基于OrcaFlex的坐底式海底潜标释放系统运动仿真分析

钟 超，陆敬安，梁前勇，顾海峰

(1.中国地质调查局 广州海洋地质调查局，广东 广州 510075；2.中国地质调查局 天然气水合物工程技术中心，广东 广州 510075；3.天然气水合物勘查开发国家工程研究中心，广东 广州 510075；4.中天海洋系统有限公司，江苏 南通 226010)

1 引 言

海底潜标作为现代海洋离岸监测的重要基础设备，能够自主实时对海洋水文、气象等要素进行全方面连续的监测，是海洋其他诸多探测手段在时空上的延伸拓展[1-3]。坐底式海底潜标底座采用开放式设计，不会堵塞海底气体泄漏通道，且能适应更广泛的海底底质类型，尤其是海底天然气水合物赋存区，受固定锚的作用可锚定于特定的海底位置，获取海底边界层位海洋物理及海洋化学基线数据，能科学指导海洋天然气水合物的勘探开发[4]。因此，顺利回收坐底式海底潜标尤为重要，通常通过海上调查船甲板单元启动声学应答释放器释放压载锚，海底潜标会在自身浮力下浮出海面，后续被发现、打捞至船上。坐底式海底潜标在释放上浮的过程中，可能受海洋洋流、海面风速等影响，导致上浮轨迹发生偏移，待浮出水面后远离海上调查船只安全打捞范围，出现延迟回收、甚至失踪丢失等问题。

目前关于潜标布放的水动力性国内外做了大量研究，2012年，倪佐涛等[5]针对石油平台上的海洋环境动力检测,设计了一套有缆潜标系统,并进行了现场布放。2014年，张洋等[6]考虑潜标系统各部分的水动力作用和系留索的弹性变形,通过OrcaFlex时域模拟海洋潜标系统，采用浮标先行投放法的布放过程,计算了潜标系统布放过程中的动态响应,并分析了波高、作业船速度和系留索弯曲刚度对布放的影响。2016年，葛德宏等[7]针对一种可实现自动分离、锚泊的一体化潜标,开展布放运动与定深控制研究。2017年，脱浩虎等[8]采用OrcaFlex软件建立了1 500 m水深时采油树下放安装过程的数值模型，研究了不同海流、波浪环境因素对钻杆的偏移和受力的影响。2018年，Wang Y. Y.等[9]利用OrcaFlex 软件研究了海流、波浪环境下1 500 m水深水下管汇安装工艺流程中钻杆的受力情况。确保顺利回收是坐底式海底潜标从国产化到实际应用过程中必须解决的问题，为此，本文以大型水动力分析软件OrcaFlex 为平台对坐底式海底潜标释放上浮过程进行了模拟仿真，针对坐底式海底潜标和整体释放回收过程分别建立了有限元分析模型。通过设计系统及环境参数，完成了坐底式海底潜标释放回收过程中受力分析及动态响应计算，为坐底式海底潜标系统的设计研发和回收作业提供指导。

2 模型平台选择

OrcaFlex软件由英国Orcina 公司开发，是一款可进行各种海洋工程结构动态分析的软件，应用范围包括各种立管、锚泊系统、拖曳系统、浮式结构设计及施工分析等，具有VESSEL、LINE、6D BUOYS、3D BUOYS、WINCH、LINK 和SHAPE 共7种不同类型的单元，这些单元可模拟各种类型管道、铺管船、立管、浮体结构等设施，为悬链线系统如钢悬链式立管、柔性立管和脐带电缆，在波浪、海流荷载以及外部强迫运动的作用提供了快速精确的分析方法。由于其良好易用的图形用户界面及强大的批处理功能，OrcaFlex 为全世界海洋工程设计者所青睐[10-16]。

3 坐底式潜标水下释放过程动力学模型

本项目研究的坐底式海底潜标系统可工作于海底2 500 m处，能够长期、连续、定点观测近海底物理、化学参数及海洋剖面信息等。系统可根据设定时序控制传感器上电工作，采集相关测量数据，并进行存储。完成预定任务后，海面船只通过甲板单元向声学应答器发送释放代码，潜标与压载锚脱钩完成上浮回收。待潜标完成上浮后，调查船只航行到潜标附近进行打捞。海底潜标结构如图1所示。

图1 坐底式海底潜标结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the bottom-supported submersible buoyant

3.1 水动力分析模型构建

采用专业海工计算软件OrcaFlex，模拟坐底式海底潜标被钢缆下放至距海底50 m左右后，调查船只向水下钢缆释放结构发送释放代码，钢缆与潜标脱钩，潜标自由下落完成投放，在完成预定的测量任务后，调查船只甲板单元向水下潜标释放结构发送释放代码，潜标与压载锚脱钩，潜标在自身浮力作用下上浮回收的过程。海底潜标相关参数见表1和表2。

表1 坐底式海底潜标结构框架参数

表2 坐底式海底潜标系统参数

结构框架采用不锈钢316钢管焊接而成，如图2所示，分为上层框架、下层框架和保护框架三部分组成。其中平时储存、运输及维护调试时均可以分别进行。上层、下层框架之间采用螺钉连接，可在下层框架完成设备安装后再起吊安装上层框架。

图2 结构框架示意图Fig.2 Structural frame diagram

浮力材料采用玻璃微珠固体浮力材料，如图3所示。密度0.48 kg/L，长度1 150 mm，宽度1 150 mm，高度700 mm，最大使用深度2 000 m。浮力材料空气重量336 kg，水下正浮力365 kg。在固体浮力材料四角有安装吊环螺钉的螺纹孔，可以连接吊环螺钉进行辅助起吊，该辅助起吊用于浮力材料安装使用。

图3 浮力材料示意图Fig.3 Schematic diagram of buoyant material

抛载锚为Q235材质，整体示意图如图4所示。通过连杆机构连接压载锚及释放器，空气重量为330 kg，水下重量为290 kg。

图4 抛载锚示意图Fig.4 Schematic diagram of dropping anchor

3.2 环境参数设计

设置海平面位置，运动黏性系数，海水温度，雷诺数计算方法，设置海水密度为 1 025 kg/m3，是恒定不变的。具体如表3所示。

表3 模拟动力环境系数

设置海底形状，海水的深度、斜度以及海底土壤的刚度系数，其中海底斜度和海底方向都是相对于总体坐标系而言，具体如表4所示。

表4 模拟海底环境系数

OrcaFlex中给出的风和流力的计算方式是根据特定模型试验得到的无量纲系数结合OCIMF给出的公式来确定的。采用流函数法(Stream Function Order，SFO) 为10[17]，调研统计了中国南海海浪信息。在设置环境参数时参考海浪信息统计，设置波高1.8 m，波周期7 s，洋流流速1 m/s。

3.3 潜标系统参数设计

整个系统采用3D单元构建潜标，空气中质量1.25 t左右，体积0.957 m3，拖曳面积0.598 m2、0.736 m2、2.08 m2，总体框架模型采用3D单元构建，潜标浮力材料与框架之间钢缆采用LINK单元模拟，该单元是具有弯曲刚度和轴向刚度的质量弹簧系统。线单元是灵活的线性单元，可以用于模拟电缆、锚链和其他相似的结构，本身不具备质量和水动力属性，用于连接任意的两个点，并传递拉力/压力，常用于模拟钢丝绳[12]。如图5所示。设置潜标系统下放至海底后，LINK单元释放浮力材料。

图5 潜标系统模型Fig.5 Submarine system model

3.4 潜标系统回收上浮过程受力分析

OrcaFlex整个水动力分析包括静态和动态两部分。静态分析部分主要有两个作用：①分析系统结构在重力、浮力和水流黏滞力作用下是否达到静态平衡；②为潜标系统提供一个初始状态。

动态分析是从静态分析提供的稳定状态开始进行运动模拟，它包括自建阶段和模型保持分析阶段[18]。自建阶段是系统运动由0逐渐增加到所给值的阶段，这个阶段需要一个波长的时间，自建阶段后，模型就可以进入保持分析阶段。动态模拟计算，采用显式计算方法，在每个时间步长计算系统的几何形态[19]，充分考虑了几何非线性因素，包括波浪载荷和接触载荷等的空间变化。运动方程的求解采用定步长显式向前 Euler积分，初始模型参数通过静态分析获得，计算每个自由体和节点的力和力矩[20,21]。

4 潜标系统上浮过程水动力学响应及仿真结果

模拟潜标完成投放后自由下落至海底，如图6所示。模拟接收到释放信号后，抛载锚与潜标主题框架分离，潜标依靠自身浮力上浮至海面，如图7所示。

图6 潜标被钢缆下放至海底Fig.6 The submersible lowered to the seabed by steel cable

图7 潜标被释放后上浮至海面Fig.7 The submersible floats to the surface after being released

由图8、图9潜标依靠自身浮力上浮过程速度、加速度可知，潜标主体结构的加速度从3 m/s2减小至0，而速度从0增加到2 m/s后在海流海浪及自身重力作用下达到平衡，以近似匀速运动至海面，达到海面后速度减小至0。

图8 潜标主体结构上浮过程速度时程变化Fig.8 Time-course change of speed during the ascent of the main structure of the submersible buoy

图9 潜标主体结构上浮过程加速度时程变化Fig.9 Time-course change of acceleration during the ascent of the main structure of the submersible buoy

由图10潜标主体结构上浮过程垂直位移可知，从海底2 000 m上浮至海面用时1 080 s，大约18 min。由图11潜标主体结构上浮过程水平位移可知，在1 080 s时间内，水平位移约为70 m。

图10 潜标主体结构上浮过程垂直位移Fig.10 The vertical displacement of the main structure of the submersible tender during the ascent

图11 潜标主体结构上浮过程水平位移Fig.11 The horizontal displacement of the main structure of the submersible tender during the ascent

综上，潜标被释放后主体结构上浮时间约18 min，上浮速度约2 m/s，因受洋流影响，上浮过程水平位移约70 m。

5 海试应用

通过海试，完成了坐底式海底潜标系统的“投放-回收”测试，结果如下：

设备投入海底之后，可以通过声学释放器甲板控制单元给潜标上安装的两套释放器发送释放命令，以期完成回收。潜标所在位置水深大概为1 800 m，完成上浮至水面用时大约17 min，基本符合模拟结果。浮出水面后立刻被调查船上人员瞭望发现，目测与调查船的距离在50 m左右，表明潜标在上浮过程产生的水平偏移距离在安全可控范围内，后续完成打捞回收。回收现场如图12所示。

图12 海底潜标回收现场Fig.12 Submarine submersible recovery site

6 结 论

本文通过大型水动力分析软件OrcaFlex，根据坐底式海底潜标系统规格尺寸和实际环境参数进行了建模，分析其在海底释放后自由上浮过程中主体的运动响应，主要模拟了海底潜标主体上浮过程速度、加速度时程变化及垂直、水平方向位移变化，模拟情况与实际海试结果进行了对比，得出以下结论：

1)基于OrcaFlex软件中典型的模型单元对坐底式海底潜标释放上浮过程进行了模拟仿真，结合系统实际参数及海况设计了软件模拟环境参数，完成了坐底式海底潜标释放回收过程中速度、加速度时程变化及垂直、水平位移分析，结果表明,海底潜标在2 000 m水深处被释放后约18 min上浮至海面，上浮速度约2 m/s，因受洋流影响，上浮过程水平偏移量约70 m。

2)通过海试验证，海底潜标系统在水深2 000 m处被释放后在18 min内完成上浮，浮出水面后在调查船附近被发现打捞，目测海底潜标出水位置与调查船距离约50 m，海试验证结果与模拟结果基本一致。

3)通过“软件模拟+海试验证”思路，验证了海底潜标系统浮力部分设计方案的可行性和合理性，经模拟及海试验证，潜标在释放回收过程中产生的偏移距离在安全、可控范围内，保障了海底潜标系统和海洋观测数据回收安全性，为海洋天然气水合物勘查开发提供了基本数据支撑。

致谢

感谢海洋地质六号调查船所有航次的工作人员给予的帮助。