不同浪向下防喷器下放过程中导引绳系统的动力学响应

2022-01-10张大朋赵博文王自发

石油工程建设 2021年6期

张大朋，严谨，赵博文，王自发

1.广东海洋大学海洋工程学院，广东湛江 524088

2.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021

3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300456

防喷器（Blow Out Preventer）又可被简称为BOP。在现有的研究成果中，张跃峰等人论述了防喷器控制装置在海洋油气开发中的重要作用并展望了其研发与应用前景[1]；赵欣欣等人对防喷器在位运行时的温度场进行了仿真，得到了防喷器不同位置的温度场分布情况[2]；顾和元等人对防喷器控制系统的可靠性进行了研究，通过实验验证了该装置的安全性与可靠性[3]。综合以上研究发现，当前对防喷器下放过程的分析较少。

张大朋等人分析了特定海况下防喷器下放过程的动力学特性，但对于环境载荷的变化考虑不足，且没有对导引绳在防喷器下放过程的能量传递特性进行研究[4]。海洋环境的改变，尤其是浪向的改变对于导引绳系统的动态响应有着非常重要的影响，而国内外对于浪向改变时导引绳的动态响应研究较少。为了保证不同浪向下防喷器在下落过程中的安全，有必要对不同浪向下限制引导防喷器下落的导引绳系统的动力学特性进行进一步研究与分析，并对防喷器下放过程中导引绳上的能量传递情况进行分析。针对这种情况，本文结合防喷器下放的具体过程，建立了不同浪向下防喷器下放过程中导引绳系统的动力学分析模型。通过对计算结果的归纳总结，得到了一些不同浪向下对于防喷器下放过程有价值的结论以及导引绳在防喷器下放过程中受到的碰撞能量在导引绳上的传递情况，对于合理选择防喷器作业海况、保证防喷器的安全下放、对导引绳相关参数的合理设置、进一步延长导引绳在位运行的寿命以及减缓导引绳所受到的疲劳损伤都有着一定的指导意义。

1 在OrcaFlex中防喷器与导引绳水动力特性的计算原理

导引绳属于典型的海洋挠性构件，对于导引绳采用凝集质量法进行建模，把导引绳视为有限个微段，每个微段的质量和流体作用力等均凝集在使用线性或非线性弹簧连接的节点上。被离散为凝集质量模型的导引绳，由若干个分段和节点组成，其中分段为连续、无质量的，节点处于各分段终点处且集中了两个相邻分段各一半的质量，力和力矩都作用于节点上[5-13]。关于凝集质量法的详细推导情况，笔者在文献[14]及专著[15]进行了详细的推导，这里不再展开。防喷器在OrcaFlex中可以被看做是6自由度的Spar浮标，通过将相关的水动力特性参数及几何尺寸赋予Spar浮标后即可对防喷器的水动力特性进行计算。

2 在OrcaFlex中防喷器下放过程中导引绳系统动态模型的建立

在低海况下，钻井船的波浪载荷响应依据其位移RAO进行计算。防喷器下放过程中导引绳系统模型如图1所示，在防喷器下放过程中，由于外在水动力载荷的作用，防喷器会发生平动与转动，依据其外在几何尺寸对防喷器进行建模，将防喷器水动力参数赋予6D浮标，以便在仿真过程中尽量保持外在水动力载荷对防喷器响应的真实性。具体几何参数及防喷器水动力参数以及具体参数设置可参见文献[4]。

图1 防喷器下放过程示意

具体海况为：水深为234 m，海床类型为平坦海床，海水密度为1 025 kg/m3。根据参考文献[16]中得出的结论可知，依据斯托克斯五阶波的计算理论计算出的结果更加保守，可以提高实际工程的安全裕度。因此，波浪的类型选择斯托克斯五阶波，波高为4 m，周期为8 s。波浪方向为0°～90°，每隔15°取一个浪向。

3 计算结果

3.1 不同浪向下防喷器下放速度的变化（见图2）

观察图2发现，浪向的改变主要影响的是防喷器在初始下放阶段的下放合速度V。进一步观察图2中的分速度曲线发现：浪向的改变对于防喷器下放过程中在水平方向的两个分速度Vx和Vy的影响较大，也正是这两个方向上分速度的改变导致了防喷器下放合速度的改变，且这种影响也是在防喷器下放的初始阶段较为明显；但浪向的改变对防喷器下放过程中垂直方向的分速度Vz的影响不大，不同浪向下防喷器垂直方向的分速度Vz的时域曲线高度重合。

对于防喷器水平方向的两个分速度Vx和Vy来说，发生最大速度波动时的浪向是不同的。对于Vx来说，在浪向为30°时其速度在初始阶段波动最大；但对于Vy来说，在浪向为60°时其速度在初始阶段波动最大。这也告诉我们，当浪向变化的范围为0°～90°时，在防喷器下放的过程中，存在着两个倾斜浪向会对防喷器下放的水平方向的两个分速度影响较大，会导致在下放初始阶段防喷器水平方向分速度过大。因此，在实际工程实践中，应通过合理调节平台与波浪的相对位置尽量避开这两个浪向以进行防喷器的下放作业，从而提高海上施工作业的安全裕度。换言之，浪向的改变通过影响防喷器在水平方向的运动速度进而影响防喷器下放的总的平动速度。

3.2 不同浪向下导引绳张力的变化（见图3）

图3 不同浪向下导引绳的张力变化

观察图3可以发现：随着浪向的改变，导引绳系统承受的有效张力T的分布情况发生了明显的变化；不同浪向下，导引绳系统承受的最大有效张力在导引绳2和导引绳3之间交替变换；不同浪向下，导引绳系统承受的最小有效张力在导引绳1和导引绳4之间交替变换。且进一步观察可发现：在15°～75°浪向下，导引绳1和导引绳4承受的有效张力在每一个时间步上基本相差不大；在0°和90°浪向下，导引绳1和导引绳4承受的有效张力在每一个时间步上会有较为明显的差别。在0°～90°的浪向区间范围内，对于整个导引绳系统承受的最大有效张力而言：当浪向为0°和90°时，导引绳系统中承受最大有效张力的导引绳为导引绳2；当浪向为15°～75°时，导引绳系统中承受最大有效张力的导引绳为导引绳3。

各个导引绳的有效张力在初始阶段发生小幅度急剧变化后迅速稳定，达到稳定后在时域上周期性波动，且各个导引绳的张力波动周期相同、变化步调一致，不存在相位滞后。这种张力周期波动的相同性与步调的一致性有助于提高整个挠性系统的协调性与稳定性，可以保证防喷器以相对较为垂直的姿态平稳下放到海底。

3.3 不同浪向下导引绳接触碰撞力的变化（见图4）

图4 不同浪向下导引绳接触碰撞力的变化

观察图4可以发现，随着浪向的变化，对于导引绳系统中的某一根导引绳来说，沿导引绳长度方向其承受的最大接触碰撞力的曲线是不同的。这说明浪向发生改变对导引绳承受的接触碰撞力影响是比较大的。观察最大接触碰撞力沿某一导引绳长度方向的分布情况发现：沿导引绳长度方向自上而下承受的最大接触碰撞力是不同的，且越靠近顶端导引绳承受的最大接触碰撞力越大；不同浪向下，均存在最大碰撞力为0的区域，这些区域一般情况下（90°浪向除外）是沿导引绳长度方向不连续的离散分布；而当浪向为90°时，各个导引绳在25～230 m长度范围内的最大接触碰撞力均为0，这说明在90°浪向下，当防喷器脱离顶端入水后，4个接触环与各个导引绳几乎均未发生碰撞或接触，防喷器沿着导引绳系统光顺下滑至海底。

接触碰撞力的标准差大小反映了接触碰撞力在时域上波动起伏的剧烈程度，接触碰撞力标准差越大，则碰撞的程度越急剧猛烈。观察导引绳接触碰撞力标准差沿导引绳长度方向的分布情况可发现，导引绳接触碰撞力标准差大的部位与最大接触碰撞力的分布区域存在大幅度重合，这说明导引绳接触碰撞力较大的区域也是导引绳与防喷器的接触环碰撞较为急剧猛烈的区域。

结合防喷器下放速度及接触碰撞力计算结果可知，90°浪向是防喷器下放的最佳浪向。

3.4 不同浪向下导引绳与接触环碰撞能量的变化（见图5）

图5 不同浪向下导引绳与接触环碰撞能量的变化

结合图4再观察图5发现：不同浪向下，导引绳与接触环发生碰撞时，碰撞能量的最大值都集中在导引绳的接触碰撞力最大值所在区域，这说明导引绳的接触碰撞能量与其承受的碰撞形式密切相关。浪向的变化不仅会导致导引绳承受的碰撞力的大小发生变化，也会导致导引绳的接触碰撞能量发生变化。这是由于导引绳在某一节点承受的碰撞力的大小直接影响其速度大小，而碰撞速度所导致的节点动能是碰撞能量最主要的表现形式。由此可见，碰撞能量的大小也反映了导引绳碰撞后各个节点的碰撞动能分布情况。因为接触碰撞能量比较小，故而导引绳各个节点碰撞后的动能是比较小的，所以导引绳与接触环碰撞所导致的导引绳的运动速度是非常小的，这也是符合工程经验的。如果碰撞导致导引绳发生较大速度的平动运动和抖动，那么防喷器是无法顺利下放的。

3.5 不同浪向下导引绳曲率的变化（见图6）

图6 不同浪向下导引绳曲率的变化

由于导引绳为挠性构件，如果发生局部弯曲过大，对于防喷器的下放会起到阻碍作用，因此要避免防喷器下放过程中导引绳局部弯曲过大的情况出现。观察图6发现，不同浪向下各个导引绳的曲率沿长度方向的数值数量级均很小（10-5），因此不同浪向下各个导引绳的弯曲半径的数量级为105，这说明不同浪向下各个导引绳自上而下各个部位几乎均未发生弯曲，可以认为各个导引绳整体上处于竖直的状态，这对于防喷器的下放是有利的。

对比观察图4与图6发现，导引绳曲率较大的部位也是导引绳受到碰撞力较大的部位，这说明导引绳与防喷器接触环之间的碰撞导致了导引绳小幅度弯曲的发生。