水下生产设施吊装入水砰击动态模拟

孙 青，张昊楠

（中海油田服务股份有限公司，天津 300451）

0 引言

水下生产系统在深水油气田开发领域有着重要作用，无论是新油田开发还是油田弃置，都会涉及水下管汇、采油树、跨接管和水下基盘等水下生产设施的安装和拆除。采用工程船吊机吊装水下生产设施具有机动灵活、效率高和成本低等优点，配备动力定位系统和升沉补偿吊机可较容易地满足其水下安装定位的要求，但对于带有防沉板的水下管汇等尺寸较大的设施来说，在将其下放至与水面接触的瞬间，容易引起过大的砰击载荷，造成吊机钢丝绳及其索具等受损。因此，必须对整个系统入水过程中受到的动载荷进行分析，避免瞬时过载发生。

目前用于计算海上吊装作业入水过程中的水动力载荷的方法主要有简化计算法、设计规则波法、时域计算法和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）法等4种[1]，不同方法对模型的简化程度不同，计算量也有所不同，可分别适用于不同的计算场合。近年来，国内外学者针对工程船吊装水下生产系统入水砰击开展了一系列研究。例如：陈可钦等[2]根据IMCA、DNV-RP-C205和DNV-RP-H103规范计算了南海某项目三通防沉板吊装入水的动态放大系数；张晖[3]根据DNV-RP-C205规范中的砰击力公式计算了南海某水下终端管汇安装入水时受到的砰击载荷，考虑了多种基本工况和组合工况，得到了允许安装作业的最大有效波高；陈勇等[4]以南海某水下基盘的安装为例，采用简化算法计算了基盘入水的动态放大系数，并将其与OrcaFlex软件时域模拟结果相对比，分析了简化算法的适用性；DING等[5]基于流体体积模型对敞口结构在飞溅区受到的波浪砰击进行了三维数值模拟，并通过试验对其准确性进行了验证；WU[6]采用SIMA软件对水下基盘通过飞溅区时钢丝绳的受力情况进行了静态和动态分析，并考虑了被动升沉补偿系统；JIA等[7]采用将船舶时域绕射模拟与CFD相结合的方法分析了船舶吊装水下设施通过飞溅区时的运动和受力情况，并进行了参数敏感性分析；NAESS等[8]通过模型试验和CFD法，在时域下模拟了带吸力锚的基盘结构吊装入水过程中钢丝绳的动载荷，验证了吸力锚顶部入水时其开口灌入的空气和海水量的重要性；JEONG等[9]对海洋工程支持船吊装水下设施过程中的多个步骤进行了动态模拟，得到了在不同波浪周期、波高和下放速度下钢丝绳的拉力和碰撞校核结果；KANG等[10]研究了水下吊装作业过程中吊机绳索的参数共振问题，运用马修方程对吊机绳索的有效浸没长度和动态张力变化进行了数值计算和预测。本文对吊装作业入水过程中船舶吊索和水下生产设施的受力状态进行研究，并利用OrcaFlex软件对其进行动态时域模拟分析，根据瞬时动载荷的变化规律和影响因素指导海上作业条件和作业方法的选择。

1 吊物受力和运动方程

水下生产设施吊装入水过程中，其运动响应是由吊索的拉力、自身重力、浮力、波浪力、入水砰击力、惯性力和拖曳力等多种载荷共同作用的结果。

1.1 入水砰击力

吊物在入水过程中与水面之间因有相对速度而产生碰撞，引起其底部表面出现伴有高压峰值的冲击载荷，即砰击力[11]。入水砰击力的计算式[1]可表示为

式(1)和式(2)中：ρ为海水密度；sC为砰击系数；pA为吊物在水面上的投影面积；ς˙为波浪水质点的速度；η˙为吊物的垂向速度；η˙~为波浪引起的吊物垂向运动速度，即船体受到波浪的作用产生的运动传递至吊物处的运动速度，可根据船体运动响应幅值算子（Response Amplitude Operator, RAO）计算得到；cv为吊物下放速度。

1.2 波浪力

吊物在下放过程中会因遭遇波浪而受到波浪激励力的作用，其中包括Froude-Kriloff力、绕射力、拖曳力和波浪引起的浮力改变。垂直方向的波浪力的计算式[1]可表示为

式(3)～式(5)中：g为重力加速度；wA为水线面面积；ς(t)为瞬时波面升高；V为吊物排水体积；ς˙˙为波浪水质点加速度；A33为吊物附加质量；CA为附加质量系数；RV为参考体积；dF为垂直方向拖曳力；dC为拖曳力系数；rv为吊物与波浪水质点之间的相对速度。

1.3 运动方程

结合吊装入水过程中吊物的受力情况，建立吊物的运动方程为

式(6)和式(7)中：M为吊物质量；η˙˙为吊物的垂向加速度；V(t)为吊物的瞬时排水体积；Fline(t)为起重钢丝绳受力；K为钢丝绳刚度；zct为吊机的臂头位移；η为重物位移。

2 判别准则

2.1 避免钢丝绳松弛

当吊物在入水过程中受到的向上的动载荷（包括砰击力和波浪力）大于其自身重力时，会造成起重钢丝绳在受到很大的短时载荷的作用之后松弛。钢丝绳松弛会导致吊物以一定的速度做自由落体运动，并使钢丝绳受到一个很大的瞬时拉力；同时，吊物会受到来自于水面的更大的冲击力，带来破坏性影响[2]。因此，在吊装作业过程中，应完全避免钢丝绳松弛，即使钢丝绳受到的拉力始终大于零，满足关系式

2.2 动态放大系数

动态放大系数为吊物入水过程中受到的动载荷与静载荷之比，应小于要求值[4]。

式(9)中：λ为动态放大系数；Fdynamic为动载荷；Fstatic为静载荷。

3 数值模拟

借助OrcaFlex软件模拟某工程船吊装水下管汇入水的整个过程，并通过加载随机波浪，考虑船体、吊索具和吊物之间的耦合作用，使计算结果更真实可靠。工程船和起重设备参数见表1，计算中涉及到的水下管汇参数见表2，根据吊机特性曲线中的载重量、工作半径和起升高度确定管汇的吊点位置，并确保吊放过程中管汇与吊机和船体之间有足够的间隙。根据DNV-RP-C205规范[12]选取管汇的水动力参数：对于平底结构，其砰击系数Cs应不小于2π；对于长宽比为1.25的平板结构，其垂向附加质量系数CA可取为0.642；对于雷诺数Re＞104的平板结构，其垂向拖曳力系数Cd可取为1.9。

表1 工程船和起重设备参数

表2 水下管汇参数

作业船舶配备有动力定位系统，作业过程中动力定位系统开启，船体在平面内的运动受限，可简化为只考虑平面外的运动，即升沉、纵摇和横摇。船体在波浪入射角为0°、15°和30°时的升沉、纵摇和横摇RAO见图1～图3。基于船体升沉、横摇和纵摇RAO计算臂头垂向运动RAO，分析吊臂臂头的运动特点，计算式为

式(10)中：ctη为臂头垂向运动幅值；3η为船舶升沉运动幅值；4η为船舶横摇运动幅值；5η为船舶纵摇运动幅值；b为臂头与船中心线的水平距离；l为臂头与船中横剖面的水平距离。

分别计算船舶迎浪和波浪与船首成0°、15°和30°情况下的臂头垂向运动RAO，结果见图4。

图1 波浪与船首成0°角时的运动RAO

图2 波浪与船首成15°角时的运动RAO

图3 波浪与船首成30°角时的运动RAO

图4 吊臂臂头垂向运动RAO

从图4中可看出：当波浪周期为16.4s时，臂头的垂向运动达到峰值；尤其是当波浪与船首成30°角时，臂头的垂向运动幅值达到2.8m。因此，当在作业过程中遇到该周期成分较多的波浪时，需格外注意。

在OrcaFlex中建立的仿真模型见图5，吊机与船体刚性连接，钢丝绳采用Line单元模拟，其顶端通过一个Winch单元与船上的吊机相连，底端加入一个用来模拟吊钩的3D Buoy，并将其与管汇吊索连接。由于管汇防沉板的面积较大，模型中采用8个相互衔接的6D Buoy模拟防沉板，用于细化波浪中的防沉板不同位置触碰水面时引起的水动力载荷。模拟过程从管汇距水面以上3m开始，至海水完全浸没管汇为止，吊机以0.15m/s的速度匀速下放管汇，整个入水过程采用时域方法进行动态模拟。

选取波浪方向为迎浪，并与船首成15°角；波浪平均过零周期Tz的取值范围为3～13s，以1s为单位递增；波浪有义波高Hs的取值范围为0.5～4.0m，以0.5m为单位递增。由此得到75种随机波浪工况，计算钢丝绳的张力变化情况，根据式(9)计算得到不同有义波高Hs下的动态放大系数，并绘制动态放大系数随波浪周期Tz的变化曲线，结果见图6，其中：横线表示允许动态放大系数1.3；横线以下的部分为推荐的作业窗口。

图5 OrcaFlex仿真模型

4 影响因素分析

在实际吊装作业过程中，管汇的结构、作业设备和吊装方法已基本确定，若要降低作业风险，可通过选择在有利的海况下作业和选择合适的吊放速度来达到减小动载荷的目的。在此之前，需明确波浪因素和下放速度对钢丝绳拉力的影响，以指导实际作业。由图6可知，大部分情况下相同波浪周期对应的波高越高，钢丝绳受到的最大拉力越大，而波浪周期对钢丝绳拉力的影响无明显变化规律，故本文通过选取几种典型的随机波列模拟不同下放速度下钢丝绳的受力过程，并进行拉力最大值及其出现时间对比。

图6 动态放大系数对比曲线

图7为Hs=2m、Tz=6s时根据JONSWAP谱产生的随机波列（随机波列1）。分别计算下放速度为0.1m/s、0.2m/s和0.5m/s时钢丝绳拉力随时间的变化情况，并统计最大拉力值和出现时间，结果见图8和表3，其中出现时间在图7中按从右到左的顺序用竖线表示。

图7 随机波列1

图8 随机波列1对应的钢丝绳张力变化曲线

表3 随机波列1对应计算结果

由表3可知：在随机波列1的作用下，0.1m/s下放速度下的钢丝绳最大拉力值比0.2m/s和0.5m/s下放速度下的钢丝绳最大拉力值大，且呈现出下放速度增大，最大拉力减小的趋势；最大拉力的出现时间均在波谷附近，其中在下放速度为0.5m/s的情况下，最大拉力出现时管汇还未入水；钢丝绳在下放速度为0.1m/s和0.2m/s时均出现了松弛现象。

图9为Hs=2m、Tz=10s时根据JONSWAP谱产生的随机波列（随机波列2）。分别计算下放速度为0.1m/s、0.2m/s和0.5m/s时钢丝绳拉力随时间的变化情况，并统计最大拉力值及其出现时间，结果见图10和表4，其中出现时间在图9中按从右到左的顺序用竖线表示。

图9 随机波列2

图10 随机波列2对应的钢丝绳张力变化曲线

表4 随机波列2对应计算结果

随机波列2与随机波列1相比，波浪周期增大。由表4可知，在随机波列2的作用下，随着下放速度的增大，最大拉力有减小的趋势，最大拉力均在波谷附近出现，与表3所示的结果相比，0.1m/s和0.2m/s下放速度下的钢丝绳最大拉力减小，且均未出现松弛现象。

图11为Hs=0.5m、Tz=10s时根据JONSWAP谱产生的随机波列（随机波列3）。分别计算下放速度为0.1m/s、0.2m/s和0.5m/s时钢丝绳拉力随时间的变化情况，并统计最大拉力值及其出现时间，结果见图12和表5。

图11 随机波列3

图12 随机波列3对应的钢丝绳张力变化曲线

表5 随机波列3对应计算结果

随机波列3与随机波列2相比，仅波高下降。由图12可知，随着下放速度的增大，入水过程中钢丝绳拉力减小更迅速。由表5可知，在随机波列3的作用下，钢丝绳最大拉力均出现在入水之前，与随机波列2相比，波高的下降使得入水时波浪对钢丝绳拉力的负面影响减小，因此拉力均处于较低的水平。

5 结 语

水下生产设施在吊放入水过程中会受到砰击力和波浪激励力等多种载荷的作用，本文通过采用OrcaFlex软件建模并进行时域模拟分析，确定了结构在入水过程中受到的动载荷的大小，并通过避免吊装作业过程中出现松弛现象和对动态放大系数进行校核，得到了吊装作业窗口，不仅有利于对吊装作业中的风险进行评估，而且能更加灵活地掌握工程船作业时机。

通过在3种随机波列下模拟不同下放速度的钢丝绳受到的拉力可知：

1) 波浪对吊装作业入水阶段的动载荷的影响随着波高的升高而增大，波高越高，越容易引起吊机钢丝绳过载，应尽量选择在低浪高时进行作业；

2) 波浪周期不是影响钢丝绳拉力的决定性因素，但在波高相同的情况下，波浪周期的增加（即波陡减小）使吊物入水时与波浪的作用更缓和，在长周期波浪下作业相比在短周期波浪下作业更有利；

3) 吊物下放速度减小有可能会使动载荷增大，该现象与静水中的情况不符，因此实际作业时不能盲目通过减小下放速度来减小动载荷。