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(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

Multi-body Response Analysis of Subsea Umbilical Termination Assembly Installation

LIANG Hui1，2，LIN Yinglian1，F(xiàn)ANG Wei2，WEI Huidong2

(1.CNOOC Deepwater Development Ltd.，Zhuhai 519000，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

水下臍帶纜終端安裝多浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模擬

梁輝1，2，林影煉1，方偉2，魏會(huì)東2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

Multi-body Response Analysis of Subsea Umbilical Termination Assembly Installation

LIANG Hui1，2，LIN Yinglian1，F(xiàn)ANG Wei2，WEI Huidong2

(1.CNOOC Deepwater Development Ltd.，Zhuhai 519000，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China)

摘要：在深水油氣開發(fā)中，水下設(shè)施的海上安裝越來越具有挑戰(zhàn)性。尺寸和重量越來越大的水下設(shè)施需要在環(huán)境條件惡劣的深水海域安裝，而海上安裝作為最復(fù)雜的工況載荷之一，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響。在海上施工之前進(jìn)行充分合理的數(shù)值模擬能夠獲得適合的海況條件要求，也能對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判。以南海某深水氣田為例，基于三維動(dòng)態(tài)時(shí)域分析軟件OrcaFlex，構(gòu)造了水下臍帶纜終端吊裝下放的多浮體數(shù)值模型，在JONSWAP波浪譜下進(jìn)行隨機(jī)海況模擬分析，得出了最優(yōu)作業(yè)浪向并給出了安全作業(yè)海況條件，對(duì)海上施工作業(yè)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：臍帶纜終端；安裝；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)10-0017-03

收稿日期：2015-05-29

Abstract：The challenges in the installation of subsea structures are increasing very rapidly in the recent years. Larger and heavier subsea structures are being installed in harsh environments and in deep water. The installation loads are significant for design of subsea production structures. This paper gives dynamic muti-body response analysis of subsea umbilical termination lifting based on JONSWAP wave spectrum by OrcaFlex software. The result gives the optimal wave heading and allowable Hs for installation.

作者簡介：梁輝(1982-)，男，河北順平人，工程師，研究方向?yàn)樗律a(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；林影煉(1974-)，男，廣東揭陽人，工程師，研究方向?yàn)槭蛢?chǔ)運(yùn)工程；方偉(1982-)，男，天津人，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笫凸こ?；魏?huì)東(1981-)，男，天津人，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笫凸こ獭?/p>

Key words：offshore engineering subsea umbilical termination；muti-body response analysis；orcaflex

0引言

深水水下設(shè)施的安裝工程項(xiàng)目成本都高達(dá)上億美元，不僅水下作業(yè)工程支持船、ROV、AUV等作業(yè)裝備價(jià)格昂貴，而且水下安裝作業(yè)專業(yè)技術(shù)人員的人均日費(fèi)率也要上千美元。在深水水下設(shè)施的安裝施工中，任何一個(gè)失誤都可能造成數(shù)百萬美元的損失。因此，在施工之前進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算分析十分必要，不僅能夠給出合適的海況條件要求便于選擇天氣窗，而且能夠?qū)κ┕わL(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判和合理規(guī)劃。同時(shí)，深水水下設(shè)施的海上安裝作為最復(fù)雜的工況載荷之一，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響。具有良好可安裝性的水下設(shè)施能夠大大降低海上施工風(fēng)險(xiǎn)和成本。

目前國外海洋工程公司如Technip、Subsea7等已經(jīng)具備了300 t以上水下設(shè)施在超1 000 m水深安裝的技術(shù)能力。這些公司基本壟斷了深水水下設(shè)施的海上安裝作業(yè)市場，而國內(nèi)在超300 m深水環(huán)境的水下設(shè)施安裝工程較少，缺少完備的施工作業(yè)裝備和作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)安裝作業(yè)的計(jì)算分析工作也仍然處于探索階段。國內(nèi)在臍帶纜和臍帶纜終端的設(shè)計(jì)研究也很少，其中南海深水水下臍帶纜終端的設(shè)計(jì)和安裝屬國內(nèi)首次獨(dú)立自主完成。

我國正在處于南海大開發(fā)的階段，從2008年以來的5年中，中海油對(duì)外合作的區(qū)塊幾乎全部來自南海地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，南海地區(qū)蘊(yùn)藏有230億～300億 t的石油，且含硫量少，品質(zhì)優(yōu)良；此外，還有16萬億 m3的天然氣，其中70%的油氣資源都蘊(yùn)藏在海面300 m以下的深水區(qū)域。這相當(dāng)于中國全部油氣資源的1/3。正基于此，以南海深水氣田為例，就水下臍帶纜終端安裝多浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模擬進(jìn)行研究。

1基本計(jì)算原理

1.1　OrcaFlex軟件

OrcaFlex軟件是一款應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域的三維動(dòng)態(tài)時(shí)域有限元分析軟件。該軟件能夠完成包括海洋立管系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、安裝系統(tǒng)和拖曳系統(tǒng)等各種海洋工程領(lǐng)域的計(jì)算分析。OrcaFlex軟件的最大優(yōu)勢是能夠進(jìn)行細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)如立管、臍帶纜、海管等結(jié)構(gòu)的快速準(zhǔn)確計(jì)算，尤其能夠計(jì)算細(xì)長柔性結(jié)構(gòu)的三維大變形問題，并能有效模擬波浪、流和其他外部載荷。該軟件在海洋工程領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，是水下結(jié)構(gòu)物安裝分析的首選軟件之一。

1.2　莫里森方程

OrcaFlex軟件采用莫里森方程的擴(kuò)展形式計(jì)算浮體、管道和纜繩等的水動(dòng)力載荷。莫里森方程最初是用來計(jì)算固定豎直圓柱體的波浪載荷。方程中有兩個(gè)載荷分量組成，一個(gè)是與水質(zhì)點(diǎn)加速度有關(guān)的載荷(即慣性力)，另一個(gè)是水質(zhì)點(diǎn)速度有關(guān)的載荷(即拖曳力)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)物，計(jì)算原理基本相同，但需要考慮結(jié)構(gòu)物自身的運(yùn)動(dòng)。

在OrcaFlex軟件所使用的莫里森方程擴(kuò)展形式為：

FW是波浪載荷；Δ是結(jié)構(gòu)物的排水質(zhì)量；aw是水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地球的加速度；Ca是結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量系數(shù)；ar是水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于結(jié)構(gòu)物的加速度；ρ是水的密度；vr是水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于結(jié)構(gòu)物的速度；CD是結(jié)構(gòu)物的拖曳力系數(shù)；A是拖曳力面積。

上述公式括號(hào)中第1項(xiàng)是慣性力，第2項(xiàng)是拖曳力。慣性力分為2個(gè)部分，一個(gè)與水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地球的加速度成正比(Froude-Krylov力)，另一個(gè)與水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于結(jié)構(gòu)物的加速度成正比(即附加質(zhì)量力)[7-]8]。

2計(jì)算難點(diǎn)

2.1　水下臍帶纜終端的設(shè)計(jì)

水下臍帶纜終端一般包括防沉板、臍帶纜終端本體及支座、吊耳、防落物蓋板、YOKE轉(zhuǎn)臂等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求海上吊裝過程中的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)(DAF)不能超過2，臍帶纜的張力不大于96 kN和最小彎曲半徑不小于1.23 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，可以計(jì)算得到臍帶纜終端的水動(dòng)力系數(shù)。

2.2　計(jì)算模型

在OrcaFlex軟件中，組成安裝系統(tǒng)的模型主要包括：臍帶纜終端、臍帶纜、安裝作業(yè)船、吊纜、吊鉤等，如圖1所示。臍帶纜終端結(jié)構(gòu)模型采用6D Buoy單元建立，YOKE臂、吊纜、臍帶纜等采用Line單元模擬。

圖1　臍帶纜終端安裝計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果包括最大吊鉤力、臍帶纜最大張力和最小彎曲半徑。吊鉤力提取自吊繩模型與吊鉤相連處的張力，軟件自動(dòng)計(jì)算時(shí)間歷程內(nèi)的最大值。同樣的，軟件自動(dòng)提取所選時(shí)間歷程內(nèi)的臍帶纜張力最大值和彎曲半徑最小值。

3波浪方向和周期的篩選分析

篩選分析是將臍帶纜終端處于水下一定位置，計(jì)算不同波浪方向時(shí)吊鉤的最大載荷以找到最優(yōu)的波浪方向。由于安裝船舶具備動(dòng)力定位能力，因此能夠在最優(yōu)的波浪方向上進(jìn)行安裝作業(yè)。計(jì)算結(jié)果顯示，在安裝作業(yè)船處于波浪方向300°時(shí)進(jìn)行作業(yè)最優(yōu)，如表1所示。不過從計(jì)算結(jié)果來看，各個(gè)方向上的計(jì)算結(jié)果相差較小。

表1波浪方向的篩選分析

波浪方向/(°)0306090120150靜態(tài)吊鉤力/kN63.763.663.162.161.060.3最大動(dòng)態(tài)吊鉤力/kN69.872.175.178.967.065.4DAF1.091.131.191.271.101.09波浪方向/(°)180210240270300330靜態(tài)吊鉤力/kN60.160.361.062.163.163.6最大動(dòng)態(tài)吊鉤力/kN66.070.468.675.167.171.7DAF1.101.171.121.211.061.13

為了能夠得到比較保守的計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)波浪過零周期進(jìn)行篩選，即選擇計(jì)算結(jié)果最保守的波浪周期。通過對(duì)波浪過零周期為4～13 s的環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算得到，當(dāng)波浪過零周期為5 s時(shí)的計(jì)算結(jié)果最為保守，如表2所示。

表2波浪周期的篩選分析

波浪過零周期/s45678靜態(tài)吊鉤力/kN63.1263.1263.1263.1263.12最大動(dòng)態(tài)吊鉤力/kN68.1070.7868.8868.1667.10DAF1.081.121.091.081.06波浪過零周期/s910111213靜態(tài)吊鉤力/kN63.1263.1263.1263.1263.12最大動(dòng)態(tài)吊鉤力/kN66.2466.3466.4666.0165.68DAF1.051.051.051.051.04

4詳細(xì)分析

通過上述的篩選分析，詳細(xì)分析將選擇最優(yōu)的波浪方向(300°)和最保守的波浪過零周期(5 s)進(jìn)行計(jì)算。為了計(jì)算結(jié)果的保守性，將同時(shí)計(jì)算波浪方向偏差±30°(即270°和330°)時(shí)的結(jié)果。

詳細(xì)分析將臍帶纜終端的吊裝下放過程分為4個(gè)不同的工況，即：空氣中、飛濺區(qū)、水中和接近海床。4個(gè)工況基本涵蓋了臍帶纜終端下放過程中所受到不同載荷的典型工況。為了使計(jì)算結(jié)果具有保守性，每一個(gè)工況的計(jì)算時(shí)長都為3 h，計(jì)算結(jié)果取該時(shí)長的最大值，表3給出了有義波高Hs=1.0 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

表3詳細(xì)分析的計(jì)算結(jié)果

工況空氣中飛濺區(qū)水中接近海床靜態(tài)吊鉤力/kN76.5969.3962.1152.82最大動(dòng)態(tài)吊鉤力/kN84.15121.5175.2165.95最小動(dòng)態(tài)吊鉤力/kN69.4734.6049.8540.26DAF1.101.751.211.25最小彎曲半徑/m3.231.592.912.81最大張力/kN22.2425.3621.8712.72

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，可以得到的結(jié)論為：①有義波高Hs=1.0 m時(shí)滿足安裝作業(yè)要求；②最優(yōu)波浪方向角度為300°，可調(diào)整船艏至該方向作業(yè)；③在波浪過零周期為5 s時(shí)計(jì)算的吊鉤力最大，海上安裝應(yīng)盡量避免在該波浪過零周期作業(yè)；④最大吊鉤力為121.51 kN，需選擇滿足安裝作業(yè)要求的船載吊機(jī)；⑤臍帶纜終端最大DAF=1.75滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求(即DAF<2.0)。

5結(jié)束語

水下生產(chǎn)設(shè)備的海上安裝作為最為復(fù)雜的工況載荷之一，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的影響。因此，在水下設(shè)備設(shè)計(jì)階段對(duì)其安裝工況載荷進(jìn)行分析計(jì)算十分必要?；谌S動(dòng)態(tài)時(shí)域分析軟件OrcaFlex，選擇JONSWAP波浪進(jìn)行隨機(jī)海況的典型施工船舶臍帶纜終端吊裝作業(yè)的多浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模擬分析，提出最優(yōu)作業(yè)浪向并給出安全作業(yè)海況條件，能夠指導(dǎo)海上施工作業(yè)并能為水下設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持。所述方法在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了臍帶纜終端的動(dòng)態(tài)安裝分析，能夠?yàn)槟殠Ю|終端的設(shè)計(jì)和安裝作業(yè)提供技術(shù)支持，也使國內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全自主開發(fā)水下生產(chǎn)系統(tǒng)向前邁進(jìn)一步。

參考文獻(xiàn)：

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