“海洋石油201”深水起重铺管船动力定位能力分析

吴宝昌, 赵 林

(重庆舸海机电有限公司， 重庆 400021)

“海洋石油201”深水起重铺管船动力定位能力分析

吴宝昌, 赵 林

(重庆舸海机电有限公司， 重庆 400021)

深水起重铺管船是深水油气资源开发的重要装备，其定位系统定位能力是起重铺管船的关键设备之一。以我国首艘深水起重铺管船“海洋石油201”为研究对象，参考相关规范和经验公式，计算了船舶在设计海域受到的环境载荷，并根据API规范的推荐要求，对船舶动力定位系统的定位能力进行了分析。

海洋石油201 起重铺管船 动力定位系统 定位能力

1 引言

众所周知，我国陆地和浅海油气资源开发已进入中后期。随着国家深海战略的大力实施，我国深海油气资源开发装备迎来了空前的发展良机。而作为深海油气资源开发装备队伍的重要成员，深水起重铺管船承担着管道铺设，装备调运与模块安装等油气资源开发过程中的关键任务。我国首艘深水起重铺管船“海洋石油201”是我国 “五型六船” 深海舰队中的核心成员，与我国首艘第六代深水半潜平台“海洋石油981”一起代表了我国海洋工程装备的最高水平。动力定位系统作为动力定位海工装备中的关键设备，其设计、制造、安装与维护均需进行重点考虑。基于此，本文对我国首艘深水起重铺管船“海洋石油201”动力定位系统的定位能力进行了分析计算。根据分析结果本文对该船动力定位系统的定位性能进行了评估。

2 “海洋石油201”主要参数

“海洋石油201”入级美国船级社(ABS)和中国船级社(CCS)双重船级，具有每天5 km的铺管速度和4千t的海上吊装能力。该深水起重铺管船作为一艘高技术船舶，配备了大型海工吊机、深海铺管设备以及全电力推进系统等多种先进海工装备，如图1所示。

图1 “海洋石油201”作业效果图

“海洋石油201”在进行铺管作业时，其动力定位系统满足DP2级动力定位要求，进行起吊作业时，其动力定位系统满足DP3级动力定位要求。该船具有较强的容纳能力，能满足380人的定员要求。同时内装豪华，居住条件优越。该船的主要技术参数如表1所示。

表1 “海洋石油201”主要参数

3 “海洋石油201”的推进系统

动力定位系统的推进系统是动力定位过程的执行者。船舶正是借助于推力系统提供的推力来抵消环境载荷，从而使得平台或船舶保持设定位置和艏向的。推力系统中最重要的部分就是推力器。运用在动力定位中的推力器和船舶推进的推进器有较大不同，动力定位系统中的推进器在推进效率、可靠性以及可维护性等方面都有较高要求。

“海洋石油201”设计作业水深达3 000 m，铺管作业和起吊作业对船舶位置要求较高。考虑到定位的安全性和准确性，该船配备了DP3级动力定位系统。其推进器选用了适合于海工装备的全电力驱动全回转推进器。在推进器的布置方面，“海洋石油201”将两台功率为4 500 kW的全回转推进器布置在船尾，兼做主推进器。在船中部区域，该船对称布置了四台功率为3 200 kW的伸缩式全回转推进器，在首部的中部位置布置了1台伸缩式全回转推进器。该船的7台推进器的布置情况如图2所示。推进器的相关参数如表2所示。

图2 “海洋石油201”推进器布置

全回转推进器伸缩式回转推进器类型定距桨类型定距桨输入功率4500kW输入功率3200kW输入转速0～600r/min输入转速0～900r/min公称直径3600mm公称直径3200mm转速181r/min转速192r/min数量2台数量5台

4 环境载荷计算

“海洋石油201”的设计工作海域为除北极之外的任何海域。因此其环境条件偏于恶劣。考虑到其工作海域的环境因素和其工作工况，该船受到的设计作业环境条件如表3所示。

表3 “海洋石油201”作业环境条件

表2中的作业工况指的是铺管作业工况。海上起吊作业对海况要求相对较为严格，因此这里只列出相对较为恶劣的铺管作业工况和非常恶劣的待机工况下船舶的作业环境条件。

4.1 风载荷计算

在处理动力定位等涉及到平台推进和操作性等方面的问题时，风载荷是一种重要的环境载荷。本文的风载荷计算参考API规范推荐的模块法来进行。计算时，风速为水面以上10 m处的一分钟平均风速。

参照API规范，单个构件的风载荷的计算式为

式中：Fw为计算的风载荷；Cw为风载荷系数，参照规范选取；Cs为构件形状系数，参照规范选取；Ch为构件高度系数，参照规范选取；A为构件的垂向投影面积；Vw为风速在投影方向的分量。

载荷系数的选取根据船型；高度系数和形状系数的选取参照规范进行。具体如表4和表5所示。

计算得到单个构件的风载荷之后，船舶受到的总风载荷就是各单个构件所受风载荷的叠加。

表4 高度系数选择

表5 形状系数选择

4.2 流载荷计算

对于平台结构的流载荷，仍可采用模块法进行计算。对于“海洋石油201”这种船船形浮式结构，API规范推荐采用OCIMF讨论通过的流载荷估算方法进行计算。该方法是OCIMF通过对15万～50万载重t的油轮进行试验及计算后，得到的经验计算方法。参照该方法，流载荷的计算式如下。

式中：FXc、FYc、MXYc为纵向、横向力及艏摇力矩；CXc、CYc、CXYc为纵向、横向力及艏摇力矩系数；ρ为流体密度；Vc为流速；LBP为船长；T为吃水。

横向、纵向力和艏摇力矩系数是一组与受载方向和船型相关的系数。它们的选取参照OCIMF发布的相关文件。

4.3 波浪载荷计算

作用在船舶上的波浪载荷包含低频分量和波频分量。对于动力定位来说，计及波频波浪载荷是无意义的，只需要考虑造成平台飘移的低频波浪载荷。目前对低频波浪载荷的计算理论主要有基于物体表面积分的近场理论、基于动量和能力守恒的远场理论和基于斯托克斯定理和高斯理论的中场理论。以上几种理论计算方法依赖于数值计算工具。

Daidola根据前人的研究成果，认为不规则波可看作是各种频率的规则波叠加，计算得到单个规则波的波浪载荷后，可按叠加得到不规则波的低频波浪力和力矩。他总结了以下低频波浪力的计算公式。

关于低频波浪力载荷系数，根据前人进行的船模试验结果，可得到以下的计算公式。

式中：ρ为海水密度；L为船长；a为单个规则波波幅；χ为迎浪角；λ为单个规则波波长。

5 定位能力分析

在对动力定位船舶设计方案进行评估分析时，动力定位系统的定位能力分析评估是必须要进行的。目前，各船级社都拟定了对动力定位能力进行评判的标准，例如挪威船级社的环境规则指数、英国劳氏船级社的PCR指数以及API推荐的动力定位能力曲线等。运用较多的定位能力分析工具主要是动力定位能力曲线。

动力定位能力曲线是一条极坐标系下从0°～360°的包络线。包络线的半径方向的坐标表示平台动力定位系统的定位能力。表示定位能力的指标目前用得较多的主要是两种。第一种是定位系统完成定位时能抵抗的极限环境载荷，一般来说以风速作为评判标准；第二种是在特定的环境条件下推力系统推力器的推力占最大推力的百分比(即推力器使用率)。本文采用API推荐的推力器的使用率作为评判标准。考虑到环境载荷各种组合的复杂性，计算时假定风载荷、流载荷以及波浪载荷作用于同一方向。

5.1 计算流程

在进行平台动力定位系统定位能力曲线计算时，需遵照一定流程进行，如图3所示。

图3 定位能力分析流程

分析时，首先输入计算工况下的环境条件参数，然后设定一个初始的计算角度并按照选定的环境载荷计算方法分别计算风载荷、流载荷和低频波浪载荷。在得到各环境载荷后将其叠加得到总的环境载荷，然后将得到的总环境载荷输入到推力计算与分配算法当中，得到各个推力器的推力，最后再将推力器推力与推力器最大推力相比得到推力使用率。得到推力使用率之后，按照一定的步长，增加环境载荷的方向，进入到下一个循环当中，直到各个方向上的推力使用率均计算完毕。

5.2 分析结果

“海洋石油201”深水起重铺管船在进行海上吊装作业时，要求作业环境为较低级别海况。在较低级别海况下，风、波浪以及海流等环境因素对船舶的影响相对较小。可以预见，在相对低级别海况下，船舶动力定位系统要完成定位相对较容易。因此本文主要对作业环境相对较为恶劣的铺管作业工况和待机工况下的定位能力进行分析。由于铺管作业时，平台需满足DP2级动力定位的要求，因此本文计算了在铺管作业工况下推力系统完好和不同位置的单个推进器失效时的定位能力。“海洋石油201”还要求在表3所列的待机工况所对应的海况下，在150°～210°的环境载荷方向作用下，定位系统能使得船舶保持位置和艏向。因此本文还计算了待机工况下的定位能力。

图4 铺管作业工况推力系统完好

图5 铺管作业工况1号推进器失效

图6 铺管作业工况3号推进器失效

图7 铺管作业工况5号推进器失效

图8 铺管作业工况7号推进器失效

图9 待机工况推力系统完好

铺管作业工况下推力系统完好时的定位能力曲线如图4所示。该工况下单个推进器失效时的定位能力曲线如图5～图8所示。待机工况下推力系统完好时的定位能力曲线如图9所示。

在以上各个工况下，动力定位能力曲线中的推力器使用率为各个推力器的平均使用率。从计算结果可以看出，在推力系统完好时，在铺管作业工况下，系统推进器的平均最大使用率为61%；单个推进器的最大使用率为68%。在铺管作业工况下，在有单个推进器失效时，系统推进器的平均最大使用率明显增加，达到了72%。不同位置的单个推进器失效对应的推力器平均使用率的差异较小，兼做主推进器的尾部推进器失效对船舶的定位能力影响更为明显。

从计算结果还可以看出，在环境条件非常恶劣的待机工况下，要抵抗各个环境载荷所需要的推力已经超过了船舶推力系统所能提供的最大推力。在大多数角度，船舶定位系统已经无法完成定位。但在“海洋石油201”设计要求的150°～210°的环境载荷方向下，系统推力器的最大使用率为95%，船舶仍能勉强完成定位。

6 结论

本文以我国首艘3 000m深水起重铺管船“海洋石油201”为研究对象。按照规范推荐的计算方法和相关理论公式，计算了船舶在设计海况下受到的风载荷、流载荷和低频波浪载荷。在此基础上，本文以API规范推荐的推进器的使用率为标准，计算了“海洋石油201”在设计环境条件下动力定位系统在各工况下的定位能力。考虑到DP3级动力定位系统对冗余度的要求，本文计算时也计算了不同位置的单个推进器失效的情况下船舶动力定位系统的定位能力。

从计算结果可以得知，“海洋石油201”深水起重铺管船所配备的推力系统在较为恶劣的铺管作业工况所对应的环境条件下，能够产生足够的推力来抵抗风、浪、流三种环境载荷，船舶能有效的进行定位。但是在有推进器失效时，其余推进器的推力使用率明显上升，这会造成各个推进器在较高的工作负荷下运转，从而影响其稳定性和使用寿命，应尽快修复。在非常恶劣的待机工况所对应的环境条件下，船舶在大部分环境载荷作用角度下会失去位置，但在设计所要求的150°～210°环境载荷作用角度下仍能完成定位。因此，总体来说，“海洋石油201”深水起重铺管船的动力定位系统定位性能优越，能够胜任在设计海域的定位任务，但在待机工况下需要严格监测各推力器的推力值，避免长时间的高负荷运行。

[1] 刘雨.深水半潜式平台动力定位系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

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Analysis for Dynamic Positioning Capability of Hai Yang Shi You 201 Deepwater Pipe Lay Crane Vessel

WU Bao-chang, ZHAO Lin

(Chongqing Gehai Mechanical and Electrical Co., Ltd., Chongqing 400021, China)

Deepwater pipe lay crane vessel plays an important role in deepwater exploration of gas and oil, its positioning system is one of the key equipments. Taking Hai Yang Shi You 201 as a research object, relevant specification and empirical formula are referenced, the environmental load of the vessel in design area is calculated, and the positioning ability of its dynamic positioning system is analyzed on the basis of recommendation from API specification.

Hai Yang Shi You 201 Deepwater pipe lay crane vessel Dynamic position-ing system DP capability

吴宝昌(1984-)，男，助理工程师。

U664

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