海洋石油201船加装J-lay铺管系统动力定位能力计算分析

张法富，彭小佳，何宁，宋安科

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋石油201船加装J-lay铺管系统动力定位能力计算分析

张法富，彭小佳，何宁，宋安科

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

针对选定的J-Lay铺管系统加装方案，计算船舶环境载荷及铺管作业力，在不改变船舶原有推进器配置的情况下，对船舶动力定位能力进行数值计算，给出推进器完整及失效工况下的动力定位能力曲线。

J-Lay铺管；环境载荷；动力定位能力

海洋石油201船(简称HYSY201)是拥有动力定位能力的深水起重铺管船，主要功能为深水S-Lay铺设和起重，最大工作水深3 000 m，船艉布置一台起重能力4 000 t(固定式)/3 500 t(全旋转式)大型海洋工程起重机。随着南海深水勘探发现及我国在深水油气田开发能力的提升，对深水工程船舶的需求也不容忽视。对现有深水工程船舶进行改造，使其具备相应的工程作业能力，成为当前市场环境下的首选。

基于HYSY201目前作业能力，为使其达到铺设1 600 m水深558.8 mm(22 in)海管的铺管能力，海洋石油工程股份有限公司提出在HYSY201加装J-Lay铺管系统的改造方案。在假设HYSY201加装J-Lay铺管系统并不改变现有推力系统配置的情况下，对船舶动力定位能力进行分析计算，以评估改造方案的可行性。

1 坐标系及船舶主要参数

为了便于描述船舶运动，引入如下右手坐标系。空间固定坐标系O-XYZ，原点位于船舯与基线的交点，X轴平行船体基线指向船艏，Z轴竖直向上，见图1[1]。

1.1 船舶主尺度及推进器配置参数

HYSY201主尺度见表1。

表1 HYSY201主尺度 m

风浪流的方向指其传播方向，方向角α指风浪流传播方向与X轴逆时针方向的夹角。随浪方向为0°，迎浪方向为180°。

HYSY201配置7台全回转推进器，推进器总功率为25 MW。推进器布置见图2，推力及功率参数见表2。

推进器编号推进器类型最大推力/kN最大使用功率/kWT1全回转680.84500T2全回转680.84500T3全回转540.53200T4全回转540.53200T5全回转540.53200T6全回转540.53200T7全回转540.53200

注：推进器推力坐标系与环境载荷坐标系一致。

1.2 J-Lay铺管系统加装方案

世界上现有J-Lay铺管船的J-Lay塔布置位置有船艉布置、船舯月池布置和舷侧布置3种方案。考虑到船艉已布置有主吊机，船艉方案不可行；通过船舯月池进行铺设，需新开设月池，对原船改动过大，方案也不可行。因此J-Lay塔只能布置在舷侧，具体布置见图3。

2 环境载荷及铺管作业力计算

船舶在海上所遭遇的环境条件有3种：风、波浪和海流。由于动力定位只对低频水平载荷做出响应，除了考虑长周期变化的风和流载荷外，波浪载荷则只计算其中的低频部分。在缺少风洞试验及船舶水池试验资料情况下，采用软件计算与经验公式计算两种方法，根据选定的环境条件进行船舶环境载荷计算[2]。

同时，铺管时管道在水下的悬跨段部分对船体的纵向作用力是影响起重铺管船铺管作业的一个重要方面，只有计入其对船体的影响，才能对铺管作业时动力定位操作有一个较精确的客观描述。

2.1 铺管作业环境条件

根据HYSY201船体说明书，铺管作业环境条件见表3。加装J-Lay铺管系统后，HYSY201需满足1 600 m水深22 in海管的铺设需求。

表3 HYSY201铺管作业环境条件

2.2 风载荷计算

海面上的风速和风向都是随机变化的，这给测定作用在船舶上的风力及风力矩带来困难。本文在计算过程中，对风载荷做常值处理，即只计算其中定常风力部分，忽略低频风力。

采用WINDOS软件计算辅以规范经验公式验证的方法获取风载荷[3]。WINDOS模型见图4，WINDOS得出的加装J-Lay铺管系统后HYSY201的风力系数见图5。

2.3 流载荷计算

流力在系泊分析中常做为定常力，假设流速不随水深变化，为均匀流。由于假定J-Lay铺管与原S-Lay铺管相比吃水不变，计算采用原流力系数，见图6。

2.4 二阶波浪漂移力计算

目前求解二阶漂移力的方法主要有3种：基于物体表面积分的近场积分理论、基于动量和能量守恒的远场理论和法国船级社发展出来的中场积分法。二阶波浪力理论复杂，多采用软件建模方法进行计算。动力定位能力计算时，通常只考虑二阶波浪力中的定常部分。本文采用远场公式，利用DNV船级社的SESAM/HydroD软件进行计算，水动力计算模型见图7。

2.5 管道对船体纵向作用力计算

铺管作业时所铺设的管道对船体的水平作用力对于DP系统来说是越小越好，由于铺设管道水下悬跨段的弯曲不能超过材料的极限，因此张紧器必须提供一定程度的水平力来保证水下管道的弯曲不超过材料的极限。管道受力见图8。

基于目标管道尺寸和水深在J-lay铺设模式下的铺管能力要求(1 600 m水深，22 in管)，采用相应的设计依据和假设确定不同管道外径下的壁厚之后，使用商业软件PIPELAY进行铺管应力分析。该软件采用对非线形梁和线缆单元建模的有限元法，根据彼此相连的有限梁单元系统对管道进行建模，确定J-lay海管铺设张力需求。

3 动力定位能力分析

由于表3中已明确铺管作业环境条件，本文以推进器推力使用百分比曲线评估船舶动力定位能力。若推进器不能360°抵抗环境载荷，则计算最大抗风能力曲线，以评估船舶允许作业的最大环境条件。同时，表3中最大风浪条件的风载荷及波浪载荷大于风后涌浪条件，本文选取最大风浪条件进行分析。

3.1 计算假定

1)表2中原有推进器配置不做改变。

2)由于环境载荷计算时未考虑动态部分分量，计算时风载荷和二阶波浪漂移力考虑1.25倍动态放大系数。

3)风、浪、流按同向考虑。

4)铺管作业时推进器损失与海管充水同时发生为小概率事件，计算时不考虑两种损坏模式的叠加。

3.2 计算工况

HYSY201在铺管作业时动力定位等级为DP2，根据规范[4]要求，DP2船不应因单点故障而导致动力定位失效。本文计算考虑单个推进器失效工况，计算工况见表4。

表4 计算工况

3.3 推力分配逻辑及计算软件

多推进器推力分配是一个非线性约束优化问题，也是船舶动力定位能力评估中的核心问题，一般应用优化算法将其简化为包括目标函数、等式约束和不等式约束的数学模型，然后利用优化算法进行求解[5]。

运用海洋石油工程股份有限公司研发的“动力定位能力解决方案”软件[2]4进行J-Lay铺管作业控位能力评估。

3.4 计算结果

通过计算，得到HYSY201在铺管作业环境条件下各工况船舶的动力定位能力，见表4。主要结果如下。

1)Case1～Case4，船舶能360°抵抗铺管作业环境条件，能够满足1 600 m水深22 in海管铺设要求。推进器推力百分比曲线见图9(篇幅原因，此处仅列出Case1工况曲线)。

2)Case5(推进器T7损失时)，船舶在90°～135°及225°～270°区间不能满足铺管作业环境条件，船舶作业时需降低环境条件使用。在流速与波高保持不变的情况下，Case5最大抗风能力曲线见图10。

4 结论

1)HYSY201船铺管作业时的动力定位能力是加装J-lay铺管系统改造方案的控制工况，艏部推进器失效为最严重损失工况。

2)采用J-lay铺管系统舷侧布置方案，管道对船体纵向作用力产生较大的转艏力矩。艏部推进

器失效时，船舶需降低环境条件使用。

3)对于J-lay铺管系统舷侧布置方案，下一步需对推进器推力损失、配电情况等进行实船调研，以准确评估改造方案的可行性。

[1] The International Marine Contractors Association. IMCA M 140 Rev.Ι-Specification for DP capability plots[S].2000.

[2] 张法富,刘波,杨辉.动力定位船控位能力计算软件平台构建研究[J].船舶工程,2015,37(1)：69-71.

[3] American Petroleum Institute. API-RP-2SK. Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures[S]. 3rd ed,2005.

[4] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5] 张法富,刘波,刘鸿雁，等.动力定位系统推力分配算法研究[J].船海工程,2013,42(2):125-129.

DP Capability Analysis of HYSY201 after Installation of J-lay Pipelaying System

ZHANG Fa-fu, PENG Xiao-jia, HE Ning, SONG An-ke

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China)

According to the selected J-Lay pipelaying system installation plan, the environmental load and pipelaying force were calculated. Without changing the existing propulsion system of the vessel, numerical calculation of DP capability was performanced and the DP capability curves of thrusters intact and failure conditions were obtained.

J-lay pipelaying; environmental load; DP capability

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.027

2016-07-06

张法富(1984—)，男，硕士，工程师

U664.81

A

1671-7953(2017)02-0117-04

修回日期：2016-08-04

研究方向:海洋工程浮式结构物总体性能、动力定位