导管架平台双船浮托法安装的数值模拟与水池试验

李新超

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

浮托法又可划分为单船浮托和双船浮托，这两种方法的区别是承载驳船的数量[1-2]。目前单船浮托法，包括常规单船、T型驳船、动力定位船等多种浮托安装方法，在我国工程实例更是多达20余项。双船浮托法是采用两条驳船托举上部组块，并从两侧驶入平台区域，到达预定设计位置后，下放上部组块至下部结构，从而完成上部组块安装作业，相对与单船浮托，平台的下部结构不需要设计进船槽口，所以设计要求相对较低。为全面掌握双船浮托法安装设计技术，以我国某海域重量为1万t的导管架平台上部组块为例，分析双船浮托安装过程，从中选择6个典型工况，采用数值分析和水池试验两种方法分析驳船和上部组块的运动以及各结构的受力。

1 导管架平台双船浮托安装简介

在双船浮托安装前，需要在陆上建造上部组块并完成设备调试，从建造场地转移到运输驳船上，选择合适的气候窗口，运输上部组块到目标海域。双船浮托安装海上作业主要包括过驳作业和双船浮托作业2个阶段。

过驳作业阶段，运输船(驳船C)采用锚泊系统定位，两浮托船(驳船A和驳船B)在绞车，定位拖轮等设备辅助下逐渐向运输船靠拢，并通过横向护舷及纵向限位辅助定位，直至浮托船上LMU(leg mating unit，桩腿对接单元[3])与上部组块外侧插尖相对齐；两艘浮托船和运输船同步压排载，保持两浮托船吃水，逐步增加运输船吃水，使上部组块插尖与LMU逐渐对接，将上部组块的重量由运输船转移到两艘浮托船上；继续增加运输船吃水，直至上部组块内侧插尖与运输船上DSU(deck support unit，甲板支撑结构)垂向间隙达到设计值，在绞车和拖船的辅助下逐渐从两浮托船区域退出。

双船浮托作业阶段,两浮托船在绞车，定位拖船等设备辅助下逐渐向导管架靠拢，并通过横向护舷和纵向限位准确定位，直至上部组块内侧插尖与导管架上LMU对齐；两浮托船同步压载，将上部组块重量由两艘浮托船逐步转移到导管架；继续压载，直到浮托船上LMU与上部组块外侧插尖垂向间隙达到设计值时，停止压载，在绞车和拖轮的辅助下逐渐从导管架区域退出。见图1。

图1 双船浮托法安装过程示意

双船浮托安装过程中，两浮托船通过LMU A托举上部组块，LMU A采用半球形凸出和半球形接收器配合，能够有效释放双船浮托安装过程中由于两艘浮托船运动不同步引起的弯矩，从而更好地保护上部组块和浮托船结构[3]；运输船通过DSU托举上部组块，根据双船浮托的特点，采用一种多用途DSU结构；上部组块与导管架之间通过LMU B相连，其一端为锥形或半球形凸出，下部接收器中有减震装置，在对接时，能够减缓水平和垂向的碰撞力。

在双船浮托安装作业中，运输船和两浮托船的侧向偏移不宜过大，以免运输船和两浮托船以及两浮托船与导管架产生较大的碰撞，船舶垂向运动也需要控制，以免幅度过大，导致碰撞载荷超过LMU或DSU的设计能力；另外，上部组块的插尖与LMU接收器的相对运动必须小于接收器的捕捉半径，如果插尖从LMU接收器脱出，将导致浮托安装失败。因此，需要通过对双浮托过程中船舶和上部组块的运动，LMU和DSU的受力进行研究分析，准确预报。LMU和DSU结构见图2。

图2 LMU和DSU结构

2 数值模拟

2.1 环境条件

如表1所示，参考常规单船浮托，选取3种海洋环境参数作为双船浮托法安装的设计海况，设计水深15 m。

表1 海洋环境参数

2.2 船舶参数

根据上部组块尺寸和重量选取载重量为18 000 t的驳船C作为运输船，选取载重量为16 000 t的2艘姐妹船驳船A和驳船B作为浮托船，驳船及上部组块的主要参数见表2。

表2 驳船与上部组块主要参数

运输船上布置6个DSU、2浮托船上布置6个LMU A、导管架上布置6个LMU B，分为上下两排，每排3个，见图3。

图3 LMU和DSU布置

通过对整个双船浮托法安装上部组块流程的剖析，选取表3所示的6个典型工况进行分析。

在设计探究活动时建议增加一个标题，用标题概括该活动的探究主题。同时，要写明该活动需研究的问题，围绕标题逐层设问，让学生的探究更加连贯和深入。

表3 双船浮托工况设置

2.3 建模与求解

运输船及浮托船的水动力模型见图4，采用WAMIT计算得到运输船及浮托船的水动力数据，并将其作为输入信息导入MOSES，通过非线性时域耦合分析船舶和上部组块的运动，LMU和DSU的受力。

图4 运输船及浮托船的水动力模型

3 水池试验

在天津大学建筑工程学院港口工程试验水池进行水池试验，模型缩尺比为1∶40。驳船模型材料为玻璃钢，加工的船模主尺度符合设计图纸要求，型线光顺，表面光滑流畅，并调整船舶模型的总重量，重心纵向位置、重心垂向高度，调整模型的转动惯量，与实船满足相似关系。

试验中按照0.05 Hz的采样频率记录所有的测量数据，并且所有工况的记录时间均在10 min以上(相当于实船1 h)，保证获得足够的数据进行统计分析和谱分析。

模型试验主要包括：港池的静水试验，规则波、不规则波中过驳对接、双船浮托对接试验，其中静水试验主要用于测量及校准系泊系统的刚度；由自由衰减试验得到驳船各自由度的固有周期；由规则波试验得到驳船各自由度的RAO；由不规则波试验得到不同工况下运输船、浮托船、上部组块、LMU和DSU运动和受力情况的测量数据。

模型试验过程主要测量船舶和上部组块六自由度运动；锚缆、LMU和DSU受力。模型试验中驳船、LMU和导管架的模型见图5。

图5 驳船、LMU和导管架模型

4 结果分析

频域分析和规则波试验分别得到了驳船六自由度运动和波浪力的RAO，波浪角频率范围0.01～1.50 rad/s并进行对比。对比发现，数值模拟和水池试验的结果变化趋势基本一致。运输船和浮托船在首迎浪工况下数值模拟和水池试验的RAO对比见图6、7，通过谱分析发现，驳船的纵荡有明显的低频运动特性，纵摇的峰值出现在角频率0.3 rad/s附近。

图6 过驳对接转移0%工况首迎浪运输船RAO

图7 双浮托对接转移0%工况首迎浪浮托船RAO

相同浪向不同工况的运输船和浮托船纵摇RAO见图8，比较发现：纵摇RAO的趋势基本相同，峰值会随吃水的增加向高频方向移动，幅值随吃水的增加增大。

图8 运输船及浮托船首迎浪纵摇RAO对比

运输船垂荡运动时域分析和不规则波试验的结果对比见图9。由图9可见，水池数值模拟和水池试验结果吻合较好，垂荡运动幅值的差别约为12%。

图9 首迎浪过驳预对接阶段运输船垂荡时历

首迎浪下，过驳预对接、转移0%和转移100%3个工况下的统计值结果见表4。由表4可见，运输船及浮托船的运动幅值均在许可范围内，锚缆最大张力为1 158.3 hN，满足安全系数的要求。

表4 过驳阶段模型试验与数值模拟结果的比较

过驳预对接过程中，上部组块LMU插尖与浮托船上接收端的水平相对运动在0.2 m左右，小于接收端的捕捉半径(0.5 m)，可以确保成功对接；另外，插尖垂向运动的最小值-0.33 m，而插尖与浮托船上接收端的静态垂向间隙为1.0 m，所以上部组块LMU插尖与浮托船上接收端没有发生碰撞。

重量转移0%，与预对接相比，驳船的纵摇运动幅值有所减小而纵荡和垂荡运动幅值有所增大，这是由于驳船、上部组块相互限制并且LMU内减震装置发挥作用。运输船上DSU垂向受力的时程见图10，DSU平均受力为30 500 kN，周期性地增加到33 000 kN或减小到28 000 kN左右；浮托船上LMU垂向受力的时程见图11，LMU垂向受力呈周期性的脉冲形状，最小值为0，瞬间的碰撞力可达5 000 kN。这是由上部组块插尖与浮托船上LMU接收端相互碰撞引起的，实际作业时，应着重关注瞬间的碰撞载荷，防止瞬时冲击力过大。

图10 首迎浪过驳对接转移0%工况下DSU受力模型试验与数值模拟结果的比较

图11 首迎浪过驳对接转移0%工况下LMU受力模型试验与数值模拟结果的比较

重量转移100%，相比转移0%，由于上部组块的完全由运输船转移到浮托船上，导致运输船的质量分布发生变化，进而运输船的运动幅值均有所增大。运输船上DSU垂向受力的时程见图12，浮托船上LMU垂向受力的时程曲线见图13，类似转移0%，DSU的受力最小值为0，瞬间的碰撞力可达5 200 kN左右；LMU平均受力为30 000 kN，周期性地增加到33 000 kN或减小到28 000 kN左右，实际作业时，应着重关注瞬间的碰撞载荷。

图12 首迎浪过驳对接转移100%工况下DSU受力模型试验与数值模拟结果的比较

图13 首迎浪过驳对接转移100%工况下LMU受力模型试验与数值模拟结果的比较

首迎浪下，双浮托预对接、转移0%和转移100%3个工况下的比较见表4。由表4可见，两浮托船的运动幅值均在许可范围内，锚缆最大张力为696.9 kN，满足安全系数的要求。

双浮托预对接过程中，上部组块插尖与浮托船上接收端的水平相对运动在0.21 m左右，小于接收端的捕捉半径(0.6 m)，可以确保成功对接；另外，插尖垂向运动的最小值-0.32 m，而插尖与浮托船上接收端的静态垂向间隙为0.8 m，所以上部组块插尖与导管架上LMU接收端没有发生碰撞。

转移0%，与预对接相比，驳船的纵摇运动幅值有所减小而纵荡和垂荡运动幅值有所增大，这是由于驳船、上部组块受到导管架的限制，并且LMU内减震装置发挥作用。浮托船上LMU垂向受力的时程见图14，平均受力为26 000 kN，周期性地增加到31 000 kN或减小到22 000 kN左右；导管架上LMU垂向受力的时程曲线，垂向受力呈周期性的脉冲形状，最小值为0，瞬间的碰撞力可达500 kN。

图14 首迎浪双浮托对接转移0%工况下浮托船上LMU受力模型试验与数值模拟结果的比较

转移100%，相比转移0%，由于上部组块的完全由浮托船转移到导管架上，导致浮托船的质量分布发生变化，进而浮托船的运动幅值均有所增大。导管架上LMU垂向受力的时程见图15，导管架上LMU平均受力为22 000 kN，周期性地增加到26 000 kN或减小到14 00 kN左右，浮托船上LMU的受力最小值为0，瞬间的碰撞力可达1 800 kN左右。

表5 双浮托工况下模型试验与数值模拟结果的比较

5 结论

1)分别采用数值模拟和模型试验方法模拟双船浮托安装上部组块过程，通过对比，二者在频域和时域上，吻合较好，所述数值模拟方法可用于双船浮托法工程项目方案设计。

2)驳船频域分析和规则波试验表明，纵荡具有明显的低频效应，纵摇峰值会随吃水的增加向高频方向移动，幅值随吃水的增加增大。

3)时域分析和不规则波试验结果表明，双船浮托过程中，预对接工况下上部组块插尖的水平运动在LMU接收端捕捉半径范围内，并且与浮托船接收端保持足够的垂向间隙；DSU最大受力为33 000 kN，浮托船上LMU最大受力26 000 kN，导管架上LMU最大受力16 000 kN，上述载荷可作为类似工程项目结构设计的初始载荷。

4)数值模拟和水池试验结果证明，采用双船浮托法安装1万t导管架平台上部组块具有可实施性。