自升式平臺舉升狀態(tài)運動響應(yīng)試驗研究＊

勾 瑩 沈 潔 滕 斌 侯金林 譚 越 郭士勇 叢培文

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室； 2.中海油研究總院）

自升式平臺舉升狀態(tài)運動響應(yīng)試驗研究＊

勾 瑩1沈 潔1滕 斌1侯金林2譚 越2郭士勇1叢培文1

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室； 2.中海油研究總院）

對自升式平臺處于舉升狀態(tài)樁腿下放和提升過程時的運動響應(yīng)進行了物理模型試驗研究。針對目標海域?qū)嶋H海況分別研究了不同有效波高和波浪入射角度對平臺運動響應(yīng)的影響，所得結(jié)果可為自升式平臺設(shè)計提供依據(jù)。

自升式平臺 舉升 運動響應(yīng) 模型試驗

自升式平臺通過液壓步進式升降裝置實現(xiàn)升降功能。當自升式平臺處于舉升狀態(tài)樁腿下放和提升過程時，平臺主體受到波浪的載荷較大，平臺運動響應(yīng)也較大，但目前針對自升式平臺舉升狀態(tài)運動響應(yīng)特性的研究還很少。為了為自升式平臺設(shè)計提供依據(jù)，利用大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的非線性波流水槽對某自升式平臺運動響應(yīng)進行了物理模型試驗研究。該自升式平臺為鋼質(zhì)非自航平臺，適用于北部灣或渤海灣40 m以下水深水域，具有原油生產(chǎn)、處理、儲存和外輸能力，能提供40人的生活和居住條件。大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的非線性波流水槽長55 m，寬4 m，水深2.4 m；水槽一端安裝有微機控制的造波機，用于產(chǎn)生不規(guī)則波浪；水槽設(shè)有2臺流量1.0 m3/s軸流泵的造流系統(tǒng)，配有數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。

1 自升式平臺舉升狀態(tài)運動響應(yīng)試驗

1.1 平臺模型主要參數(shù)

在自升式平臺運動響應(yīng)試驗中，模型與實型之間須滿足幾何相似、靜力相似和水動力相似條件[1]。對于幾何相似，實型與模型的幾何尺寸應(yīng)滿足

式（1）中：L為特征線尺度；下標s代表實型量，m代表模型量；λ為縮尺比。對于靜力相似，要滿足模型平臺和實際平臺的重心、轉(zhuǎn)動慣量等相似。在水動力方面，須滿足實型和模型之間的重力相似，即滿足傅汝德數(shù)和斯托哈數(shù)相等，因此有

式（2）中：V為速度；g為重力加速度。

根據(jù)上述相似法則，得出模型與實型各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（表1）。目標平臺的隨體坐標定義如圖1所示，X軸與Y軸交于平臺主體的幾何中心，Z軸豎直向上，0點位于平臺主體結(jié)構(gòu)底部，平臺重心坐標為（2.96，0，0.26）。平臺所在位置實際水深40 m，水面在平臺底部以上3 m。樁腿距海底25 m，距離平臺底部12 m。

表1 模型與實型各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

圖1 目標平臺平面示意圖

綜合考慮平臺尺度及試驗水槽寬度，選定平臺實型與模型之間的縮尺比為λ＝45，按照表1的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到平臺模型的主要參數(shù)，見表2。

表2 平臺實型與模型主要參數(shù)值

1.2 試驗環(huán)境要素

根據(jù)目標海域的實際情況，試驗主要分為兩部分：一是研究有效波高對平臺運動響應(yīng)的影響，試驗中波浪入射角度為180°，不規(guī)則波的有效波高分別為2.5、3.0、3.5和4.0 m，各不規(guī)則波的平均跨零周期分別為5.0、5.0、6.0和7.0 s；二是研究波浪入射角度對平臺運動響應(yīng)的影響，試驗中不規(guī)則波的有效波高為2.5 m，波浪入射角度為180°、90°和34°。在試驗過程中，海流速度為1.12 m/s，風速為20 m/s，海流、風的方向與波浪同向。

根據(jù)目標海域的實際海況，不規(guī)則波波譜選用Jonswap譜，即

其中

式（3）中：TP為譜峰周期，s；γ為譜峰升高因子，取為3.3；H1/3為有效波高，m；f 為波浪頻率，Hz；TH1/3為有效波周期，s；fP為譜峰頻率，Hz。

1.3 平臺模型布置方式

試驗在水槽中進行，采取調(diào)整平臺角度的方法模擬不同的波浪方向。波浪入射角度為180°時的平臺模型布置方式如圖2所示，平臺模型通過一水平彈簧系泊在水槽中央的固定點處，平臺模型上裝有無觸點六分量儀以記錄平臺的運動響應(yīng)，彈簧上連接傳感器記錄彈簧的水平拉力。波浪入射角度為90°和34°時平臺模型布置方式分別示于圖3和圖4，這2種情況平臺模型均采用3根彈簧系泊。

2 試驗結(jié)果及分析

為保證實驗結(jié)果的可重復性，對于每個實驗組次都進行了3次重復實驗，根據(jù)各波浪的平均跨零周期，換算出實驗波列的平均跨零周期小于1.04 s，由此得出每組實驗采樣時間應(yīng)不少于104 s，以保證不規(guī)則波列至少包含100個波。在試驗中，采樣時間均選為150 s。

對于入射角度為180°的風、浪、流環(huán)境載荷，平臺運動響應(yīng)主要為沿X軸方向（平臺長度方向）的縱蕩位移、沿Z軸方向的升沉位移和繞Y軸（平臺寬度方向）的縱搖角位移，另外3個自由度的運動響應(yīng)很小。圖5～7分別是有效波高為2.5 m時平臺縱蕩位移、升沉位移和縱搖角位移的時間歷程。

還分別進行了不規(guī)則波波浪入射角度為180°、有效波高分別為3.0、3.5和4.0 m的平臺運動響應(yīng)試驗，并對試驗結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，采用上跨零點法得出了運動響應(yīng)的最大值和1/3有效值，根據(jù)表1換算成為實際平臺的運動響應(yīng)，見表3。

表3 波浪入射角度為180°時不同有效波高條件下實際平臺運動響應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果

從表3可以看出，隨著有效波高的增加，縱蕩位移、升沉位移和縱搖角位移的幅值都在增加；當有效波高為4.0 m時，縱蕩位移達到最大值為3.52 m，升沉位移達到最大值為2.57 m，縱搖角位移也達到最大值為7.3°。根據(jù)自升式平臺運動響應(yīng)試驗結(jié)果，并從工程安全考慮，自升式平臺的安全作業(yè)環(huán)境應(yīng)該在波浪有效波高小于3.0 m的范圍內(nèi)。

為了研究不同波浪入射角度情況下平臺的運動響應(yīng)，又分別進行了不規(guī)則波波浪入射角度為90°和34°時平臺運動響應(yīng)試驗（不規(guī)則波波高都為2.5 m，平均跨零周期為5.0 s），其統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 波浪入射角為180°、90°、34°不規(guī)則波有效波高2.5 m條件下平臺運動響應(yīng)結(jié)果

從表4可以看出：當波浪入射角度為90°時，平臺水平位移最大，為1.36 m，1/3有效值為0.73 m，升沉位移也最大，為0.83 m，1/3有效值為0.46 m；這是因為波浪入射角度為90°時平臺迎浪面積較大，因此波浪荷載也較大，以至產(chǎn)生了較大的平動位移。

當波浪入射角度為34°時，平臺縱搖最大，為3.84°，1/3有效值為2.01°，這是因為入射角度為34°時平臺的重心并不在平臺的幾何中心上，平臺重心沿平臺長度方向有一定的偏心距，使得平臺甲板上浪明顯，而在波浪作用下，平臺會產(chǎn)生較大的縱搖運動響應(yīng)。因此，為了防止因平臺重心偏心較大引起的縱搖運動，在設(shè)計時應(yīng)考慮通過調(diào)整配載適當減小平臺的偏心。

3 結(jié)論

對自升式平臺舉升狀態(tài)運動響應(yīng)進行了物理模型試驗，試驗結(jié)果分析表明，在自升式平臺設(shè)計時，平臺的安全作業(yè)環(huán)境應(yīng)在波浪有效波高小于3.0 m的范圍內(nèi)；為了防止因平臺重心偏心較大產(chǎn)生的縱搖，應(yīng)該考慮通過調(diào)整配載適當減小平臺的偏心。

[1] 中華人民共和國交通部.JTJ/T 234－2001波浪模型試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2001.

An experiment study on jack up platform motion in lift up state

Gou Ying1Shen Jie1Teng Bin1Hou Jinlin2Tan Yue2Guo Shiyong1Cong Peiwen1
（1.State Key Laboratory of Costal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Liaoning，116085；2.CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

The motion of jack up platform during rising or sinking process in lift up state is studied by model experiment method.To examine the effects of significant wave height and incident wave direction on platform motion，a series of experiment tests are carried out with different sea states.The results are significant for designing jack up platform.

jack up platform；lift up state；motion；model experiment

＊中國海洋石油總公司綜合科研課題“可移動式自安裝平臺關(guān)鍵技術(shù)研究”部分研究成果。

勾瑩，女，2006年畢業(yè)于大連理工大學港口海岸及近海工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)主要從事波浪與海洋結(jié)構(gòu)相互作用方面的研究。地址：遼寧省大連市大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室（郵編：116085）。E－mail：gouying＠dlut.edu.cn。

2010－09－13改回日期：2010－11－07

（編輯：夏立軍）