波浪作用下平臺吊放遙控水下機器人系統共振響應研究*

李文喆, 常安騰, 曹航語, 杜君峰

(中國海洋大學工程學院, 山東 青島 266100)

隨著海洋油氣開發向深海發展,水下生產系統設備的應用越來越多,全世界有130多個海洋油氣田應用了水下生產系統[1],水下安裝、檢測、探傷修復等深水作業需求重大,遙控水下機器人(Remotely operated underwater vehicle,ROV)在水下石油生產系統的運行維護中扮演非常重要的角色[2]。然而,在ROV投入作業前的下放過程中,動力現象復雜、風險大,因此在ROV的下放過程中保障其系統安全至關重要。

現階段,人們對作業船舶吊放機器人做了一些研究。劉永林[3]采用時域和頻域方法分析母船-吊纜-ROV系統的動力學特征,對垂直纜索運動特性進行了研究。徐詩婧[4]通過建立ROV多體耦合系統運動學和動力學模型,分析了母船-臍帶纜-ROV多體耦合的運動學和動力學特性。顧永寧等[5]和任會禮等[6]采用數學建模的方法,對船舶-吊物系統進行耦合計算,得到吊物的共振區域范圍。在這些研究中,主要針對的是采用母船進行ROV下放的過程。近年來,由于油氣鉆采平臺直接下放ROV具有操作簡單、靈活性高、經濟性好等特點,因此越來越受到青睞。但深海石油鉆采平臺和作業船舶的水動力特性差異較大,整體系統動力響應特征不同,深海石油鉆采平臺下放ROV的過程需要進一步的深入研究。

在ROV的實際下放過程中,隨著纜長的變化,吊纜-ROV系統的固有頻率不斷變化,在整個下放過程中,系統存在較寬的共振頻率范圍,且同波浪激勵和平臺運動發生共振或諧振的可能性較大。要安全、有效地下放,就需要對ROV下放過程中的共振機理和共振響應特性有清晰的認識。Driscoll等[7]通過對垂直吊放ROV系統進行了自由度相關性測定發現,起重船同ROV的垂向耦合運動明顯。朱克強等[8]通過建立纜索系統垂向吊放解析模型,計算了系統固有頻率,預測纜索松弛情況。王瑩瑩等[9]針對水下管匯下放,建立了運動方程,進而求解管匯發生軸向共振時的水深。綜上可以看出,目前人們主要關注ROV的垂向共振,事實上,在ROV下放過程中更易發生共振,進而會引起吊纜的彎折。此外,ROV擺動幅度過大會引起較大的縱蕩,從而會有ROV同平臺及其附屬用具發生碰撞的危險。

本文針對某深水半潛式鉆井平臺下放ROV的過程,使用Orcaflex建立平臺-吊纜-ROV系統的耦合分析模型,采用時域方法研究波浪作用下ROV下放過程的共振響應及影響因素,重點關注ROV共振時的ROV擺動角度、吊纜張力、ROV縱蕩響應,并給出了下放速度的取值建議以降低共振響應,對保障ROV的安全下放具有一定的工程意義。

1 計算模型

本文耦合模型如圖1所示,通過鉆井平臺上的絞車將ROV于鉆井平臺的一側進行吊放。其中,某半潛式鉆井平臺為雙下浮體、四立柱、兩組橫撐、箱型甲板的船體型式,如圖2所示。平臺作業水深為1 000 m,作業工況下吃水19 m,排水量51 616.4 t。如圖3所示,系泊系統分4組,共有12根系泊纜,系泊纜為錨鏈-聚酯纜-錨鏈三段式。應用商業軟件HydroD計算平臺運動的響應幅值算子(Remotely operated vehicle,RAO),結果如圖4所示。

圖1 耦合模型

((a)濕表面模型 Wet surface model; (b) 網格模型 Grid model.)

(①～分別為1～12號系泊纜。①～ are mooring cables from No.1 to No.12, respectively.)

((a)縱蕩RAO;(b)垂蕩RAO;(c)縱搖RAO;(d)橫蕩RAO;(e)垂蕩RAO;(f)橫搖RAO。(a)Surge RAO;(b)Heave RAO;(c)Pitch RAO;(d)Sway RAO;(e)Heave RAO;(f)Roll RAO.)

ROV采用SAAB公司的某型號水下機器人,置于平臺左側,搭配8型中繼器系統。為方便計算,將帶有中繼器的ROV模型簡化為長方體,參考規范DNV-RP-H103[10],根據ROV形狀簡化計算得到水動力系數,用于ROV的運動響應分析。吊纜數據參考文獻[11],吊纜和ROV的具體參數設置如表1和2所示。

表1 吊纜參數

表2 帶有中繼器的ROV參數Table 2 ROV parameters with TMS

2 空中下放階段的ROV共振響應分析

基于頻域水動力分析數據,考慮平臺-吊纜-ROV的耦合運動,采用海洋工程軟件Orcaflex對耦合系統進行時域分析,研究ROV在空中下放階段的共振響應特性,分析不同吊纜長度的ROV共振響應。

首先,計算了4種纜長在2～10 s周期的單位波幅波浪作用下的ROV擺角幅值,如圖5所示。

((a)吊纜長度5 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 5 m;(b)吊纜長度10 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 10 m;(c)吊纜長度15 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 15 m;(d)吊纜長度20 m時的ROV擺角 ROV swing angel when the cable length is 15 m.)

在波浪荷載的作用下,擺動幅值在特定波浪周期下出現峰值,ROV有明顯的共振響應,當吊纜長度分別為5、10、15、20 m時,ROV擺動對應的共振波浪周期分別為4.5、6.5、7.9、8.9 s。

為進一步完整分析空中下放階段中ROV的共振響應特性,進一步細化下放過程,得到空中下放階段的吊纜長度、波浪周期和ROV擺動角度的三者關系圖(見圖6)。

圖6 吊纜長度、波浪周期、ROV擺動角度關系圖

提取圖6中的峰值點,分析下放纜長與對應共振周期的關系,并將ROV共振周期與單擺共振周期公式所計算的數值進行對比(見圖7)發現,二者符合較好,誤差均小于3%,即在空中下放階段ROV擺動共振周期可用單擺固有周期計算公式進行估算,可在作業過程中進行快速分析。

圖7 不同吊纜長度下的ROV共振周期統計圖

此后,進一步分析共振時的ROV擺動角度同吊纜張力峰值關系(如圖8)發現,吊纜頂端張力峰值同ROV擺動角度正相關。在吊纜長度為8～15 m時,由于ROV共振頻率和平臺縱搖RAO峰值對應的頻率區域重合,加劇了吊纜-ROV系統的共振響應,因此出現擺動角度較大的情況。

圖8 不同吊纜長度下的ROV擺動角度和吊纜張力峰值

結合圖7和8可以看出,空中下放階段的ROV共振波浪周期范圍在2.8～9.3 s之間,尤其當波浪周期在5～8 s時,ROV共振響應尤為劇烈,這與平臺縱搖RAO的一個峰值區域相對應(見圖4(c))。

3 水中下放階段的ROV共振響應分析

3.1 ROV水中下放的共振響應特性

本章研究ROV在水中下放階段的共振響應特性?？紤]ROV的水動力系數,選取不同的下放位置,計算不同吊纜長度的ROV共振響應結果運動響應。分析水中下放階段的纜長同對應的共振周期的關系,并同單擺的共振周期的計算公式進行對比(見圖9)發現,誤差隨纜長的增加不斷增大。對單擺的共振周期公式進行修正如式(1)所示,修正公式估算共振周期誤差能保持在4%以內,可為水中下放階段估算ROV共振周期提供參考。

圖9 不同吊纜長度下的ROV共振周期統計圖

(1)

式中:T為ROV的共振周期;l為吊纜長度。

水中吊放時,ROV共振擺角幅值明顯較空氣中下放時小,這主要是因為海水對ROV和吊纜產生了較大的阻尼荷載;同時,吊纜長度的增加使吊纜-ROV系統在水中的阻尼增大,導致ROV的共振擺角隨纜長的增加而減小。分析吊纜長度同ROV共振時的擺動角度和吊纜張力響應峰值的關系(見圖10)發現,由于ROV的擺動角度較小,吊纜張力的動力項較小,張力主要受系統重力影響,因此吊纜頂端張力峰值隨纜長的增加而增大,增加值主要來自于吊纜纜重的貢獻。

圖10 不同吊纜長度的ROV擺動角度和吊纜頂端張力峰值

3.2 流荷載對ROV共振響應的影響分析

考慮到流荷載對ROV運動響應的影響,對流速大小對ROV共振周期及共振響應的影響規律開展研究,結果見表3,發現流速越大,共振周期越大,ROV受到阻力越大,共振擺角則越小,但是對吊纜頂端張力峰值影響不大。

表3 特征纜長下,不同海流流速下ROV共振響應

4 ROV下放過程模擬分析

4.1 ROV下放過程中的共振分析

依據不同海區的波浪條件特征,選取特定作業工況,有義波高2 m,譜峰周期為8和16 s。設置吊點高度25 m,ROV起吊高度22 m,初始纜長3 m,下放速度0.1 m/s。對ROV連續下放過程進行分析,得到其動態響應,計算結果如圖11和12所示。由結果可以發現,ROV下放過程中存在明顯的共振現象。當譜峰周期Tp=8 s時,且ROV下放至120 s時,ROV縱蕩和吊纜底端張力突然變大并持續到200 s,此時纜長伸長至15～23 m,對應的吊纜-ROV系統共振周期為7.8～8.3 s,固有頻率為0.12～0.13 Hz,正好與波浪譜能量集中的頻率區域相重合,如圖13所示,激發系統產生共振響應;類似地,當譜峰周期Tp=16 s時,ROV下放至470 s時,ROV縱蕩和吊纜底端張力變大并持續到550 s,此時纜長伸長至50～58 m,對應系統的共振周期為15.4～16.9 s,固有頻率為0.05～0.06 Hz,與波浪譜能量集中的頻率區域相重合,如圖14所示。

圖11 下放速度為0.1 m/s時的ROV縱蕩響應時歷圖

圖12 下放速度為0.1 m/s時的吊纜底端張力時歷圖

圖13 譜峰周期Tp=8 s的波浪頻譜

圖14 譜峰周期Tp=16 s的波浪頻譜

特別地,圖12中出現張力驟降是因為隨著吊纜的下放,ROV從空中下放至水中,由于海水給ROV提供了浮力,因此吊纜底端張力會出現突然減小的現象。吊纜張力出現較大波動區域的原因則是因為ROV處于共振區域,吊纜張力受系統的運動影響,因此吊纜底端張力隨ROV運動響應的增大而出現較大的波動。

4.2 下放速度對共振現象的影響分析

考慮到不同下放速度可能對ROV下放過程中的共振現象的影響,本文針對4.1節中的第一個作業工況(有義波高2 m,譜峰周期為8 s),分別以0.1、0.2、0.3 m/s的速度下放ROV,響應時程如圖15—16所示。

圖15 譜峰周期為8 s時的ROV縱蕩響應時歷對比圖

圖16 譜峰周期為8 s時的吊纜底端張力時歷對比圖

可以看出,通過不同速度下放ROV都會存在共振問題,但相應特征差別明顯,下放速度為0.2 m/s時,ROV的縱蕩響應明顯較其他兩個速度下放時的響應小。因此,在該海況下作業時,推薦以0.2 m/s的速度進行ROV的下放。

5 結論

(1)空中下放階段,ROV的搖擺共振周期可通過單擺固有周期計算公式進行估算;吊纜頂端張力峰值同ROV擺動角度正相關。ROV共振頻率與平臺縱蕩RAO峰值所對應的頻率區域重合時,將導致ROV共振更加劇烈。

(2)水中下放階段,通過本文修正的單擺共振周期計算公式可相對準確地對ROV共振周期進行估算。由于吊纜-ROV系統在水下存在阻尼,ROV共振響應相比空中階段大幅度減小?？紤]流荷載的影響,水流速越大,ROV共振周期越大,ROV共振擺角越小。由于ROV的擺動角度較小,所以吊纜張力的動力項較小,因此張力主要受系統重力影響而隨纜長增加而增大。

(3)選取典型的作業工況,對ROV的連續下放過程進行模擬,響應時程顯示存在明顯的共振段,共振響應區域對應的系統固有頻率范圍與波浪譜能量集中的頻率區域重合。ROV下放速度對下放過程中的共振響應有顯著影響,可通過選擇合適的下放速度以降低ROV共振響應,保障系統安全。