关于坐底式潜标的设计与布放回收

SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援5May.圆园18袁栽燥贼葬造晕燥援292在海上石油平台设计与生产过程中，海流对平台本身的影响十分巨大，获得长期连续的海流资料对整个石油平台的安全至关重要。笔者设计了一套坐底式海流观测设备进行观测海域的布放与回收，对相关海域进行海路观测任务。系统由浮球、观测设备、钢丝绳、并联释放机构、释放器、锚系重物组成，ADCP内置于浮球内，DVS和CTD依附于钢丝绳上，浮球、钢丝绳、释放器、锚系重物通过卸扣及连接环进行连接，具体结构见图1。1受力计算系统由浮球、不锈钢丝绳、释放器、锚系重物以及ACDP，DVS，SBE37等组成，ADCP内嵌于浮球内，通过钢丝绳与释放器及锚系重物连接，SBE37，DVS依附与钢丝绳上，释放器采用并联装置进行连接，各个部件之间通过卸扣及连接圆环进行连接，该系统为坐底式潜标，浮球距离海面5m。系统组成及参数如下。1）浮球1个，直径1.016m，空气质量313kg，水中浮力210kg。2）ADCP观测设备1台，空气质量56kg，水中质量44kg。3）DVS观测设备1台，空气质量7.6kg，水中质量2.6kg。4）SBE37观测设备1台，空气质量4kg，水中质量2kg。5）释放器2个，空气质量33kg/个，水中质量22kg/个。6）钢丝绳5m，直径14mm，质量0.85kg/m。1.1受力分析系统在工作状态下会受到海流作用，发生倾斜或者位置转移，因此需要计算在海流作用下系统的受力分析。系统水中受力图见第45页图2。该计算假设系统如下。1）系统位于海平面下190m处，不考虑波浪对系统的影响，仅对系统进行静力分析。关于坐底式潜标的设计与布放回收文章编号：1674-9146渊圆园18冤05原园044原园4张羽1，倪佐涛2，赵飞达1摘要：介绍了坐底式潜标的设计及受力计算，通过采用主浮力球、缆绳、释放器、锚系等部件组成坐底式潜标系统，搭载ADCP等海流测向设备，对系统在海底中的受力情况进行分析，完成各个部件及整体受力计算，并对锚系配重等进行核算。试验证明，该系统可以稳定安全地在海底进行相关工作。关键词：坐底式潜标；受力计算；潜标布放；潜标回收中图分类号：P715.2文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.05.044收稿日期：圆园18原03原18曰修回日期：圆园18原03原20作者简介：张羽（1984-），男，山西朔州人，工程师，主要从事水文气象观测系统设计和数据分析研究，E-mail：[e-mail]。通信作者：倪佐涛（1975-），男，山东青岛人，硕士，高级工程师，主要从事海洋仪器开发及环境工程设计研究，E-mail：[e-mail]。（1.中海油信息科技有限公司，北京100027；2.中国科学院海洋研究所，山东青岛266071）图1潜标系统结构设计示意图锚系重物释放器并联装置钢缆浮球ADCPCTDDVS*可持续发展SustainableDevelopment044科技创新与生产力2018年5月总第292期2）系统位于海面下的海流为水平海流，大小恒定，不随深度变化。3）海流方向没有垂直分量，且与缆索径保持同面。4）锚缆在拉力作用下伸长忽略不计。系统的静力分析和姿态计算是设计的理论基础和前提。静力分析和姿态计算的数学模型是建立在上述假设条件基础上的。系统受到浮力、重力、张力、流体动力、海底摩擦力和抓力等作用，处于静力平衡的状态。可以表示为ni=1移B軑i+W軛i+T軋i+R軑i+F軋+F軋z=0.（1）式中：B軑i为各部件的浮力；W軛i为各部件的重力；T軋i为各部件的张力；R軑i为各部件的流体动力；F軋为锚与海底的摩擦力；F軋z为锚系重物与海底的抓力。系统各部件尺寸、物理性能和流体动力都不相同，因此采用分离法将系统分成多个组件进行计算，对于不同的组件采用不同的方法来处理。系统分为浮球、锚缆、释放器、锚缆、锚系重物等组件，分别进行计算。计算从浮球开始，向下逐个计算，一直到锚系重物，计算出每一个组件的张力、倾角、受力情况[1]。1.2各部件受力计算1.2.1浮球基本假设：一是锚缆张力的作用通过浮体重心；二是缆绳连接点作用在浮体下表面。系统受力和浮体受力情况见图3，浮体处于静力平衡状态，各力的平衡方程为B-W-Tcos椎=0.（2）R-Tsin椎=0.（3）求解方程得T=（B-W）2+R2姨.（4）椎=arctanRB-W.（5）式中：B为浮力所受浮力；W为浮体的重力；T为锚缆的张力；椎为锚缆的张力与垂线夹角。流体阻力R为R=12CD籽v2A.（6）式中：CD本浮体取1.0；籽为海水密度，取1.03伊103kg/m3；v为海流速度；A为流方向的横截面积，浮球为球体，横截面积为仔r2。1.2.2锚缆受力分析锚缆在海流作用下，上端受到浮球的拉力，下端受到锚系重物的拉力，本身受到海流阻力，会产生一定变形，锚缆受力分析见图4。图4中，T为锚缆上端拉力；T+dT为锚缆下端拉力；D为锚缆法向阻力；F为锚缆切向阻力；P为锚缆在水中的质量；椎为锚缆与海流方向夹角；d椎为锚缆下端角度椎的变化量。将锚缆上的力按照法线方向和垂线方向进行分解，得到锚缆受力方程。法线方向静力平衡方程为（T+dT）sind椎-Dds-Pcos椎ds=0.（7）由于sind椎抑d椎，dTd椎抑0，可以简化为Td椎=（D+Pcos）ds.（8）切线方向静力方程为-T+（T+dT）cosd椎+Psin椎ds-Fds=0.（9）由于cosd椎抑1，可以简化为dT=（F-Psin椎）ds.（10）该系统采用直径14mm的不锈钢丝绳，作用力以重力为主，方程中阻力项可以忽略不计，即P远图2系统水中受力示意图ADCP浮球锚缆释放器锚系重物锚缆图3浮球受力示意图vBRWT图4锚缆受力示意图TFdsDdsPdsdsvT+dT椎d椎可持续发展SustainableDevelopmentv045SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援5May.圆园18袁栽燥贼葬造晕燥援292大于D和F。锚缆简化受力图见图5。上述静力方程简化为Tcos椎=（T+dT）cos（椎+d椎）.（11）Tsin椎+P=（T+dT）sin（椎+d椎）.（12）由上式可以得出椎+d椎=arctanTsin椎+pTcos椎.（13）T+dT=cos（椎+d椎）Tcos椎.（14）1.2.3释放器受力分析图6为并联释放器处于静力平衡状态的示意图，各力的平衡方程由下式给出。各力的平衡方程为B释-W释-T上cos兹上-T下cos兹下=0.（15）R释-T上sin兹上-T下sin兹下=0.（16）式中：B释为释放器浮力；W释为释放器重力；T上为释放器上端张力；兹上为上张力与垂线夹角；T下为释放器下端张力；兹下为下张力与垂线夹角；R释为释放器流体阻力。1.2.4锚系受力分析锚系由锚系重物和抓力锚组成，相互之间用锚链连接，潜标系统着地后，锚系受力见图7。系统稳定状态下，锚系重物量W大于作用在锚系上的垂直方向上的张力Tcos椎和锚浮力B之和，在水平张力Tsin椎作用下，锚系重物在自身重力作用下于海底表面产生摩擦力F，抓力锚在自身重力下插入海底，产生抓力F抓共同与水平力平衡。于是，锚系将系统固定在设计位置。锚系力的平衡方程为W＞B+Tcos椎.（17）Tsin椎=F+F抓.（18）式中：W为锚系重物的重量；B为锚系重物的浮力；T为系统作用在锚系上的张力；椎为张力与垂线之间的夹角；F为锚系重物与海底的摩擦力；F抓为抓力锚的水平抓力。根据上述分析，将已知数据分别代入方程中，得到以下结果（见表1）。表1中ABCD各点分别代表A为浮球底端、B为释放器上端、C为释放器下端、D为锚系重物顶端的连接环。系统所需锚系重物垂直方向拉力需大于系统拉力在垂直方向的拉力和锚系重物的浮力之和，经过计算，在极限流速下，假设锚系重物的浮力为1960N，系统垂直方向所受拉力为B+Tcos椎=1960N+650.72N=2610.72N.（19）水平方向所受拉力为Tsin椎=1334.76N.（20）1.3锚系长度计算系统采用抛投式布放方案，系统入水后自由降落至海底，系统在辅助释放器释放后，在锚系重力作用下加速下沉，下降速度不断增加，作用在浮球上的水阻力也不断增加，最终系统浮力和水阻力与锚系重力达到平衡，下沉速度达到1.5~2m/s，在锚系重物沉到底后，系统在浮球作用下减速运动，在2s内完成减速动作，预计行程约为3~4m。该系统图5锚缆简化受力示意图TPT+dT椎+d椎椎图6释放器受力示意图vB释R释W释T上T下图7锚系重物受力示意图TBFWF抓椎表1系统各连接环受力表136.1688.25137.1283.02141.1774.60151.5463.91137.5088.30138.4083.10142.4074.70152.7064.10151.4688.42152.3183.72155.9776.09165.4266.24154.0688.45154.9083.83158.5076.32167.8066.60流速/m·s-10.100.200.300.40ADCB拉力（kg）水平倾角（毅）拉力（kg）水平倾角（毅）拉力（kg）水平倾角（毅）拉力（kg）水平倾角（毅）可持续发展SustainableDevelopment项目v046科技创新与生产力2018年5月总第292期DesignandLaunchingandRetrievalaboutBottom-supportedSubsurfaceBuoyZHANGYu1，NIZuo-tao2，ZHAOFei-da1（1.CNOOCinformationtechnologyCo.,Ltd,Beijing100027China;2.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,ShandongQingdao266071China）Abstract：Inthispaper,theauthorsintroduceddesignandstresscalculationofbottom-supportedsubsurfacebuoy.Then,theauthorsconstitutedbottom-supportedsubsurfacebuoysystemthroughusingmainbuoyancyball,mooringrope,releaserandan-chorrope.Thirdly,theauthorsanalyzedstressconditionofthesystematthebottomoftheseabyusingseawaterdirectionfindingset,suchasADCP.Intheend,theauthorscheckedadditionalweightofanchorrope.Thetestresultsshowsthatthesystemcanbecarriedoutactivitiesstablyandsafely.Keywords：bottom-supportedsubsurfacebuoy;stresscalculation;subsurfacebuoylaunching;subsurfacebuoyretrieval预留5m长钢丝绳，符合要求，能够保证系统的安全。1.4材料选择根据上述计算，考虑实际应用中的腐蚀问题和足够的安全富余量，笔者采用的锚缆为直径14mm的不锈钢丝绳，该钢丝绳破断强度为49000N以上；连接环部分采用直径16mm的316L不锈钢卸扣，可以承受拉力为29400N；锚系重物由720kg配置和200kg拉力锚组成，符合系统设计要求。2系统布放与回收准备工作2.1对布放船舶的要求根据以往海上工作经验，为顺利实现现场投放工作，现场作业船需要具备以下基本性能：一是具有艏测推功能。二是具有1台3t以上起吊能力的船吊，船吊需