海洋地震拖缆阻力试验范文

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《船舶工程杂志》2016年第一期

摘要：

海洋地震拖缆是海洋油气资源勘探中的重要设备，为研究海洋地震拖缆在拖曳状态以及有横向干扰时的阻力特性，进行了缩比模型试验。基于应变测试技术，设计研发了一套高灵敏度测力机构，用于间接测量拖缆及其附件的首端张力值，以求得拖缆的实际阻力。通过对实测数据的比较，分析了拖缆速度及横向干扰对拖缆阻力的影响。试验结果表明，在低速拖曳下拖缆阻力与速度的二次方成正比关系；在有横向干扰时，拖缆阻力可看作无干扰时的平衡力和与干扰频率有关的正弦脉动力的叠加，当干扰频率一定时，脉动阻力幅值与平衡阻力的比值基本为常数。基于以上试验结果，结合量纲分析法，能够对实际拖缆阻力进行较好估算。

关键词：

海洋地震拖缆；阻力测试；横向干扰；试验研究

海洋地震勘探是目前世界上进行海洋油气资源勘探的主要手段。海洋地震勘探系统通常由拖船、重力导缆、水下勘探拖缆、缆载设备、尾绳、尾拖等组成，如图1所示。拖缆长度一般为几百到几千米，重力导缆主要是用来限定拖点深度的，而尾拖则是让拖缆尾部保持紧张状态。在拖曳过程中，拖缆缆形近似为直线，拖缆保持张紧状态，可认为拖缆在水中所受的重力与浮力基本平衡。由于海水的阻力作用，以及作业中常遇到的横向周期性海流的干扰作用，拖缆在运动过程中所受阻力较大，在稳定运行的工况下，拖缆所受阻力可以用首端张力值来代替[1]。目前国内外学者对水下拖缆的研究主要包括数值研究和试验研究。AblowandSchechter（1983）[2]、Dowling（1988）[3]、Yamaguchi（2000）等人给出了拖缆运动的线性化模型并将有限差分法引入拖缆控制方程的求解中；王飞[4]讨论了海流、海底、海水密度等对拖缆运动的影响；王春杰[5]研究了横向海流作用下拖缆的姿态控制；张广磊[6]使用广义α算法模拟了拖缆的瞬态动力学特性；吴喆莹[7]对拖缆的动态特性进行了仿真研究；刘涛[8]对模型拖缆进行了试验研究，并分析了在稳定直航及加速过程中拖缆首端张力和剪力的变化情况。由于之前学者对水下拖缆的研究主要集中在数值研究上，计算过程均进行了一定程度简化，计算结果具有一定的局限性，在刘涛的试验中，拖缆尾部是自由端，未连接尾拖，拖缆密度比水大，未能很好地模拟拖缆在水中的运动状态，也未考虑外界干扰对拖缆阻力的影响。因此，本文在以上理论和试验研究的基础上，增加了重力导缆、尾拖和横向正弦干扰等试验条件，设计了新的拖曳试验，自主研发了弹性测力机构，并通过标定试验验证了测力机构的可靠性，进一步研究了水下拖缆阻力与速度及干扰频率的关系。

1试验台架及工况

拖曳试验台架俯视和侧视图如图2和图3所示。整个试验系统分为拖车系统和拖曳系统两部分。拖车系统由拖车、数据采集设备、横向激励机构、弹性测力机构及水下摄像机组成，拖曳系统由重力导缆、拖缆、尾拖组成，拖车系统与拖曳系统通过缆索连接。水池长50m，深3m，拖缆为注入酒精的硅胶管，在水中的浮力等于重力，其长为10m，直径为0.025m。试验分别测量3种拖曳对象在不加外激励时5种拖曳速度下拖缆首端张力值，然后在对象III下分别测量每一速度下4种不同的干扰频率下拖缆首端张力值，总计35种不同工况。试验对象及工况如表1所示。

2弹性测力机构的设计及标定

在拖缆的水池拖曳试验过程中，当拖曳速度较大时，拖缆所受的阻力是几个牛顿的数量级，因此一般量程的力传感器在精度上无法满足要求。此外，由于试验在水池中进行，对传感器的密封与抗干扰性能的要求较一般力传感器高。为满足上述要求，本试验采用自制的弹性测力机构。在对不同材料、不同形状的弹性元件进行试验后，选用聚丙烯材料制成的扁平状物体作为试验用弹性元件，此弹性元件不仅有较大的单位应变量，在本试验测量的范围内还具有良好的线性应力应变关系。连杆选用刚度远大于弹性元件的实心钢杆，钢杆形变可以忽略不计。对设计的弹性测力机构进行标定试验，测量此测力机构的灵敏度。弹性测力机构的标定试验装置图如图4所示。对设计的弹性测力机构进行多次标定试验，试验数据具有很好的一致性，取其中一组试验结果进行拟合分析，如图5所示，得出每牛的力会引起此测力机构268的微应变。

3试验结果处理和计算分析

在试验过程中，不可避免地会受到外界信号干扰，因此需要对测得的信号进行低通滤波，然后选取其在稳定运动过程下的一段信号求出平均微应变，根据上述标定试验的结果换算成阻力的大小。

3.1无干扰情况图6～图8给出了三种试验对象在拖曳速度分别为0.3m/s、0.5m/s及0.7m/s下的微应变—时间图。表2给出了试验测得的不同工况下的首端张力。对象I的首端张力随速度变化的曲线如图9所示，试验所用尾浮筒是用内空的圆锥形钢质材料制成的。由于浮筒浮力等于重力，因此其首端张力等于其在水中运动时受到的水阻力。由图9可知，在速度较低时，圆锥形内空的尾浮筒受水阻力与其速度的一次方近似呈正比关系，随着速度的增大，水阻力也增大，且增大的速率更快，远大于速度增加的速率。对象II、对象III下首端张力以及求得的拖缆阻力随速度变化的曲线如图10所示，拖缆阻力与速度二次方的关系曲线如图11所示。由图11可知，拖缆所受阻力F与速度V的二次方近似成正比关系，拟合曲线得到。理论上，当速度V=0时，F=0，但是由于试验中存在装置及水面波动等不可避免的影响，使得有0.024N的误差，因误差很小，故可忽略不计。这样得到静水中低速运动的此拖缆所受阻力。拖曳试验速度达到1m/s以上时，拖曳系统变得不太稳定，测得的拖缆阻力值变大明显；对于实际运动的拖缆，可认为它们的Froude数相同，得出实际拖缆运动的临界速度。

3.2有横向正弦干扰时由于拖缆在实际拖曳过程中，不可避免地会遭遇横向海流、拖船急转弯等低频干扰情况，因此有必要研究低频干扰下拖缆阻力的变化情况。在对象III的试验中，给系统加一水平横向的正弦干扰，在不同频率干扰下，保持干扰力幅值不变。拖缆运行过程的微应变—时间图如图12所示。根据试验结果计算得出的不同工况下拖缆受到的平均阻力如表3所示。由表3数据可以看出，忽略试验误差等因素，增加不同频率的横向正弦干扰时，拖缆所受的平均阻力基本不变。考虑到在有正弦干扰的情况下，拖缆上的张力也是周期变化的，为了保证拖缆能够有效工作，需要研究运动过程中最大张力的变化情况。表4给出了不同速度下不同频率时拖缆上的最大张力值。由表4数据可知，在有横向干扰时，拖缆阻力可看作无干扰时的平衡力和与干扰频率有关的正弦脉动力的叠加。同一速度下，外加干扰频率增加时，拖缆最大张力增大；同一频率下，正弦脉动力幅值与无干扰时平衡力的比值基本为常数，在0.3Hz、0.5Hz、0.7Hz、1.0Hz时增大的百分比大约分别为3%、6%、10%、15%。图13和图14分别给出了0.3m/s和0.7m/s时拖缆最大张力与平均张力随干扰频率的变化曲线。同一速度下，拖缆在不同激励频率时受到的平均阻力基本不变；同一频率下，拖缆受到的最大阻力增加的百分比相同。在拖缆实际运行过程中，不可避免地会有横向海流等低频干扰，在考虑其安全性时，不仅要考虑拖缆受到的平均阻力，还要根据干扰频率考虑其运动过程中可能发生的最大张力。

4结论

本文制定了详细的试验方案，自制了弹性测力机构，测量了静水中不同对象不同工况下的拖缆首端张力值，同时增加了不同频率的横向正弦干扰，测量了此时拖缆阻力的变化情况，并对试验结果进行了计算分析，得出以下结论：1）设计的弹性测力机构有很好的线性度和较高的精度，符合试验的测量要求。2）低速拖曳状态下拖缆阻力与拖曳速度的二次方成正比关系。3）在有横向正弦干扰的情况下，拖缆阻力可看作无干扰时的平衡力和与干扰频率有关的正弦脉动力的叠加。频率越大，正弦脉动力幅值越大；当干扰频率一定时，脉动阻力幅值与无干扰时的平衡阻力的比值基本为常数，在0.3Hz、0.5Hz、0.7Hz、1.0Hz时增大的百分比大约分别为3%、6%、10%、15%。同时，本文理论分析提出的无量纲数和试验结论可以作为以后研究实际拖缆阻力的理论和依据。

参考文献：

[1]刘涛.海洋资源勘探拖缆动力特性与姿态控制研究[D].上海:上海交通大学,2012.

[2]Ablow,C.M.Schechter.NumericalSimulationofUnderseaCableDynamics[J].OceanEngineering,1983(10):443-457.

[3]DowlingAP.TheDynamicsofTowedFlexibleCylinders.Part1.NeutrallyBuoyantElements[J].JournalofFluidMechanics,1988(187):507-532.

[4]王飞.海洋勘探拖曳系统运动仿真与控制技术研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[5]王春杰,张维竞,刘涛.横向海流作用下海洋地震拖缆姿态控制[J].大连海事大学学报,2011,37(1):9-17.

[6]张广磊,张维竞,刘涛.广义α算法在拖曳阵列动态仿真中的应用研究[J].哈尔滨工程大学学报,2012(5):574-579.

[7]吴喆莹,张维竞,刘涛,等.海洋勘探拖缆动态特性仿真研究[J].船舶工程,2012,34(2):195-198.

[8]LiuT,ZhangWJ,MaJ.TransientDynamicAnalysisofTowedLow-tensionCablewithExperimentalVerification[J].JournalofShipMechanics,2013,17(3):197-213.

作者：陈旭 张小卿 张维竞 单位：上海交通大学 海洋工程国家重点实验室