海洋地震拖纜阻力試驗(yàn)范文

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《船舶工程雜志》2016年第一期

摘要：

海洋地震拖纜是海洋油氣資源勘探中的重要設(shè)備，為研究海洋地震拖纜在拖曳狀態(tài)以及有橫向干擾時(shí)的阻力特性，進(jìn)行了縮比模型試驗(yàn)。基于應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套高靈敏度測(cè)力機(jī)構(gòu)，用于間接測(cè)量拖纜及其附件的首端張力值，以求得拖纜的實(shí)際阻力。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，分析了拖纜速度及橫向干擾對(duì)拖纜阻力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在低速拖曳下拖纜阻力與速度的二次方成正比關(guān)系；在有橫向干擾時(shí)，拖纜阻力可看作無(wú)干擾時(shí)的平衡力和與干擾頻率有關(guān)的正弦脈動(dòng)力的疊加，當(dāng)干擾頻率一定時(shí)，脈動(dòng)阻力幅值與平衡阻力的比值基本為常數(shù)。基于以上試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合量綱分析法，能夠?qū)?shí)際拖纜阻力進(jìn)行較好估算。

關(guān)鍵詞：

海洋地震拖纜；阻力測(cè)試；橫向干擾；試驗(yàn)研究

海洋地震勘探是目前世界上進(jìn)行海洋油氣資源勘探的主要手段。海洋地震勘探系統(tǒng)通常由拖船、重力導(dǎo)纜、水下勘探拖纜、纜載設(shè)備、尾繩、尾拖等組成，如圖1所示。拖纜長(zhǎng)度一般為幾百到幾千米，重力導(dǎo)纜主要是用來(lái)限定拖點(diǎn)深度的，而尾拖則是讓拖纜尾部保持緊張狀態(tài)。在拖曳過(guò)程中，拖纜纜形近似為直線，拖纜保持張緊狀態(tài)，可認(rèn)為拖纜在水中所受的重力與浮力基本平衡。由于海水的阻力作用，以及作業(yè)中常遇到的橫向周期性海流的干擾作用，拖纜在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受阻力較大，在穩(wěn)定運(yùn)行的工況下，拖纜所受阻力可以用首端張力值來(lái)代替[1]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下拖纜的研究主要包括數(shù)值研究和試驗(yàn)研究。AblowandSchechter（1983）[2]、Dowling（1988）[3]、Yamaguchi（2000）等人給出了拖纜運(yùn)動(dòng)的線性化模型并將有限差分法引入拖纜控制方程的求解中；王飛[4]討論了海流、海底、海水密度等對(duì)拖纜運(yùn)動(dòng)的影響；王春杰[5]研究了橫向海流作用下拖纜的姿態(tài)控制；張廣磊[6]使用廣義α算法模擬了拖纜的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性；吳喆瑩[7]對(duì)拖纜的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究；劉濤[8]對(duì)模型拖纜進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并分析了在穩(wěn)定直航及加速過(guò)程中拖纜首端張力和剪力的變化情況。由于之前學(xué)者對(duì)水下拖纜的研究主要集中在數(shù)值研究上，計(jì)算過(guò)程均進(jìn)行了一定程度簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果具有一定的局限性，在劉濤的試驗(yàn)中，拖纜尾部是自由端，未連接尾拖，拖纜密度比水大，未能很好地模擬拖纜在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也未考慮外界干擾對(duì)拖纜阻力的影響。因此，本文在以上理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，增加了重力導(dǎo)纜、尾拖和橫向正弦干擾等試驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)了新的拖曳試驗(yàn)，自主研發(fā)了彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)，并通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)力機(jī)構(gòu)的可靠性，進(jìn)一步研究了水下拖纜阻力與速度及干擾頻率的關(guān)系。

1試驗(yàn)臺(tái)架及工況

拖曳試驗(yàn)臺(tái)架俯視和側(cè)視圖如圖2和圖3所示。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)分為拖車(chē)系統(tǒng)和拖曳系統(tǒng)兩部分。拖車(chē)系統(tǒng)由拖車(chē)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、橫向激勵(lì)機(jī)構(gòu)、彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)及水下攝像機(jī)組成，拖曳系統(tǒng)由重力導(dǎo)纜、拖纜、尾拖組成，拖車(chē)系統(tǒng)與拖曳系統(tǒng)通過(guò)纜索連接。水池長(zhǎng)50m，深3m，拖纜為注入酒精的硅膠管，在水中的浮力等于重力，其長(zhǎng)為10m，直徑為0.025m。試驗(yàn)分別測(cè)量3種拖曳對(duì)象在不加外激勵(lì)時(shí)5種拖曳速度下拖纜首端張力值，然后在對(duì)象III下分別測(cè)量每一速度下4種不同的干擾頻率下拖纜首端張力值，總計(jì)35種不同工況。試驗(yàn)對(duì)象及工況如表1所示。

2彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及標(biāo)定

在拖纜的水池拖曳試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)拖曳速度較大時(shí)，拖纜所受的阻力是幾個(gè)牛頓的數(shù)量級(jí)，因此一般量程的力傳感器在精度上無(wú)法滿足要求。此外，由于試驗(yàn)在水池中進(jìn)行，對(duì)傳感器的密封與抗干擾性能的要求較一般力傳感器高。為滿足上述要求，本試驗(yàn)采用自制的彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)。在對(duì)不同材料、不同形狀的彈性元件進(jìn)行試驗(yàn)后，選用聚丙烯材料制成的扁平狀物體作為試驗(yàn)用彈性元件，此彈性元件不僅有較大的單位應(yīng)變量，在本試驗(yàn)測(cè)量的范圍內(nèi)還具有良好的線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。連桿選用剛度遠(yuǎn)大于彈性元件的實(shí)心鋼桿，鋼桿形變可以忽略不計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)的彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，測(cè)量此測(cè)力機(jī)構(gòu)的靈敏度。彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)的標(biāo)定試驗(yàn)裝置圖如圖4所示。對(duì)設(shè)計(jì)的彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行多次標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的一致性，取其中一組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，如圖5所示，得出每牛的力會(huì)引起此測(cè)力機(jī)構(gòu)268的微應(yīng)變。

3試驗(yàn)結(jié)果處理和計(jì)算分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到外界信號(hào)干擾，因此需要對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行低通濾波，然后選取其在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)過(guò)程下的一段信號(hào)求出平均微應(yīng)變，根據(jù)上述標(biāo)定試驗(yàn)的結(jié)果換算成阻力的大小。

3.1無(wú)干擾情況圖6～圖8給出了三種試驗(yàn)對(duì)象在拖曳速度分別為0.3m/s、0.5m/s及0.7m/s下的微應(yīng)變—時(shí)間圖。表2給出了試驗(yàn)測(cè)得的不同工況下的首端張力。對(duì)象I的首端張力隨速度變化的曲線如圖9所示，試驗(yàn)所用尾浮筒是用內(nèi)空的圓錐形鋼質(zhì)材料制成的。由于浮筒浮力等于重力，因此其首端張力等于其在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的水阻力。由圖9可知，在速度較低時(shí)，圓錐形內(nèi)空的尾浮筒受水阻力與其速度的一次方近似呈正比關(guān)系，隨著速度的增大，水阻力也增大，且增大的速率更快，遠(yuǎn)大于速度增加的速率。對(duì)象II、對(duì)象III下首端張力以及求得的拖纜阻力隨速度變化的曲線如圖10所示，拖纜阻力與速度二次方的關(guān)系曲線如圖11所示。由圖11可知，拖纜所受阻力F與速度V的二次方近似成正比關(guān)系，擬合曲線得到。理論上，當(dāng)速度V=0時(shí)，F(xiàn)=0，但是由于試驗(yàn)中存在裝置及水面波動(dòng)等不可避免的影響，使得有0.024N的誤差，因誤差很小，故可忽略不計(jì)。這樣得到靜水中低速運(yùn)動(dòng)的此拖纜所受阻力。拖曳試驗(yàn)速度達(dá)到1m/s以上時(shí)，拖曳系統(tǒng)變得不太穩(wěn)定，測(cè)得的拖纜阻力值變大明顯；對(duì)于實(shí)際運(yùn)動(dòng)的拖纜，可認(rèn)為它們的Froude數(shù)相同，得出實(shí)際拖纜運(yùn)動(dòng)的臨界速度。

3.2有橫向正弦干擾時(shí)由于拖纜在實(shí)際拖曳過(guò)程中，不可避免地會(huì)遭遇橫向海流、拖船急轉(zhuǎn)彎等低頻干擾情況，因此有必要研究低頻干擾下拖纜阻力的變化情況。在對(duì)象III的試驗(yàn)中，給系統(tǒng)加一水平橫向的正弦干擾，在不同頻率干擾下，保持干擾力幅值不變。拖纜運(yùn)行過(guò)程的微應(yīng)變—時(shí)間圖如圖12所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出的不同工況下拖纜受到的平均阻力如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可以看出，忽略試驗(yàn)誤差等因素，增加不同頻率的橫向正弦干擾時(shí)，拖纜所受的平均阻力基本不變。考慮到在有正弦干擾的情況下，拖纜上的張力也是周期變化的，為了保證拖纜能夠有效工作，需要研究運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大張力的變化情況。表4給出了不同速度下不同頻率時(shí)拖纜上的最大張力值。由表4數(shù)據(jù)可知，在有橫向干擾時(shí)，拖纜阻力可看作無(wú)干擾時(shí)的平衡力和與干擾頻率有關(guān)的正弦脈動(dòng)力的疊加。同一速度下，外加干擾頻率增加時(shí)，拖纜最大張力增大；同一頻率下，正弦脈動(dòng)力幅值與無(wú)干擾時(shí)平衡力的比值基本為常數(shù)，在0.3Hz、0.5Hz、0.7Hz、1.0Hz時(shí)增大的百分比大約分別為3%、6%、10%、15%。圖13和圖14分別給出了0.3m/s和0.7m/s時(shí)拖纜最大張力與平均張力隨干擾頻率的變化曲線。同一速度下，拖纜在不同激勵(lì)頻率時(shí)受到的平均阻力基本不變；同一頻率下，拖纜受到的最大阻力增加的百分比相同。在拖纜實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)有橫向海流等低頻干擾，在考慮其安全性時(shí)，不僅要考慮拖纜受到的平均阻力，還要根據(jù)干擾頻率考慮其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生的最大張力。

4結(jié)論

本文制定了詳細(xì)的試驗(yàn)方案，自制了彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)，測(cè)量了靜水中不同對(duì)象不同工況下的拖纜首端張力值，同時(shí)增加了不同頻率的橫向正弦干擾，測(cè)量了此時(shí)拖纜阻力的變化情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：1）設(shè)計(jì)的彈性測(cè)力機(jī)構(gòu)有很好的線性度和較高的精度，符合試驗(yàn)的測(cè)量要求。2）低速拖曳狀態(tài)下拖纜阻力與拖曳速度的二次方成正比關(guān)系。3）在有橫向正弦干擾的情況下，拖纜阻力可看作無(wú)干擾時(shí)的平衡力和與干擾頻率有關(guān)的正弦脈動(dòng)力的疊加。頻率越大，正弦脈動(dòng)力幅值越大；當(dāng)干擾頻率一定時(shí)，脈動(dòng)阻力幅值與無(wú)干擾時(shí)的平衡阻力的比值基本為常數(shù)，在0.3Hz、0.5Hz、0.7Hz、1.0Hz時(shí)增大的百分比大約分別為3%、6%、10%、15%。同時(shí)，本文理論分析提出的無(wú)量綱數(shù)和試驗(yàn)結(jié)論可以作為以后研究實(shí)際拖纜阻力的理論和依據(jù)。

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作者：陳旭 張小卿 張維競(jìng) 單位：上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室