半潛式平臺大合攏前后的拖航方案研究與應(yīng)用

半潛式平臺大合攏前后的拖航方案研究與應(yīng)用

王會峰張慶營姜立群

(海洋石油工程股份有限公司,天津300461)

拖航是指利用拖輪為尚不具備自主航行力量的已建筑好的船舶或者海洋平臺供應(yīng)航行動力的運輸作業(yè)。近年來,國內(nèi)外對于平臺拖航有較多計算討論,文獻[1]對半潛式平臺拖航計算利用分別渦流模擬法對平臺拖航阻力、流場分布進展了討論,結(jié)論為下浮體在不同流向下具有曲線脈動特性。文獻[2]由海油工程與大連理工大學(xué)共同完成,在討論的張力腿平臺拖航數(shù)值模擬試驗中,給出了平臺在出塢及安裝期間拖航阻力的計算,基于Fluent軟件在張力腿平臺不同吃水航速以及拖輪布置狀況下,分析了拖航阻力系數(shù)以及流程分布特性的數(shù)值模擬,以閱歷公式回歸計算平臺拖航阻力,為平臺在船塢建筑拖航時給出施工指導(dǎo)。文獻[3]對于筒體形式的海洋平臺進展了課題討論,通過模型試驗方法測定了不同拖航方式條件下平臺產(chǎn)生的拖纜力、筒內(nèi)氣體和水壓力,通過力學(xué)分析參數(shù)測試給出圓筒構(gòu)造最優(yōu)拖航組合的結(jié)論。文獻[4]討論了Spar平臺濕拖計算方法,通過數(shù)值模擬分析以及試驗驗證的方式,給出了平臺垂蕩期間流場變化規(guī)律。本文結(jié)合國內(nèi)外拖航討論成果,依據(jù)某深水半潛式平臺船體和上部模塊的建筑大合攏實施方案,選定在煙臺來福士船廠大塢內(nèi)進展船體和模塊完工后的大合攏作業(yè)。本文討論的拖航作業(yè)內(nèi)容包括平臺的下船體到達煙臺預(yù)定錨地后的拖航進塢,及后續(xù)在來福士大塢內(nèi)完成上模塊與船體大合攏后的半潛式平臺整體拖航出塢靠泊場地碼頭。經(jīng)前期分析核實,煙臺建筑場地的龍門吊具備合攏力量,港池的平臺拖航航線和泊位尺度均滿意該半潛式平臺進出泊位要求。基于該船廠設(shè)備設(shè)施資源力量,本文進一步開展平臺拖航方案討論。

1.1平臺拖航工況分析

本文拖航討論對象為半潛式平臺,三維圖如圖1所示,上部組塊主尺度(長×寬×高)為91.5m×49.5m×36.5m,總甲板面積為11300m2,船體總長為91.5m,船體浮箱尺寸為49.5m×21m×9m,船體立柱尺寸為21m×21m×59m,在位排水量為105000t[5]。

圖1平臺三維示意圖Fig.1Threedimensionalschematicdiagramofplatform

半潛式平臺在大合攏場地主要有以下4種拖航工況:拖航工況1定義為船體從錨地浮卸區(qū)運輸?shù)酱瑥S指定碼頭;拖航工況2定義為船體從指定碼頭拖航到船塢內(nèi);拖航工況3定義為大合攏后平臺從船塢拖航回到該指定碼頭處臨時靠泊;拖航工況4定義為大合攏后平臺從指定碼頭處拖航出港到達指定錨地。

上述4種拖航工況下船舶/平臺的壓載吃水狀況分析如下:工況1下船體依據(jù)壓載艙容量狀況留下約350t壓載水以備拖航過程中保持船體自身的漂移姿勢,該工況的吃水為5.7m;工況2上模塊已經(jīng)進入大塢并利用泰山吊將其起升,此時船體將從指定碼頭通過拖輪與上模塊集合完成既定大合攏作業(yè)。此時應(yīng)留意躲避下船體進塢碰撞上模塊的風(fēng)險,因此下船體應(yīng)加大壓載量,將大合攏階段船體吃水調(diào)整為7.2m;與船體拖航相比,合攏后的平臺因重心提高及上模塊增加拖航受風(fēng)面積,工況3的平臺吃水為9m,工況4的平臺吃水為10.2m。

1.2平臺拖航穩(wěn)性計算依據(jù)

本文對于半潛式平臺柱穩(wěn)性平臺的計算依據(jù)是海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設(shè)備規(guī)章中對柱穩(wěn)式平臺完整穩(wěn)性的穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求[6]。結(jié)合本工程涉及的工況進展詳細分析,對從浮卸地到來福士靠泊碼頭(工況1),從靠泊碼頭到船塢(工況2)和出塢到靠泊碼頭(工況3)3種拖航工況進展分析。經(jīng)NAPA軟件評估量算,穩(wěn)性滿意要求。

依據(jù)平臺穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)有2條衡準(zhǔn)項。如圖2所示,衡準(zhǔn)要求1是進水角處復(fù)原力矩曲線應(yīng)比同一限制角度傾斜力矩曲線面積大30%,衡準(zhǔn)要求2是復(fù)原力矩曲線到其次穿插點的角度為不能為負值[7-8]。

圖2穩(wěn)性衡準(zhǔn)曲線圖Fig.2Curveofstabilitycriterion

1.3穩(wěn)性分析與計算結(jié)論

通過NAPA軟件分別對上述4種工況運行軟件并輸出計算結(jié)果。

(1)NAPA軟件建模分析流程。

依據(jù)總布置圖和艙室布置圖,了解工程艙室布置信息;

利用NAPA的SUR模塊,將工程的外殼建立起來;

利用NAPA的DEF模塊,主要將模型的液艙建立起來;

利用NAPA的MOD模塊,將建立的艙室集成一個工程布置。

(2)NAPA軟件中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

建立外殼后,設(shè)置外殼的平均板厚,用來打算工程不同吃水下排水量、浮心、穩(wěn)性高等靜水力參數(shù);

建立艙室的過程中,設(shè)置型材的折減系數(shù)、裝載率、液體密度等艙室裝載參數(shù);

穩(wěn)性計算前,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置穩(wěn)性衡準(zhǔn),計算進水點和風(fēng)速等參數(shù)。

經(jīng)計算,工況1軟件輸出結(jié)果如圖3所示,穩(wěn)性衡準(zhǔn)為1.3。復(fù)原力矩曲線夾角為0°。

圖34種工況的穩(wěn)性衡準(zhǔn)曲線圖Fig.3Stabilitycurveunderfourworkingconditions

如圖3所示,4種工況的穩(wěn)性衡準(zhǔn)1計算數(shù)值均大于標(biāo)準(zhǔn)值1.3,滿意要求;穩(wěn)性衡準(zhǔn)2計算數(shù)值為0,也滿意要求。穩(wěn)性計算結(jié)論是,通過在4種平臺拖航及所需壓載吃水工況軟件計算分析下,穩(wěn)性結(jié)果均滿意標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)要求,說明拖航工況下平臺穩(wěn)性是合格的。

平臺拖航阻力計算是拖輪選取及拖航方案的重要參考依據(jù)。該平臺拖航阻力計算工況選取與穩(wěn)性計算工況選取全都,也分為4種工況進展阻力計算。其中,工況1和工況4涉及近海海疆運輸,靜水面以上10m每分鐘平均風(fēng)速要求為17.7m,工況2為船體拖航進塢和工況3為大合攏后平臺拖航出塢到靠泊碼頭,由于屬于近岸運輸,平均風(fēng)速要求為10m,4種工況的有義波高要求為5m。

2.1平臺拖航阻力計算依據(jù)

常規(guī)拖航阻力計算會采納《海上拖航指南》的標(biāo)準(zhǔn)估算方法,由于半潛式平臺下船體構(gòu)成為回形浮箱與立柱構(gòu)造結(jié)合,與常規(guī)長條狀流線式的船舶不同,剩余阻力會比大計算結(jié)果與實際結(jié)果差距較大[9]。使用CFD方法計算波浪總阻力時,計算時間會特別長,而工程周期受限制,無法在短時間內(nèi)得到CFD總阻力結(jié)果。故采納一種折中的方法,使用CFD計算流載荷系數(shù)Cc,依據(jù)Fc=Cc×U2得到不同流速下的流載荷。甲板上建筑構(gòu)造簡單,這需要大量的時間進展結(jié)果分析和模型調(diào)整,而參考以前的工程閱歷,使用標(biāo)準(zhǔn)方法計算風(fēng)載荷結(jié)果會偏大,這對實際工程是有利的。所以采納CFD計算靜水阻力,標(biāo)準(zhǔn)方法計算風(fēng)載。因此本文的拖航阻力計算策略選擇將靜水阻力利用CFD軟件數(shù)值模擬分析計算,而風(fēng)載荷和流載荷則以更加貼合船舶線性的理論公式進展計算。

假定風(fēng)、波、航速的方向從船頭到船尾,選取拖航總阻力公式直接計算方法。

總阻力公式為

式中,FT為拖航總阻力;FW為風(fēng)載荷;Fc為靜水拖航阻力,Fd為平均波飄力。

2.2平臺風(fēng)載荷

風(fēng)載荷公式為

式中,ρ為空氣密度(kg/m3),1.22kg/m3;V為風(fēng)速,m/s;Ai為受風(fēng)面積(m2);Cs為外形系數(shù)。

參考各工況不同的受風(fēng)面積∑CsAi,可計算得出各工況的風(fēng)載荷計算值。

2.3平臺靜水拖航阻力

靜水拖航阻力采納CFD軟件進展數(shù)值模擬計算,計算平臺在各工況下的單位航速下(1m/s)的靜水拖航阻力結(jié)果。

經(jīng)計算,在1m/s單位航速下,工況1靜水拖航阻力Fc=287.75kN/(m/s)2,工況2靜水拖航阻力Fc=356.19kN/(m/s)2,工況3靜水拖航阻力Fc=460.75kN/(m/s)2,工況4靜水拖航阻力Fc=578.91kN/(m/s)2。當(dāng)航速為1～4kn時,4種工況的靜水拖航阻力如表1所示。

表14種工況的靜水拖航阻力數(shù)值Tab.1Hydrostatictowingresistancevaluesunderfourworkingconditions

2.4平臺平均波漂力

當(dāng)計算吃水為15m時,有義波高為5m,平均波漂為Fd=328.92kN。

2.5拖航速度計算

依據(jù)NobleDenton0030/ND,當(dāng)有義波高Hs=5m,30＜BP＜90時,拖輪效率為7.5+0.75×BP(%)[10]。

拖輪拖力計算如表2所示,不同拖輪拖航航速如表3所示。

表2拖輪拖力計算Tab.2Calculationoftowingforceoftugboat

表3拖輪拖航航速Tab.3Towingspeedoftugboat

2.6平臺拖航總阻力

表4為依據(jù)4種工況計算的拖輪在1～4kn航速下總阻力數(shù)值。

2.7拖輪的選型

經(jīng)與煙臺港聯(lián)系落實,在船體拖航入塢和大合攏期間,平臺拖航作業(yè)鎖定了6條4000hp以上拖輪船期,擬定的6條拖輪拖力范圍為50～60t,總拖力為341t。

依據(jù)拖航總阻力計算結(jié)果,工況1拖航速度應(yīng)不超過3kn,計算依據(jù)為4kn時拖航總阻力為2119.02/9.8=216.23(t)。

規(guī)劃使用5條拖輪,1條加急備用,總拖力為281t。拖帶系數(shù)為281/213.23=1.31,且同時能夠滿意工況2的拖力要求。

大合攏后平臺靠泊碼頭和平臺出港,工況4拖航速度應(yīng)不超過2kn,拖航總阻力為2313.16/9.8=236.04(t)。

選擇使用6條拖輪,計算依據(jù)為3kn時拖輪總拖力為341t。拖帶系數(shù)為341/236.04=1.44,且同時能夠滿意工況3的拖力要求。

依據(jù)上述穩(wěn)性計算和阻力計算報告,為船體和平臺拖航供應(yīng)數(shù)據(jù)理論支持,進而開展拖輪選型及實施布置,拖航方案設(shè)計,拖航安全治理工作。

3.14種拖航工況下的拖輪布置

工況1的船體拖航碼頭作業(yè)分析,船體拖航是由某大型半潛駁船從煙臺錨地下潛,船體吃水位到達5.7m后,使用5艘拖輪拖曳到煙臺場地碼頭,船體拖輪布置示意圖如圖4所示。拖輪所處船體不同方向和位置,起到不同的作用。T5號拖輪在船體東南處,主要作用為拖拉引領(lǐng);T19號拖輪在船體西南處,主要作用為頂推調(diào)向;T20號拖輪在船體東北處,主要作用為頂靠調(diào)向;T6號拖輪在船體西北處,與T20號成對,主要作用為頂靠調(diào)向;T21號拖輪在西南處,主要作用是拖拉和頂靠。最終到達將船體拖航到指定碼頭的目的。

圖4船體拖航靠碼頭的拖輪布置圖Fig.4Layoutoftugboatswithhulltowedtodock

工況2的船體拖航碼頭作業(yè)分析,要把握船體拖航進塢的時機,上模塊已提前進入船塢并由泰山吊起吊完成,預(yù)備就緒,只待下船體抵達后下落合攏就位。此時,船體在拖航拖曳下從指定碼頭進入大塢與上模塊集合,圖5為船體拖航進塢拖輪布置圖。在船體拖航進塢實施過程中,T6、T21號拖輪位于船體南側(cè),主要作用為頂靠調(diào)向,T5、T20號拖輪位于船體西側(cè),主要作用為頂靠調(diào)向,T19號拖輪位于船體北側(cè),在船塢內(nèi)起到拖拉引領(lǐng)作用。

圖5船體拖航進塢的拖輪布置圖Fig.5Arrangementoftugboatsforhulltowinganddocking

在工況3的大合攏后平臺拖航碼頭作業(yè)分析中,船體進塢后關(guān)閉塢門保存塢內(nèi)水位為8.1m,開展泰山吊上模塊大合攏作業(yè)。在船塢內(nèi)完成上模塊和下船體精準(zhǔn)合攏焊接后,將平臺壓載吃水增加到9m,翻開塢門將平臺拖曳出塢到指定碼頭,大合攏后平臺出塢的拖輪布置圖如圖6所示。平臺拖航出塢靠泊指定碼頭平臺,平臺西側(cè)和南側(cè)依舊作為拖拉的頂推位置。

圖6大合攏后平臺出塢的拖輪布置圖Fig.6Layoutoftugboatsforplatformundockingafterintgration

工況4的大合攏后平臺在指定碼頭完成后續(xù)集成施工作業(yè),以及強度試驗和傾斜試驗。當(dāng)平臺已具備出港條件后,在拖輪協(xié)作下將已完工平臺運輸?shù)街付ㄥ^地。已完工平臺離港拖輪布置如圖7所示,此時各個拖輪協(xié)作牽引拖曳已無須頂推。T5號拖輪在平臺東側(cè)帶“八字纜”,主要作用是引領(lǐng)轉(zhuǎn)向,T6號拖輪與T5號拖輪相對,在平臺西側(cè)同樣帶“八字纜”,主要作用是減速轉(zhuǎn)向,T20號和T21號拖輪分別位于東南和東北方向,起到拖拉轉(zhuǎn)向作用,T19號和T22號拖輪分別位于西南和西北方向,起到減速轉(zhuǎn)向作用。

圖7大合攏后平臺離港的拖輪布置圖Fig.7Layoutoftugboatsleavingtheportafterplatformintegration

3.2平臺拖航頂推點設(shè)計

通過對4種拖航工況下拖輪布置和拖輪作用分析,工況1平臺的東側(cè)、西側(cè)、南側(cè)需要頂推,工況2平臺的南側(cè)、西側(cè)需要頂推,工況3平臺的南側(cè)、西側(cè)需要頂推,工況4平臺離港可不頂推。

船體從錨地拖運至指定碼頭靠泊的過程中需要拖輪頂推條件就位,該工況下船體吃水為5.7m,圖8為船體東側(cè)拖輪頂推示意圖。船體進塢需要避碰上部模塊,此階段平臺吃水為7.2m,大合攏后,平臺出塢吃水增加到9m。

圖8船體東側(cè)頂推示意圖Fig.8Schematicdiagramofthrustingontheeastsideofhull

3.3平臺頂推區(qū)域的處理

半潛式平臺在具體設(shè)計階段已經(jīng)提前考慮潛在的平臺拖航頂推位置,在平臺設(shè)計圖紙中表達了頂推區(qū)域(pushzone)。從平臺側(cè)向頂推圖中可見,設(shè)計拖航區(qū)域與平臺大合攏階段實際拖航頂推區(qū)域并不完全全都。因此在平臺建筑中要結(jié)合拖航方案,對拖航區(qū)域構(gòu)造強度重新校核,如有必要,應(yīng)在建筑完工前準(zhǔn)時加固處理。對新的頂推區(qū)域內(nèi)存在干預(yù)的陽極應(yīng)在建筑完工前切割去除,平臺出塢后再重新修復(fù)布置陽極,對于平臺外立面直梯,如落入新頂推區(qū)域在建筑階段可不預(yù)裝,待大合攏后,平臺出塢靠泊再安裝。對于經(jīng)拖航分析計算確定后的新頂推區(qū)域建議使用清油漆框選,以備頂推時易辨別,不行跨出此區(qū)域。

3.4拖輪與平臺導(dǎo)纜器避碰處理

半潛式平臺浮箱底部有南北浮筒各有8個導(dǎo)纜器,平臺拖航出塢時拖輪南側(cè)頂推時應(yīng)留意實行避碰措施,如導(dǎo)纜器設(shè)備側(cè)向放置削減探出長度,位于南側(cè)拖輪船艏加裝圓筒護弦,確保拖輪球頭底部與導(dǎo)纜器保持3m以上安全距離。平臺南側(cè)拖輪頂推安全操作要領(lǐng),拖輪船艏吃水不小于3.5m,拖輪船艉吃水不小于4m。拖輪以垂直向前頂推為宜,船身與平臺夾角范圍以±30°為宜。頂推時應(yīng)緩慢進車至船艏護弦與平臺船體完全接觸后再提力;相對而言應(yīng)緩慢退車至護弦與平臺船體脫離約1m后再提力。

4.1平臺拖航的作業(yè)環(huán)境選取

船體濕拖靠泊與進塢,大合攏后平臺出塢與離港作業(yè)條件,拖航實施的風(fēng)速應(yīng)不大于6級風(fēng),能見度不小于2nm,作業(yè)浪高不大于1m,必需在白天進展作業(yè),潮流應(yīng)不在急漲和急落環(huán)境,調(diào)整風(fēng)流壓差,按規(guī)劃航線行船。

4.2平臺拖航的作業(yè)保證措施

平臺拖航應(yīng)嚴(yán)格遵守海上航行標(biāo)準(zhǔn),建立拖航實施工程組織機構(gòu),運輸責(zé)任單位與煙臺引航站提前溝通確認(rèn)航線和航線時間[11]。使用煙臺港拖輪,施工單位聽從引航站專業(yè)引航員指揮調(diào)度,嚴(yán)格根據(jù)既定時間地點路線安排拖輪。拖航前按規(guī)定檢查,說有設(shè)備實施保證正常運轉(zhuǎn)留有檢查記錄。拖航中,全部作業(yè)船舶配備通信設(shè)備準(zhǔn)時收聽頻道信息,準(zhǔn)時與過往船只溝通確保航線無障礙,同時留意不要誤入海水養(yǎng)殖區(qū)[12]。拖航船員應(yīng)穿戴齊全救生衣,根據(jù)安全操作規(guī)程進展作業(yè),制止“三違”。平臺拖航作業(yè)應(yīng)急處置,如突然遭受惡劣天氣