許 南， 王 飚， 王 磊， 周昕達(dá)

(海洋石油工股份有限公司， 天津 300452)

基于動力定位方法的浮托安裝模型試驗研究

許 南， 王 飚， 王 磊， 周昕達(dá)

(海洋石油工股份有限公司， 天津 300452)

動力定位系統(tǒng)可以使海洋結(jié)構(gòu)物保持在固定的位置或按照提前設(shè)置好的軌跡運(yùn)動，該文對某浮托安裝船在動力定位方法下的安裝過程進(jìn)行了模型試驗研究。試驗結(jié)果表明，動力定位方法應(yīng)用于浮托安裝的方案是可行的，模擬的進(jìn)船過程亦可為實際的海上操作提供參考。

動力定位；浮托安裝；模型試驗

0 引言

動力定位系統(tǒng)主要包括位置測量和傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推力系統(tǒng)和動力系統(tǒng)這四個子系統(tǒng)[1-3]。挖泥船、拖曳船、鋪管船和風(fēng)電安裝船等海洋工程工作船在各自作業(yè)時需要保持在一定的位置上，或者要按預(yù)先設(shè)定的軌跡精確移動，具備動力定位能力的船舶在全方位上都會有足夠的推力來進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和跟蹤。

海洋平臺浮托安裝法是相對于傳統(tǒng)的吊裝法而言的，傳統(tǒng)的吊裝法是利用海上浮吊等起重設(shè)備把上部組塊吊起后安裝到導(dǎo)管架上，而浮托法則是通過調(diào)節(jié)駁船的吃水差，利用浮力把組塊浮托安裝到導(dǎo)管架上。與吊裝法相比，浮托法避免了分塊吊裝造成的較為繁瑣的作業(yè)程序，減少了海上連接調(diào)試的時間，因而更適合超大、超重組塊的海上安裝。浮托安裝技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年，它通過海上安裝成功地將整體上部組塊安裝到不同的固定式結(jié)構(gòu)或浮式海洋平臺上[4，5]。浮托安裝法的基本步驟為：組塊滑移裝船、海上運(yùn)輸。由于外界環(huán)境對浮托法海上安裝作業(yè)影響較大，浮托安裝過程中，需要一些特定的設(shè)備與裝置來完成海上安裝。其中應(yīng)用動力定位的階段是海上安裝階段，應(yīng)用動力定位系統(tǒng)能使駁船順利進(jìn)入導(dǎo)管架并安全順利地實現(xiàn)荷載轉(zhuǎn)移。

該文針對動力定位在浮托安裝技術(shù)中的應(yīng)用開展模型試驗探究，為動力定位浮托安裝技術(shù)提供模型試驗依據(jù)。

1 坐標(biāo)系

該文中共涉及大地坐標(biāo)系(全局坐標(biāo)系)以及隨船坐標(biāo)系兩個坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系xEOyE中定義了風(fēng)浪流的來向以及船舶定位的位置。船舶隨船坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于重心，xb軸指向船艏方向為正，zb軸以豎直向上為正，yb軸以右手法則定義，即正方向指向船模左舷,正方向逆時針轉(zhuǎn)到風(fēng)浪流方向的夾角定義為隨船坐標(biāo)系下的風(fēng)浪流來向。模型試驗坐標(biāo)系和風(fēng)浪流方向定義如圖1所示。

圖1 模型試驗坐標(biāo)系和風(fēng)浪流方向定義

2 模型概述

2.1 駁船模型

根據(jù)工程設(shè)計方案，某駁船將被用于惠州25-8油田中心平臺上部模塊的運(yùn)輸和浮托安裝作業(yè)。從實驗室設(shè)備與該駁船的主尺度等方面考慮，確定模型縮尺比為1∶36。該駁船主尺度的實際值和模型值見表1，駁船的總布置圖及型線圖如圖2所示。

表1 駁船的主要尺度

圖2 海洋石油2278駁船總布置圖及型線圖

駁船模型按照模型縮尺比確定船模的幾何尺度，其幾何尺度誤差不超過2 mm，吃水誤差不超過1 mm。駁船整體的重量、重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑等參數(shù)通過添加和改變船模內(nèi)壓載的質(zhì)量和位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并在實驗室的慣量調(diào)節(jié)架上進(jìn)行測量，以使得船模達(dá)到規(guī)定載況的要求。船模整體重量重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑誤差均不超過5%。

2.2 上部組塊模型

導(dǎo)管架中心平臺的上部組塊依照設(shè)計方案所確定的總布置圖進(jìn)行模擬，其主尺度和重量參數(shù)見表2，圖3為上部組塊總布置圖。

表2 上部組塊主要參數(shù)

圖3 上部組塊總布置圖

組塊模型由鋁質(zhì)金屬、木質(zhì)和工程塑料等材料制成。上部組塊共由3層甲板組成，主要包括生產(chǎn)和處理模塊、生活樓、直升機(jī)甲板、吊機(jī)和燃燒臂等主要構(gòu)件，以盡量模擬實際的受風(fēng)面積。為保持足夠的強(qiáng)度，避免上部組塊模型在LMU和DSU載荷作用下發(fā)生變形，保證模型在試驗過程中的剛度，在LMU和DSU載荷作用處，采用鋁制桿件對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

組塊所有的模型構(gòu)件均按照模型縮尺比確定幾何尺度，其外形尺寸滿足ITTC關(guān)于試驗的精度要求，幾何尺度誤差不超過1 mm。上部組塊的甲板上放置有壓載物，以調(diào)節(jié)組塊模型的重量、重心位置，橫搖和縱搖慣性半徑。與駁船模型相似，上部組塊模型的整體重量重心位置、縱搖和橫搖回轉(zhuǎn)半徑誤差不超過5%。

2.3 駁船與導(dǎo)管架之間靠墊模型

駁船與導(dǎo)管架之間系纜和靠墊模型根據(jù)工程設(shè)計方案所確定的靠墊剛度和幾何尺度等參數(shù)進(jìn)行模擬，靠墊剛度曲線如圖4所示。

圖4 靠墊剛度曲線

2.4 動力定位系統(tǒng)的推進(jìn)器

該駁船共裝備三類共7套推進(jìn)器，分別為1套艏部槽道推進(jìn)器，2套尾部槽道推進(jìn)器，2套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以及2套包括導(dǎo)管槳和主推進(jìn)器，推進(jìn)器在水平面上的布置位置如圖5所示。主推進(jìn)器的額定功率為5 500 kW，可提供867 kN的推力，側(cè)推和全回轉(zhuǎn)的額定功率均為2 000 kW，提供的推力分別為263 kN和315 kN。隨船坐標(biāo)系及各回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與舵的初始零位和轉(zhuǎn)角正方向在圖5中也進(jìn)行了說明，環(huán)境力和推力器所產(chǎn)生的推力的坐標(biāo)系與隨船坐標(biāo)系相同，轉(zhuǎn)船力矩的正向遵循右手準(zhǔn)則。

圖5 推進(jìn)器位置布置圖

3 海洋環(huán)境條件模擬

3.1 水深模擬

模型試驗中通過升降海洋工程水池的整體大面積可升降假底的位置，以實現(xiàn)對水深的模擬。試驗中，水池的整體水深為2.78 m。

3.2 風(fēng)的模擬

風(fēng)的模擬采用定常風(fēng)，并通過計算機(jī)和變頻儀控制造風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而獲得不同的風(fēng)速大小，并用熱線風(fēng)速儀測量駁船所在位置處的平均風(fēng)速。根據(jù)ITTC的相關(guān)規(guī)程，風(fēng)速儀所處的位置對應(yīng)于實際中海平面以上10 m位置處。

3.3 海流的模擬

試驗中，海流的模擬通過在駁船模型上施加定常載荷實現(xiàn)。根據(jù)駁船在不同載況、不同流向角度下所受到的載荷大小，在船模船中的水面附近施加相應(yīng)的定常載荷。

3.4 波浪模擬

該模型試驗中所涉及的海洋環(huán)境條件包括就位海況和浮托安裝限制海況兩類。

波浪模擬中的數(shù)據(jù)采樣頻率為40 Hz，采樣時間>30 min(對應(yīng)實際實際時間不少于3 h)。從下達(dá)造波指令開始，到采樣記錄開始，間隔1.5 min，以使正式試驗采樣時模型能夠處于穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài),不規(guī)則波浪譜采用ISSC波譜。風(fēng)浪流組合環(huán)境條件的模型值見表3。

表3 不規(guī)則波海洋環(huán)境條件(模型值)

4 模型試驗

4.1 待命就位試驗

4.1.1 試驗流程

待命就位試驗的目的主要是為測試在待命就位海況下，動力定位系統(tǒng)的定位精度以及螺旋槳功率消耗等參數(shù)，為工程設(shè)計方案的確定和數(shù)值計算提供參考和驗證依據(jù)。待命就位試驗中所使用的模型包括駁船和上部組塊，不包括導(dǎo)管架模型。

各項測試數(shù)據(jù)均由計算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采樣，采樣頻率為40 Hz，不規(guī)則波試驗的采樣時間大于30 min，對應(yīng)實際時間3.0 h。待命就位試驗的工況見表4，共有3個不規(guī)則波浪工況，波浪入射角度分別為180°，135°，90°。

表4 待命就位試驗工況

4.1.2 試驗結(jié)果

待命就位試驗只在浪向角為180°時成功實現(xiàn)定位，浪向角為90°和135°時無法實現(xiàn)定位。

該駁船動力定位性能首先由水平面位置統(tǒng)計值的特性反映出來，其中的漂移半徑定義為：

(1)

式中：x，y分別為深水工作船在大地坐標(biāo)系下相對于目標(biāo)位置的坐標(biāo)。

漂移半徑r表示深水工作船在動力定位作業(yè)下的實際位置與其目標(biāo)位置間的距離，它反映了動力定位系統(tǒng)所能實現(xiàn)的定位精度。待命就位狀態(tài)下180°風(fēng)浪流分別作用的位置統(tǒng)計分析見表5。

表5 待命就位試驗位置統(tǒng)計分析

4.1.3 結(jié)果分析

(1) 180 °浪向角定位時，船舶運(yùn)動的位置統(tǒng)計值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，船舶可實現(xiàn)正常的待命就位。

(2) 該船的螺旋槳分布較為不合理。模型試驗實際控制中，尤其是在船舶艏向糾偏過程中，從經(jīng)驗上和實際觀察上，兩個全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器起了比較多的作用，而船舶艏部2個全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器相隔太近，不能形成有效力偶，艏向控制相對較弱。此外，由于相隔太近，為避免相互之間干擾，DP程序會自動設(shè)置禁止角以防止功率損失及控制效果下降(實船也會如此)。因此，考慮到禁止角時，推力的限制使得兩推進(jìn)器的靈活性降低。

(3) 90°、135°定位時，船舶需要抵抗較大的側(cè)向力，由于全回轉(zhuǎn)推力器的推力相對側(cè)推所能產(chǎn)生的推力較大，當(dāng)船舶艏部的1個側(cè)推與2個全回轉(zhuǎn)均開到最大時(抵抗側(cè)向力)，會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)船力矩，尾部的側(cè)推無法產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)船力矩與其平衡。這樣情況下，艏部的兩個全回轉(zhuǎn)不能發(fā)揮最大的推力去抵抗側(cè)向力，從而當(dāng)側(cè)向環(huán)境力較大時，不能正常地進(jìn)行定位。

4.2 進(jìn)船試驗

4.2.1 試驗流程

進(jìn)船試驗的目的主要是測試在浮托安裝海況下，駁船在進(jìn)入導(dǎo)管架過程中的水動力性能參數(shù)，包括駁船和上部組塊的運(yùn)動性能，駁船和導(dǎo)管架之間靠墊所受到的載荷，推進(jìn)器各項性能等，為工程設(shè)計方案的確定和數(shù)值計算提供參考和驗證依據(jù)，確保工程作業(yè)的安全。進(jìn)船試驗中所使用的模型包括駁船、上部組塊、靠墊、導(dǎo)管架等。

在進(jìn)船試驗前，首先在海洋深水試驗池中確定導(dǎo)管架中心的坐標(biāo)和位置，導(dǎo)管架上安裝8個靠墊以及壓力傳感器，然后利用大面積可升降假底將海洋深水試驗池的整體水深調(diào)節(jié)至規(guī)定需要模擬的水深。

各項測試數(shù)據(jù)同樣由計算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采樣，采樣頻率為40 Hz，不規(guī)則波試驗的采樣時間大于30 min，對應(yīng)實際時間3.0 h。進(jìn)船試驗的工況見表6，共有3個不規(guī)則波浪工況，重復(fù)試驗3次。

表6 進(jìn)船試驗工況

4.2.2 試驗結(jié)果

180 °風(fēng)浪流作用下模型試驗的推進(jìn)器功率統(tǒng)計分析見表7。

表7 進(jìn)船試驗推進(jìn)器功率統(tǒng)計分析 (180°)

在進(jìn)船過程中，駁船與導(dǎo)管架之間的靠墊壓力最大值直接反應(yīng)駁船在進(jìn)船過程中對導(dǎo)管架的碰撞程度，故在分析靠墊壓力時只統(tǒng)計各個靠墊所受壓力的最大值，進(jìn)船試驗靠墊壓力見表8。

表8 進(jìn)船試驗靠墊壓力統(tǒng)計表 (kN)

4.2.3 結(jié)果分析

(1) 雖然模型試驗具有較大的偶然性，但從靠墊壓力來看，180°時具有較好的進(jìn)船特性，試驗最大壓力均在100 t以內(nèi)。

(2) 135°、90°，大部分靠墊壓力普遍大于100 t，最大靠墊壓力為218.9 t、146.8 t。

(3) 從試驗現(xiàn)場觀看，進(jìn)船難易程度次序分別為180°、90°、135°，135°進(jìn)船較為困難，而且在135°時，船尾方向須略微偏向風(fēng)浪流方向才可以順利進(jìn)船。

5 結(jié)論

該文對某浮托安裝船在動力定位方法下的安裝過程進(jìn)行了模型試驗研究。試驗結(jié)果表明，動力定位方法應(yīng)用于浮托安裝的方案是可行的，選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)船角度有利于降低船舶與靠墊之間的大碰撞壓力。從試驗的結(jié)果看，選擇180°進(jìn)船效果最優(yōu)， 135°進(jìn)船較為困難，而且在135°時，船尾方向須略微偏向風(fēng)浪流方向才可以順利進(jìn)船。

[1] Sфrensen A J.A survey of dynamic positioning control systems[J]. Annual reviews in control, 2011，35(1)：123-136.

[2] Sфrensen A J, Ronxss M. mathematical modeling of dynamically positioned and thruster-assisted anchored marine vessels[M]. The Ocean Engineering Handbook，2002.

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[5] Godhavn J M. Nonlinear tracking of underactuated surface vessels [J]. 1996，30(1)：975-980.

Model Test Investigation on Float-overs Installation Executed by Dynamic Positioning System

XU Nan, WANG Biao, WANG Lei, ZHOU Xin-da

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300452， China)

Dynamic positioning system can make a vessel maintain its position and heading (fixed position or pre-determined track). A model test investigation for a float-overs installation barge positioned by dynamic positioning system is studied. The model test results shows that the installation strategy applying dynamic positioning system is feasible. The process of the test can give guidance to the real operation on the sea.

dynamic positioning; float-overs installation; model test

2014-11-17

國家自然基金項目(51179103)。

許 南(1962-)，男， 高級工程師。

1001-4500(2015)04-0050-07

P75

A