双船浮托安装环境影响对比研究

【摘 要】本文参考某一Cell Spar平台模型，根据双船浮托法安装上部组块过程中重量载荷的转移特点，使用AQWA软件建立目标平台在安装过程中水动力模型。使用AQWA-Drift模块模拟浮托驳船、上部模块和平台主体三者以刚接连接时，不同均匀风风速、均匀流流速、有义波高、谱峰周期等环境变量在180°方向入射时对浮托安装模型中的平台主体的运动响应的影响，得到了其影响规律，为以后的研究提供参考依据。

【关键词】双船浮托；运动响应；环境变量；AQWA

0 引言

人类对石油资源的需求日益增加，陆上资源亦日趋枯竭，因此对海上油气资源的勘探及开发迫在眉睫。目前，世界各国都在大力发展海上钻井及采油平台技术，争取在即将到来的资源大战中占有有利地位。平台的海上安装一般有吊装法和浮托法安装两种，而传统的吊装法安装随着安装费用的提高、上部组块重量的增大以及平台结构的限制，其应用范围越来越受限。因此，浮托安装逐渐在海上安装中占据一席之地，在国内外得到广泛应用[1]。其中，双船浮托法安装作为浮托安装的一种，有着不受平台开口及吃水的限制、可以安装较大组块重量的优点，已然成为了平台海上安装的热点[2-4]。

1 基于AQWA的计算模型的建立

1.1 双船浮托安装计算模型的建立

本文以一座Cell Spar平台作为目标平台，平台主尺度参数见文献[5]，采用双船浮托法将其安装在我国南海某海域。使用双船浮托法安装上部模块时，浮托驳船分别置于平台主体的两侧，因而不会对驳船型宽和型深有所限制，因此，主要依据驳船的载重量和将要安装的上部模块的重量而选择。本文根据上部模块的重量选择国内某驳船作为左、右浮托驳船。浮托驳船与上部模块通过组块支撑装置（DSU）实现连接，在AQWA中，上、下两部分可以通过设置共同接触点的相对约束而实现不同方式的连接，从而达到驳船与上部模块之间采用刚性连接方式的目的。在浮托安装过程中，驳船与平台主体通过系泊系统实现定位，双驳船系统有4根锚链，锚链分为3段，组成“钢链-聚酯缆-钢链”形式；平台主体设有6根锚链，分为3段，组成为“钢链-钢缆-钢链”形式。具体浮托安装水动力计算模型如图1。

1.2 安装工况的海洋环境参数

根据参考文献，确定符合南海海域安装工况的环境参数。本文考虑风、浪、流同时作用对结构运动响应的影响，其中波浪选取JONSWAP谱，风为均匀风，流为均匀流。

对于JONSWAP波浪谱，波谱公式为：

时域运动的计算是通过AQWA-Drift模块来模拟的，模拟时间步长为0.1s，10000步，共1000s。

2 不同环境变量对浮托安装模型水动力性能的影响

Spar平台在使用双船浮托安装上部模块的过程中，浮托安装系统在风浪流的作用下会呈现比较复杂的运动特性，因此准确的预测浮托系统在不同环境载荷下的运动对于顺利安装实际工程的安全有至关重要的作用。下面分别从环境载荷风速、流速、有义波高和谱峰周期的四个方面进行分析对比。

2.1 不同风速对运动特性的影响

本文使用AQWA-Drift模块模拟平台在不同环境载荷中的运动响应，本小节以均匀风风速为环境变量，分析风速对平台运动响应的影响。以均匀风风速分别为7、8、10、12、14m/s为研究目标，取均匀风入射方向为180°。图2、图3、图4给出的是Spar平台在纵摇、纵荡以及垂荡方向上的运动比较。

从上面三个运动响应时程图中可以看出，均匀风风速的变化对平台的运动响应并没有影响，说明浮托安装过程中Spar平台的运动响应对风速的变化并不敏感。

2.2 不同流速对运动特性的影响

本小节以均匀流流速为环境变量，分析流速变化对浮托系统中平台的运动响应的影响。流速分别取了1.0、2.0和3.0m/s为研究目标，统一海流入射方向为180°。表1给出的是Spar平台在纵摇、纵荡以及垂荡方向上的运动响应的统计值比较。

从表1中可以看出：流速变化对平台的三个运动的运动响应的影响主要表现在纵荡上，流速为2.0m/s时，纵荡运动响应出现很大波动，纵荡运动响应最大值幅值比流速1.0m/s时增大了7倍多，增大幅度非常明显，说明系统的纵荡运动对流速的变化非常敏感。而平台的纵摇和垂荡运动响应对流速的变化表现并不明显。

2.3 不同有义波高对运动特性的影响

本文采用了JONSWAP波浪谱来模拟环境载荷中的入射波浪，在这一小节中以波浪的有义波高为环境变量，分析有义波高变化对浮托系统中平台运动响应的影响。分别取有义波高为1.0、1.5和2.0m为研究对象，统一波浪入射方向为180°。表2给出的是Spar平台在纵摇、纵荡以及垂荡方向上的运动响应的统计值比较。

根据表2可以得到：平台的运动响应根据波浪的有义波高的大小变化而变化，随着波高的增大，纵摇、纵荡以及垂荡运动响应也都分别增大。在1.0m和2.0m波高情况下，纵荡运动最大值增大了1.73倍。说明不仅波浪入射角度影响浮托安装平台运动响应，波高也对运动响应影响显著。

2.4 不同谱峰周期对运动特性的影响

本小节以波浪的谱峰周期为环境变量，分析周期变化对浮托系统中平台运动响应的影响。分别取周期为5、7和10s为研究对象，统一波浪入射方向为180°。表3给出的是Spar平台在纵摇、纵荡以及垂荡方向上的运动响应的统计值比较。

根据表3可以看到，波浪周期对平台的不同运动影响不同。在纵摇运动响应上，周期5s和7s的影响相差不大，基本重合，其响应明显小于T=10s时的运动响应；在垂荡响应上的变化幅度比较小，说明波浪周期对垂荡运动影响不大。

3 总结

本文分析了在浮托安装过程中刚性连接浮托驳船与上部模块时，改变驳船与平台主体之间间距以及风浪流环境参数对载荷卸载过程中的驳船与平台的运动响应的影响。驳船与主体之间的有效距离分别取8m、9m和10m为研究变量，分析平台主体的运动响应。分别改变均匀风的风速值、均匀流的流速值、入射波浪的有义波高和谱峰周期来分析环境荷载的变化对浮托安装的影响规律，为以后的浮托安装优化设计提供一定的参考依据。

【参考文献】

[1]张劲松.拉力千斤顶浮装法在海洋平台安装中的应用[J].石油工程建设，2009，35（1）：23-25.

[2]魏洪斌.Spar平台上部组块就位过程多浮体结构动力分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[3]李西亮.双船浮托安装中多浮体水动力性能及运动响应研究[D].青岛：中国海洋大学，2013.

[4]Alan M. Wang， Xizhao Jiang and Changsheng Yu. Lastest progress in floatover technologies for offshore installations and decommissioning[Z]. Proceeding of the 20th International Offshore and Polar Engineering Conference， Beijing， China， 2010，1：9-20.

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[6]Arcandra Tahar， John Halkyard， Atle Steen， Lyle Finn. Float over installation method-comprehensive between numerical and model test results[Z]. Proceedings of 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering， Hambug， Germany， 2006， 128： 256-262.

[7]Lee O’Neill， Emmanuel Fakas，Mark Cassidy. A methodology to simulate floating offshore operations using a design wave theory[Z]. Proceeding of 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Ennineering， Hambug， Germany， 2006， 128：304-313.

[8]许鑫，杨建民，吕海宁.导管架平台浮托法安装的数值模拟和模型试验[J].上海： 上海交通大学学报，2011，45（4）：439-445.