浪力和绕射波波浪力。基于线性波浪理论，在单一频率规则波的作用下，一阶波浪力的幅值正比于入射波的波幅。因此，一阶波浪力的计算结果通常以幅值响应算子RAO 的形式给出，幅值响应算子RAO代表单位波高作用下的系统响应。

安装船在垂荡、横摇以及纵摇3 个波频运动的RAO 如图7 所示。

图7 给出了各个浪向角下，安装船系泊状态的3 个主要运动垂荡、横摇、纵摇运动的幅值响应算子。根据计算结果可以看出：垂荡、横摇以及纵摇3 个主要运动都具有较强的波频运动特性；垂荡运动响应幅值的极值出现在波浪周期为10～12.5 s 之间，横摇运动响应幅值的极值出现在波浪周期为11 s 附近，纵摇运动在斜浪的时候运动响应较大，其极值出现在波浪周期为12 s 附近；安装船的垂荡运动响应幅值随波浪周期的增大而增大，在长周期范围内趋于平缓；安装船不同浪向下运动响应的波浪敏感周期不同。

4.3 安装船系泊状态时域运动响应

安装船在安装上部模块的过程中，与导管架LMU 对接的上部模块插尖的运动幅值不能过大，否则插尖位置超出LMU 的捕捉半径，导致上部模块不能与导管架桩腿有效对接，为此必须进行插尖位置运动响应的计算校核。计算安装船系泊状态下的运动响应，考虑风浪流的联合作用，计算条件如表2 所示。为满足环境条件的各态历经性取计算时长为3 h。对插尖位置六自由度的运动响应最大值进行统计，此处仅列出风浪流方向为0°，45°，90°时的统计值，如表3～表5 所示。

图7 安装船在垂荡、横摇及纵摇运动下的响应幅值曲线Fig.7 RAO curves of heave，roll and pitch

表3 0°运动响应极值Tab.3 Maximum motion response at 0°

表4 45°运动响应极值Tab.4 Maximum motion response at 45°

表5 90°运动响应极值Tab.5 Maximum motion response at 90°

从安装船的垂荡、横摇以及纵摇这3 个波频运动看，东海海域的涌浪对安装船的波频运动的影响占主导作用，而风浪的影响微乎其微。具体来说，对于方向为0°和45°的情况，只有风浪作用时（工况5），波频运动响应仅占涌浪风浪联合作用时的3%左右；当涌浪不变（工况1～4），改变风浪成分时，波频运动响应极值的变化幅度也仅仅只有10%左右；对于横浪情况（表5），安装船的波频运动响应对风浪的敏感性变大，但影响幅度仍然在很小的范围内。

从安装船纵荡、横荡以及艏摇3 个水平方向的运动看，改变风浪成分时，安装船的运动响应表现出了对风浪的较强敏感性，同时仅有风浪作用下安装船的运动响应极值占仅有涌浪作用时的50%以上。在水平方向上，长周期涌浪和短周期风浪联合作用会对安装船产生低频波浪漂移力，同时风力、流力也会对安装船产生低频载荷。虽然这2 种载荷的数量级较小，但由于低频载荷的周期与系泊安装船水平运动的固有周期接近，并且由于安装船平面内的顺应性，导致阻尼相对不高，因此会使船体产生慢漂振荡，所以其影响不容忽视。

在各浪向角，安装船在风浪流的联合作用下，上部模块桩腿插尖位置的垂荡运动响应极值均小于1 m［10］，可以有效防止组块的插尖与导管架桩腿发生碰撞，满足安装要求。

4.4 系泊缆强度校核

为保证整个上部模块安装过程的安全性和可靠性，必须对所设计的系泊系统进行校核。在MOSES 中，采用准静态方法对系泊系统进行分析。在准静态分析中，系泊缆与安装船的运动被分开考虑：先求解安装船的运动；然后，假定系泊缆的顶部端点具有和安装船相同的运动，再求解系泊缆的运动。但是求解安装船运动时没有考虑系泊缆的动力效应，即没有计入系泊缆所受的水动力和惯性效应。根据API-RP-2SK［11］中关于系泊缆张力的规定，对于采用准静态方法分析的系泊系统，锚缆的安全系数取2.0。计算环境条件为工况3 时的各根锚缆张力值，对锚缆强度进行校核，表6～表8 分别列出了0°，45°和90°时锚缆张力的平均值、均方根和最大值，并以最大值为标准进行了校核。

表6 0°锚缆张力校核Tab.6 Verification of maximum tensions of mooring lines at 0°

表7 45°锚缆张力校核Tab.7 Verification of maximum tensions of mooring lines at 45°

表8 90°锚缆张力校核Tab.8 Verification of maximum tensions of mooring lines at 90°

从表中可以看出，在风浪流为0°时，位于船艉的4 根系泊缆受力较大，但其安全系数满足规范要求；在45°时，船艉右舷的2 根系泊缆受力较大，同时7 号缆的受力也较大，其强度均满足要求；在90°时，安装在船右舷的4 根系泊缆受力均较大，其中6 号缆的安全系数为2.2，但是仍然大于规范要求的最低安全系数2.0，故设计的系泊系统能够满足安装船在海上进行浮托安装作业的系泊要求。

5 结 论

本文提出了船艉开槽型海洋工程安装船的概念设计以及作业时的系泊系统，分析了安装船在系泊状态下的频域和时域运动响应特性，得出以下结论：

1）内浮托法安装船的设计船宽受到导管架桩腿间距的限制，因此其运载能力提高程度有限，而采用船艉开槽的设计，安装船的船宽可以根据工作海域的安装需求进行设计，其船宽不受导管架桩腿间距的限制，因此其运载能力可以得到大幅提升。

2）对比不同浪向角、不同风浪、涌浪成分组合下安装船在系泊状态下插件处的3 h 运动响应，涌浪主要影响安装船的3 个波频运动，风浪对波频运动的影响较小；安装船在水平方向上的运动受到涌浪和风浪的联合作用，涌浪和风浪对水平方向的运动均有较大影响，设计的安装船插尖位置的垂荡运动最大值能较好地满足上部模块的安装要求。

3）在横浪条件下，位于波浪来向一侧的系泊缆受力最大，尽管设计系泊系统强度满足规范要求，但要尽量避免在横风、横浪条件下进行上部模块的安装施工，或者在该侧采用更高强度的系泊缆，防止施工时系泊缆破断而导致安装失败。

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