SCR是近几年国外提出的一种新型深水立管形式，其造价低廉、施工难度低等优点逐渐让其成为最主要的深水立管，也成为了各国研究者的重点研究对象．SCR的提升作业是SCR安装中的重要过程[1]．文献[2]对SCR提升作业进行了工程数值记录，结果发现当起重船定点提升SCR作业时，船舶缆绳顶张力逐渐增加，随着船舶移动，缆绳顶张力会在一定范围内浮动．文献[3]对SCR在注水工况及空管工况下的提升作业过程进行了数值分析，结果表明提升过程中SCR的弯曲应变会逐渐增加，且注水工况下SCR的弯曲应变始终大于空管工况．文献[4]研究了SCR的动力响应特性，结果发现海流的流向、内流的密度对立管内部张力和弯矩的影响较大．文献[5]研究了在内流作用下的SCR动力特性，研究结果表明：内流流速与管内顶端压强的增加会让立管的固有频率降低，而顶张力的增加会增加立管的固有频率．文献[6]针对SCR这类大位移小变形特征，提出了一种全局运动重构方法，成功捕捉了SCR在船舶运动平面内全局运动．文献[7]提出了一种数值解法，研究了SCR在上升激励下的运动传递规律及SCR顶端和触地点中相应的动力响应．文献[8-9]采用耦合动力学模型研究了SCR在耦合作用下的动力学响应结果．尽管研究者们对提升作业过程中SCR在内流、浮体激励条件下的动力响应特性做了详细的数值计算分析，但尚未有针对绞车不同提升速率下SCR的耦合动力响应的报道．为此，本研究采用sima软件，基于时域耦合理论与有限元法，建立安装作业船舶-A&R缆-SCR的动力学模型，分析SCR在提升过程中的耦合动力响应，并通过改变绞车提升速率，计算分析在不同提升速率下SCR的动力响应．1 SCR提升作业1.1　SCR提升作业流程SCR提升作业是通过作业船将平铺在海床上的SCR提升至适当位置的作业过程．如图1所示，作业船通过下放A&R缆与海床SCR连接后，行驶至预定位置处，回收A&R缆来提升海床上的SCR．图中1，2，3分别为SCR被提升的三个过程．10.13245/j.hust.211020.F001图1SCR提升作业流程图1.2　主要设备参数本研究所用SCR是材料等级为API-5L-X65的管线钢，SCR与A&R缆具体参数如表1所示．10.13245/j.hust.211020.T001表1SCR与A&R缆主要参数参数SCRA&R缆标称外径/m0.1680.139 7质量系数/(kg•m-1)90.73359.898 0轴向刚度/N1.773×1097.160 0×108弯曲刚度/(N•m2)5.959×1060.100 0扭转刚度/(N•m2•rad-1)4.606×1060.100 0本次仿真所用到的船舶设备为HYSY201船，该船是我国第一艘能够共同拥有3 km级水深管道铺设能力、全电力推进的动力定位系统且有着4 000 t级起重能力的深水铺管船[10]．HYSY201船长为204.65 m；型宽为39.2 m；型深为14 m；起重能力为4×106 kg；船舶自重为3.483 2×104 t．2 安装作业船舶运动分析2.1　势流理论基础势流理论是目前多数海上浮式结构物水动力性能分析的理论基础，假设浮体结构周围流体都是均匀、不可压缩的理想流体，此时流场中流体速度可用速度势梯度表示．在线性势流理论中，速度势可以分解为入射波势ϕI、绕射势ϕD、辐射势ϕR的形式，即ϕ=ϕI+ϕD+∑j=1mϕRj，式中ϕRj为j个运动模态下的辐射势．2.2　安装作业船舶时域运动分析基于牛顿第二定律，将工程船舶时域下的运动方程线性化，有Mx¨(t)=FR(t)+FH(t)+FW(t)+FE(t)，式中：M为惯性矩；x(t)为安装船舶位移；t为船舶运动时间；FR(t)为作业船舶受外界影响振动所产生的辐射力；FH(t)为船舶恢复平衡位置产生的静水回复力；FW(t)为波浪作用力；FE(t)为其他作用于船舶上的力．又有FE(t)=Fc(t)+Fw(t)+Fd(t)，式中：Fw(t)为作用于船舶上的风力；Fc(t)为作用于船舶上的流力；Fd(t)为船舶各推进器作用力．2.3　安装作业船舶面元模型对于一个面元模型而言，模型网格划分越细致，该模型的计算结果越接近真实结果，但计算难度也会随之增加，时常会导致结果出现异常，所以网格密度的选取在保证结果准确性的同时须保证计算效率[11]．本研究使用模型共划分有4 298个网格，模型在不同浪向下各自由度方向的运动幅值响应算子(RAO)计算船模试验结果基本一致．2.4　动力定位系统动力定位(dynamic position，DP)系统是一套确保船舶位置的控制系统，其由观测器系统、控制器系统与推进器系统三部分组成[12]．HYSY201船配备DP3级动力定位系统，其推进器布置图如图2所示．图中：①～⑦为HYSY201船的七个推进器；以船舶中心建立坐标系(xp，yp)，其中：xp沿船长方向指向船艏；yp垂直船长方向指向左舷；Lpp为HYSY201船垂线间长．当前坐标下船舶推进器具体位置如表2所示．10.13245/j.hust.211020.F002图2“HYSY201”船推进器布置图10.13245/j.hust.211020.T002表2SCR与A&R缆主要参数推进器编号xp/myp/m①-92.509.45②-92.50-9.45③-11.5215.40④-11.52-15.40⑤39.1514.00⑥39.15-14.00⑦54.210.003 SCR提升作业仿真分析3.1　管道有限元理论本次耦合动力学仿真研究基于有限元法完成，理论基于连续介质力学理论．材料中质点的运动可用拉格朗日方程表示，图3为质点P，Q在以基向量a1，a2，a3定义的坐标系中运动[13]，图中：dx0为C0结构下PQ长度；dxn为Cn结构下PQ的长度；ζ为质点在初始结构C0中的位置；质点经过一定时间t运动至Cn结构形态后，η为其位置矢量．10.13245/j.hust.211020.F003图3质点在空间中的运动质点P在任意结构形态中都可通过位置矢量来进行辨别，有η=η(ζ,t)．位移矢量的定义为η=ζ+μ．Green应变张量E可用于应变的计算．以初始结构形态C0为例，应变的大小为dxn2-dx02=2dζ•E•dζ．空间有限元系统模型的动态平衡一般可表达为FI(r,r¨,t)+FD(r,r˙,t)+FS(r,t)=FE(r,r˙,t), (1)式中：FI为惯性力；FD为阻尼力；FS为反作用力；FE为外载荷作用力；r为结构的位移；r˙为结构的速度；r¨为结构的加速度．式(1)为非线性微分方程，结构在惯性力、阻尼力及外载荷作用力的耦合作用下产生运动．本次仿真过程中立管单元坐标系如图4所示，图中：X方向为沿立管轴向；Z方向为垂直于立管横剖面；Y方向为垂直于立管中纵剖面．海床段立管单元坐标系与总体坐标系方向一致．10.13245/j.hust.211020.F004图4立管单元坐标系当绞车以恒定速度提升立管时，悬链线段处的张力为动态张力，针对此类情况，文献[14]提出图5所示模型计算动态张力，x1为悬链线顶端的切向运动距离．在图5中，绞车通过改变动态顶张力TDC，将与固定点P相连的长度为L的悬链线提升至虚线位置处．10.13245/j.hust.211020.F005图5管道提升模型P点处弯矩可列等式∫0L|df×r1|dl=aTDC，式中：dl为悬链线微元长度；r1为P点到dl的距离；df为垂直于r1的分力；a为动态顶张力TDC到P点的垂向距离．又有TDC=kE(x1-u)-kGu，式中：kE为轴向刚度；kG为悬链线几何刚度；u为悬链线位移．悬链线运动可用表达为cu˙|u˙|+ku=kEx1，式中：c为广义阻尼；k为广义刚度；u˙为悬链线运动速度．3.2　管道水动力响应分析和环境参数本研究基于半经验半理论的Morison公式对水下立管进行耦合水动力响应分析，单位长度立管水动力Fh可表示为Fh=ρV'emu˙r+ur(eL+|ur|eQ)，式中：ρ为流体密度；V'为浸没体积；em为附加质量系数；ur和u˙r分别为流体与立管相对速度、相对加速度；eL为单位长度立管线性阻尼系数；eQ为单位长度立管二阶阻尼系数．流体产生的水动力作用于立管，立管运动改变了流体与立管间的相对速度，从而流体水动力大小改变，水动力的改变再次影响立管的运动，循环往复．在立管与流体耦合作用下，产生一个时变相对速度，致使立管在时域内动力学响应结果随时间发生变化．为增加试验数据的适用性，本研究将以中国南海陵水17-2油气田所在海域环境为参考，本研究选取有义波高为2 m、百年一遇周期为10.8 s、风速为10 m/s、表面流速为0.46 m/s的环境条件，选用风浪流垂直于作业船舶中纵剖面的环境工况进行计算．4 计算结果分析本研究分别以1.0，2.0，2.5 m/s的提升速率完成了500 m A&R缆回收提管作业，具体计算结果分析如下．4.1　相同提升速率下结果分析当绞车以1.0 m/s的速率提升SCR时，SCR顶端节点X，Z方向的位移如图6所示．10.13245/j.hust.211020.F006图6SCR顶端节点运动由图6可见：随着提升作业的进行，SCR的运动状态也在发生着变化．当SCR未被提升时，SCR基本处在静止状态，在外界海流的作用下，各方向都会发生微小偏移；当SCR被提升时，SCR在X和Z方向有明显的位移变化，Z方向位移大致呈悬链线状，X方向位移较Z方向位移变化较小．节点的详细位移变化如表3所示．10.13245/j.hust.211020.T003表3节点详细位置位置X/mZ/m初始937.5-1 434.2最终843.4-959.7本研究共选取编号分别为400，384，350，300的四个单元进行分析，四个单元距末端长度分别为4 437.5，4 260.0，3 882.8，3 328.1 m．图7为四个单元的弯矩M随A&R缆回收长度L变化曲线．10.13245/j.hust.211020.F007图7单元弯矩时历曲线图如图7所示：随着提升作业的进行，SCR触地点单元附近曲率逐渐减小，触地点单元所能达到的最大弯矩值逐渐减小，且达到最大弯矩后的时历曲线与初始单元弯矩时历曲线基本重合．编号为400，384，350，300的四个单元在耦合动力响应下达到的最大弯矩值Mmax分别为18.70，12.79，7.23，3.81 kN•m．4.2　不同提升速率下结果分析图8为船舶在不同提升速率作业下的横摇XL、纵摇YL和垂荡Zg运动．由于HYSY201为动力定位船舶，所以其在横荡、纵荡和艏摇三个自由度下的运动基本一致．在三种作业状态下，船舶在纵摇和垂荡两个自由度方向的运动基本未受提升速率的影响．船舶在提升作业过程中会稍稍向左舷倾斜，且提升作业速率越大，船舶倾斜角度会越大．船舶在横摇、纵摇、垂荡三个自由度方向的运动极值如表4所示，表中v为提升速率．10.13245/j.hust.211020.F008图8不同提升速率下作业船舶运动10.13245/j.hust.211020.T004表4不同提升速率下的船舶运动自由度运动极值v/(m•s-1)1.02.02.5横摇/(°)最大0.0000.0000.000最小-1.986-2.438-2.879纵摇/(°)最大0.0370.0570.046最小-0.071-0.097-0.092垂荡/m最大0.1980.1380.137最小-0.210-0.186-0.150图9为三个速度下回收500 mA&R缆作业过程中的SCR顶端单元弯矩变化曲线，由图可见：三个提升速率下的最大弯矩值基本一致，随着提升作业进行，当回收相同长度A&R缆时，提升速率越大，弯矩越大．1.0，2.0，2.5 m•s-1三个提升速率下的最大弯矩分别为18.70，17.78，17.84 kN•m．10.13245/j.hust.211020.F009图9不同提升速率下SCR顶端单元弯矩图10为不同提升速率下顶张力T随L变化曲线，由图可见：随着SCR提升作业进行，船舶所受顶张力在逐渐增加，且变化越来越剧烈．在提升作业初始阶段，由于SCR提升较少，悬垂段的SCR与A&R缆缆重力较小，无须船舶提供较大顶张力，因此三个速度下的船舶顶张力大小基本一致．当提升作业进行到一定阶段时，悬垂段的SCR比例增加，船舶须要提供的顶张力增加，不同提升速率下所需的顶张力大小出现较大差异，SCR提升速率越快，所需的船舶顶张力越大．耦合动力学模型在1.0，2.0，2.5 m•s-1三个提升速率下的最大顶张力Tmax分别为2.742 6，3.675 4，4.191 8 MN．10.13245/j.hust.211020.F010图10不同提升速率下的顶张力变化曲线5 结论a. 在SCR提升作业过程中，随着SCR的提升，SCR触地点附近曲率减小，SCR触地点附近弯矩减小．各单元在到达最大弯矩之后的时历曲线基本重合于SCR初始单元弯矩时历曲线．b. 由于在SCR提升作业过程中，各单元节点并非简单的线性运动，而是做有一定曲率的弧线运动，因此在X，Z分方向上运动存在着加速度，SCR的提升速率越大，Z方向上的加速度增大，A&R缆顶端张力越大，悬垂段处SCR弯矩越大．