水下生产设施安装技术研究分析

尚照辉，阮伟东，熊海超，史佑，苏峰，付剑波

1.浙江大学，浙江杭州310058

2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451

水下生产设施安装技术研究分析

尚照辉1，阮伟东1，熊海超1，史佑2，苏峰2，付剑波2

1.浙江大学，浙江杭州310058

2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451

主要对海洋油气田开发中水下安装工程所需要的安装船类型、水下生产设施的安装定位和安装方法的选择进行系统研究，包括下水、定位、连接等作业。在上述研究的基础上参考DNV规范，分析安装船上起重机吊点各特征响应，并详细论述水下生产设施在安装过程中所受到的各种水动力荷载的计算公式，便于进行模型的力学分析。旨在通过对水下生产设施安装进行逐步分析，为设计及工程人员在对船舶类型要求、水下生产设施安装方法、安装仿真模拟等方面提供一定的理论和技术指导。

水下生产设施；安装；DNV规范；水动力；研究

0 引言

海洋油气田开发中应用的水下生产设施通常在岸上工厂进行加工、测试、包装，再运送到指定地点进行安装，但某些设施要求在现场进行制造安装，如跨接管。将水下生产设施进行定点安装的过程主要包括三个步骤：装船、运输和安装，而水下安装又包括三个阶段：下水、对接和锁定，如水下采油树、管汇和跨接管[1]的安装。

对于不同的安装船、环境条件和安装条件，水下生产设施的安装方法不同。因此在进行安装仿真分析之前需确定安装方法、安装环境、安装条件等，并做好安装定位准备以及数据分析[2]。

本文主要通过水下安装工程中所需要的安装船、水下生产设施安装定位和安装方法的选择进行系统详细的研究，包括下水、定位、连接等阶段。在上述研究的基础上参考DNV规范，求解安装船上起重机吊点各特征响应，并详细论述水下生产设施在安装过程中所受各种水动力荷载的计算公式，便于进行模型的力学分析。同时，为设计及工程人员在对船舶要求、安装方法、安装仿真模拟等方面提供一定的理论与技术指导。

1 安装船及水下安装技术

1.1 安装船的类型及选择条件

典型的安装船有：运输安装船和拖船；钻井平台，包括自升式钻井平台、半潜式平台和钻井船；管道铺管船；脐带缆铺管船；起重船；辅助作业船，如遥控潜水器支持船（RSV）、潜水员辅助船（DSV）和现场支持船（FSV）等。

不同的安装阶段可能需要不同的安装船协同作业。对某特定水下生产设施，可能存在多种安装船皆能够进行安装工作，但是选择哪种安装船进行作业最合理，则需要综合考虑船本身的能力因素以及经济、成本因素。此外，水下生产系统安装方法及其分析也基于安装船的选择。

1.2 安装船主要技术参数

浮性：在一定荷载条件下的船具有浮性，船具有四个方面的浮力条件，即垂直位置、切边、倾侧及它们的组合。

稳定性：要求当作用在船上的力或弯矩消失后，船能够回到最初的平衡位置。如果当前船舶稳定性受到影响，应采用向船底舱注水或在船底甲板下放置配重块，以降低船舶重心，确保船舶稳定性。

抗沉性：即一个或多个舱室被水淹没，船舶依然能够保持一定的浮力和稳定性的能力。

适航性：由于风、波浪、气流而引起扭转力或弯矩时，船舶在海上仍能够安全航行或运作。

强度：通常包括纵向强度和局部强度，保证船的结构在运行、安装过程中不会受到强度破坏和疲劳破坏。

甲板空间和承载能力：保证船体甲板上有足够的空间和承载能力能够安放和吊运水下生产设施以及其他配件。

1.3 水下生产设施安装定位

水下生产设施的安装要求安装船有良好的定位系统以保证能够精确地安装和操作，定位包括海面定位和水下定位。

海面定位是指安装船利用各种方法定位以保证安装船在安装时处于正确的位置，主要定位方式为锚链系泊（锚泊）和动力定位。锚泊定位（见图1）是通过锚为海上作业系统定位，锚泊定位系统主要包括船锚、锚链、起锚装置以及用于测量井与平台相对位置的测量设施。动力定位是一种可以不用锚系而自动保持海上浮动装置的定位方法（见图2）。

图1 半潜式平台的锚泊定位

图2 动力定位系统

水下定位是指当设施下水或者需要与目标点进行对接时，利用水下收发器/应答器等仪器进行设施之间的定位以控制对接过程。借助于ROV将水下生产系统放入水中并开始安装时则需要水下定位，对于跨接管连接更加需要确定两个连接物件之间的距离、角度等参数。水下装备安装的两种主要方法是水声法和张索法，两种方法中水下光源是帮助设施安装和精确定位最重要和常用的工具。

1.4 安装方法选择

海洋结构的安装所选择的安装方法应具有安全性和可操作性的特点，同时还要有选定的干预策略。安装方法的选择应满足以下条件：

（1）经济成本与安装耗时最小化。

（2）满足安装环境条件，如水深等。

（3）安装设施（临时的或永久的）不应造成堵塞也不会影响介入过程。

（4）吊索、安装所选用的吊装梁/结构/构件的断开都应符合选定的干预策略，一个备份系统也要建立起来。

（5）安装设施在安装、停滞、连接、移动过程中不应给永久工程带来任何的风险。

（6）提升/安装配置应按最小的提升质量来进行设计。

2 安装船与环境荷载分析

2.1 安装船响应幅值与起重机吊点运动计算

在风、浪、流等环境荷载作用下，实际的安装船将同时发生六个自由度运动，如图3所示[3]。

图3 船舶响应幅值算子（RAO）

根据DNV规范[4]可求解起重机吊点各特征响应，在已知海况和波流方向时，起重机吊点垂向运动单幅值ηct为：

已知海况和波流方向时，起重机吊点特征单幅值垂向速度vct以及加速度act为：

式中ηH——船舶垂荡特征单幅值；

φR——船舶横摇特征单幅值；

φP——船舶纵摇特征单幅值；

b——船舶中心线到起重机吊点水平距离；

l——船中央到起重机吊点水平距离；

TH——船舶垂荡固有频率；

TR——船舶横摇固有频率；

TP——船舶纵摇固有频率。

2.2 特征力分析

当物体降落穿过水面时，特征总力Ftotal的计算如下：

当物体下放开始瞬间或者突然停止时，会产生压紧力，此时物体特征总力为：

对于海上作业，动力效应也可以利用动力放大系数（DAF）按照下列等式进行计算：

式中Fsta——静荷载；

Fhyd——动荷载；

Fsnap——压紧力。

动力放大系数可根据表1选用。

表1 动力放大系数（DAF）

2.2.1 静荷载计算

静止于水中的物体所承受的静荷载为自身干重与浮力的差值[5]。当物体未浸入水中时，静荷载即为自身干重。数学表达式如下：

式中m——空气中的物体质量；

ρ——水密度；

g——重力加速度；

Vd——物体排开水的体积。

2.2.2 水动力载荷计算

2.2.2.1 浪溅区

当物体下放穿过浪溅区时，物体主要受到特征冲击力、特征浮力、水动力拖曳力、水动力惯性力四种水动力荷载作用，总的动荷载为：

式中Fs——特征冲击力；

Fρ——特征浮力；

Fd——水动力拖曳力；

Fm——水动力惯性力。

（1）特征冲击力。当物体穿过水面时，物体底部受到来自水面的冲击作用，特征冲击力为：

式中As——穿过水面的物体单元在水平面上的投影面积；

Cs——冲击系数（由经验或者实验的方法确定，光滑圆柱体冲击系数不小于3.0，其他形状物体冲击系数不得小于5.0）；

vs——冲击影响速度，可由下式计算获得：

式中Hs——设计海况的有效波高；

vc——吊钩下放速度（没有数据的情况下可采用0.5 m/s）。

（2）特征浮力。当物体穿过水面时，物体受到来自水面向上的浮力作用，特征浮力表达式如下：

式中K——起重系统刚度；

Vd——物体体积。

（3）水动力拖曳力。水动力拖曳力可由下式计算获得：

式中Cd——水平面拖曳力系数（取值可参考文献[5]）；

vr——水质点和物体之间的特征垂向相对速度。

（4）水动力惯性力。水动力惯性力可由下式计算：

式中madd——物体附加质量，madd=ρVdCm；

Cm——物体附加质量系数；

aw——水质点的特征垂向加速度。

2.2.2.2 中层水域

当物体下放穿过浪溅区后，继续在水面下稳定下放，此时物体主要受到水动力拖曳力、水动力惯性力两个水动力荷载作用，总的动荷载为：

式中Fd——水动力拖曳力；

Fm——水动力惯性力。

Fd和Fm的计算方法与浪溅区的相同。

（1）压紧力计算。物体突然下放或者突然停止时，会产生压紧力，在合适的天气条件下进行安装可以避免压紧力的产生。特征压紧力计算如下：

式中vsnap——特征压紧速度。

特征压紧速度可由下式计算获得：

式中vff——物体自由下落速度；

C——纠正系数。

（2）月池影响。通过月池安装时，物体受到的特征力计算与式（8）相似，但是需要考虑月池对安装的影响，需要在特征力计算中用Cmfm和Cdfd替代物体附加质量系数Cm和水平面拖曳力系数Cd，而fm和fd按下式计算：

式中Amp——月池的横截面面积。

2.2.3 环境荷载分析

在水下生产设施安装过程中，主要受到风、波浪、流三种环境荷载。由于水下安装对天气的特殊要求，风荷载对水下设施以及索具、缆绳作用力较小。因此在计算分析水下设施安装过程时，忽略风荷载的影响。在模拟计算中将波浪和流作为环境荷载输入参数。计算波浪、流荷载时，在0°～360°范围内选取8个波向角，如图4所示。

波浪以及海流力作用采用莫里森方程计算，物体受到波浪、海流的作用力为：

式中FD——物体受到拖曳力作用；

图4 波向角选取

FM——物体受到惯性力作用。

惯性力作用于物体重心，计算如下：

式中CM——惯性力系数；

du/dt——垂直于构件轴线的水质点与构件之间的相对加速度。

对于一般结构物，拖曳力作用于物体重心，采用下式计算：

式中CD——垂直于构件轴线的流动拖曳力系数；

AP——在垂直于拖曳力方向上构件的投影面积；

US——流体质点在垂直于构件轴线方向上相对于构件的速度。

对于单位长度细长结构，其拖曳力采用下式计算：

式中D——细长结构横截面直径。

3 结束语

本文对水下生产设施安装技术进行系统分析研究，其内容包括以下几点：

（1）对水下生产设施安装技术进行了分析研究，主要包括船的类型及选择条件、主要技术参数的确定、水下生产设施安装定位以及安装方法的选择等，为设计、作业人员提供一定的技术指导。

（2）参考相关DNV规范，总结分析安装船上起重机吊点各特征响应，并详细论述水下生产设施在安装过程中所受到的各种水动力荷载的计算公式，为进行模型的力学分析提供理论基础。

[1]马增骥，唐文勇，薛鸿祥.水下生产系统跨接管结构极限承载能力分析[J].海洋工程，2013，31（1）:9-15.

[2]Bai Y，Bai Q.Subsea engineering handbook[M].Amsterdam: Elsevier，2010.

[3]Orcina.VisualOrcaflex User Manual[M].Ulverston，UK:Orcina，2005.

[4]DNV-158（1996），Rules for planning and execution of marine operations:PART2，CHAPTER 6 Subsea Operations[S].

[5]DNV RP H103（2010），Modelling and analysis of marine operations[S].

Technology Research and Analysis of Underwater Production Facilities Installation

Shang Zhaohui1，Ruan Weidong1，Xiong Haichao1，ShiYou2，Su Feng2，Fu Jianbo2
1.Zhejiang University，Hangzhou 310058，China
2.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

This paper aims at doing the systematic research on the type choice of required installation vessels，positioning and installation methods of underwater production facilities.The research includes lowering underwater production facilities into water，positioning and connection，etc.Based on the above research，the characteristic responses of crane lifting point motion are well studied according to DNV rules.Then，the calculation equations for the different kinds of hydrodynamic forces acting on underwater production facilities in installation process are proposed，which is convenient for the mechanical analysis of model.The analytical research on underwater production facilities installation at sequent phases can give some theoretical foundation and technical guidances to the designers and engineers with respect to vessel type requirements，installation method and simulation of underwater production facilities.

underwater production facilities；installation；DNVrules；hydrodynamic force；research

国家科技重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（2011ZX05027-004）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.003

尚照辉（1986-），男，河南唐河人，2013年毕业于浙江理工大学流体机械及工程专业，硕士，2014年浙江大学结构工程专业在读博士生，从事海洋工程研究工作。

2014-07-16；

2015-01-30