深海半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力及系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析

王　瑋， 劉小飛， 祝慶斌

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱150001)

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深海半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力及系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析

王瑋， 劉小飛， 祝慶斌

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱150001)

摘要：該文利用有限元分析軟件ANSYS和水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA進(jìn)行了有限元建模和水動(dòng)力特性研究?？紤]復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷，包括隨機(jī)波浪載荷、風(fēng)載荷和流載荷的多重作用，浮式平臺(tái)與系泊纜索之間的相互影響，采用時(shí)域耦合的分析方法對(duì)深海領(lǐng)域復(fù)雜工況下的半潛式鉆井平臺(tái)的水動(dòng)力性能和系泊性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，規(guī)則波頻域下，在縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖各方向上，附加質(zhì)量和附加阻尼隨著波浪頻率的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但局部均有起伏，平臺(tái)在高頻波浪區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值較小。同時(shí)，通過(guò)將浮式平臺(tái)和系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析，得出在環(huán)境力入射角為45°時(shí)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的幅值和系泊系統(tǒng)纜索的最大張力符合規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：半潛式平臺(tái)；水動(dòng)力性能；系泊系統(tǒng)；時(shí)域耦合分析

0引言

浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的有效程度會(huì)隨著平臺(tái)工作水深的逐漸加深而越來(lái)越差，其中的主要原因有：系泊的鋼鏈和鋼纜的長(zhǎng)度、重量、導(dǎo)纜孔處的傾角都會(huì)隨水深增大而變大，這一系列的變化都會(huì)使系泊纜索作用在平臺(tái)上的拉力增大，因此平臺(tái)需要的浮力增大，同時(shí)降低甲板的承載能力；而且根據(jù)懸鏈線式的系泊纜繩布置形式，系泊系統(tǒng)在深水區(qū)域的水下有著十分廣的覆蓋范圍，因而會(huì)對(duì)在該水域周?chē)暮Ｑ笞鳂I(yè)帶來(lái)不利影響[1，2]。通常1 000 m是懸鏈線式系泊系統(tǒng)能夠繼續(xù)合理工作的極限作業(yè)水深，所以一般大型深水結(jié)構(gòu)物在其工作水深達(dá)到1 000 m～3 000 m左右時(shí)，是不能采用懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)作為其定位系統(tǒng)的。

在中國(guó)，最主要的油氣勘探區(qū)域是南海海域，其海況惡劣，對(duì)浮式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)提出了很高的要求，即系泊系統(tǒng)需要更加合理，浮式平臺(tái)的定位能力和系泊強(qiáng)度要求更高。在深水海域的浮式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于其常年保持著工作狀態(tài)，長(zhǎng)期承受惡劣的海洋環(huán)境載荷作用，承擔(dān)著諸多不確定環(huán)境因素的影響。因此，在進(jìn)行深水海域系泊系統(tǒng)的定位能力和系泊強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核分析時(shí)，需要攻破諸多復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題。目前研究系泊系統(tǒng)特性的重要手段主要有兩種，即理論分析和數(shù)值模擬。

就深水浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的工作狀態(tài)而言，有些研究學(xué)者提出了應(yīng)該考慮復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)分析，提出基于系泊線伸長(zhǎng)的非線性、系泊線幾何非線性、流體載荷非線性、與海底接觸非線性四大非線性問(wèn)題[3]。

深海浮式平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受到系泊的動(dòng)態(tài)特性的影響，并且隨著水深的加深影響愈發(fā)明顯，所以必然發(fā)展了耦合的時(shí)域分析方法。這種方法是通過(guò)把浮式平臺(tái)的浮體和浮式平臺(tái)的系泊系統(tǒng)作為一個(gè)耦合的整體來(lái)考慮，采用彈性桿模型來(lái)代替系泊的動(dòng)力響應(yīng)模型，同時(shí)考慮系泊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用有限元分析的方法，通過(guò)數(shù)值方法分析系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方程；其次將深海平臺(tái)浮體的運(yùn)動(dòng)方程與其系泊的響應(yīng)方程進(jìn)行耦合，在時(shí)域下迭代計(jì)算其得到的耦合方程；最終經(jīng)過(guò)處理得到深海浮式平臺(tái)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性[4-7]。

1半潛式平臺(tái)環(huán)境載荷與系泊纜索的參數(shù)

該文以半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，平臺(tái)具有雙浮體，四立柱對(duì)稱(chēng)布置，將主甲板和浮體連接。平臺(tái)關(guān)于xz, yz平面基本對(duì)稱(chēng)，平臺(tái)模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　平臺(tái)參數(shù)

1.2半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)參數(shù)

平臺(tái)采用張緊式系泊系統(tǒng)，API-RP-2SM規(guī)范作為參考依據(jù)，系泊系統(tǒng)由8根系纜組成，每根系纜由2種材料組成，纜索對(duì)稱(chēng)布置，纜繩夾角22.5°，纜繩水平角度45°，張力傾角45°，纜索具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2　錨泊鏈參數(shù)

1.3海洋環(huán)境條件

在半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析過(guò)程中，考慮了平臺(tái)在自存工況和作業(yè)工況下的環(huán)境載荷，工作水深1 200 m，自存工況下的環(huán)境載荷采用巴西海域十年一遇的海況下的風(fēng)載荷、浪載荷和流載荷。波浪載荷采用JONSWAP譜，起始頻率和終止頻率分別0.252 Hz和1.400 Hz，Gamma值1.78，有義波高7.8 m，頻率峰值0.465 Hz，浪向45°。根據(jù)API規(guī)范的風(fēng)載荷，風(fēng)速22.44 m/s，風(fēng)向45°,具體數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3，表4。

表3　巴西海域十年一遇海況

表4　巴西海域流載荷

圖1　半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力模型

2計(jì)算結(jié)果分析

2.1半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力性能分析

分析平臺(tái)的水動(dòng)力性能涉及以下3個(gè)方面：規(guī)則波中平臺(tái)的受力情況和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、分析附加質(zhì)量和附加阻尼的頻域特征、所受波浪力和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)(RAOS)等相關(guān)的水動(dòng)力力學(xué)參數(shù)，半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力模型如圖1所示。

2.1.1附加質(zhì)量和附加阻尼

歌詞二：風(fēng)雪之中咳嗽/依偎在她胸口/你要離開(kāi)/這清貧如水巷口/走出后/不再回頭/她立春/她立秋/她人比黃花瘦/霜白了頭

由三維勢(shì)流理論可知，在半潛式平臺(tái)的立柱作小振幅的、周期性的振蕩時(shí)，周?chē)牧黧w也將會(huì)引起運(yùn)動(dòng)，形成向外運(yùn)動(dòng)的輻射波。這種輻射波會(huì)對(duì)立柱產(chǎn)生作用力和力矩，其中對(duì)應(yīng)于半潛式平臺(tái)立柱運(yùn)動(dòng)模態(tài)的振蕩的加速度和速度分量就是附加質(zhì)量和附加阻尼。該文中采用4 s～35 s周期的單位振幅的規(guī)則波，計(jì)算得到了相應(yīng)的附加質(zhì)量和附加阻尼系數(shù)。

總體而言，平臺(tái)在六個(gè)自由度的各方向上的附加質(zhì)量明顯與波浪頻率密切相關(guān)，隨著它的增加先增大后減小，但局部均有起伏，橫搖方向上附加質(zhì)量的起伏最為明顯，艏搖方向上的附加質(zhì)量隨頻率的變化相對(duì)較為平緩。橫向比較而言，平臺(tái)在橫搖、縱搖、艏搖這三個(gè)方向上的附加質(zhì)量比三個(gè)方向上的附加質(zhì)量在數(shù)量級(jí)上大很多。

平臺(tái)在六個(gè)自由度的各方向上的附加阻尼隨著波浪頻率的增加大體呈現(xiàn)先增大后減小的變化特征，但局部均有起伏，橫搖方向上附加阻尼的起伏最為明顯。同時(shí)在低頻區(qū)，各方向上的附加阻尼都很小，且變化不大。此外，在橫搖、縱搖、艏搖三個(gè)自由度上的附加阻尼在數(shù)量級(jí)上遠(yuǎn)大于其他三個(gè)方向上的附加阻尼。

由此可見(jiàn)，半潛式平臺(tái)的附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)與平臺(tái)所處的波浪的頻率關(guān)系密切，附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)在頻率的中間段變化幅度都很大，即在常見(jiàn)的波浪周期內(nèi)，附加質(zhì)量和附加阻尼受頻率影響明顯，但低頻和高頻時(shí)都趨于緩和，趨于某個(gè)常數(shù)值，并且附加阻尼系數(shù)趨于零。

2.1.2波浪激勵(lì)力

入射波在考慮了繞射影響后對(duì)無(wú)搖蕩物體的作用力稱(chēng)為一階波浪力，其包括入射波浪力和繞射波浪力。

由于數(shù)據(jù)較多，僅以波浪入射角為-180°為例，比較得出同一波浪入射角下，各個(gè)自由度所受波浪激勵(lì)力。

各波浪入射角下平臺(tái)在各自由度方向上的一階波浪激勵(lì)力情況見(jiàn)表5。

表5　各波浪入射角下平臺(tái)所受波浪激勵(lì)力

由表5可知，由于平臺(tái)大體上既關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)，又關(guān)于y軸對(duì)稱(chēng)，所以平臺(tái)受到的波浪激勵(lì)力在波浪入射角關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱(chēng)時(shí)也大體相同。

2.1.3半潛式平臺(tái)響應(yīng)

由于數(shù)據(jù)較多，僅以波浪入射角為-180°為例，比較得出同一波浪入射角下，各個(gè)方向上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)如圖2、圖3所示。

圖2　平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)　　　　　　　　　　　　圖3　平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

根據(jù)以上的受力分析結(jié)果，同時(shí)根據(jù)平臺(tái)的模型特征，在分析各種波浪入射角下平臺(tái)在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)自由度時(shí)，列出-180°，-135°，-90°三種角度的情況，三種波浪角下平臺(tái)各自由度響應(yīng)見(jiàn)表6。

表6　三種波浪角下平臺(tái)各自由度響應(yīng)

結(jié)合其他波浪入射角情況下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，可以得出平臺(tái)在低頻波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，而在高頻波浪區(qū)域的運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)幅值較小。在波浪方向?yàn)?180°時(shí)(平行于船首方向)，縱蕩、垂蕩、縱搖三個(gè)自由度上的響應(yīng)較大，其他方向上響應(yīng)較小；在波浪方向?yàn)?90°時(shí)，即垂直于船首方向，平臺(tái)在橫蕩、垂蕩、橫搖這三個(gè)自由度上的響應(yīng)較大，其他方向上響應(yīng)較小；當(dāng)波浪方向在-135°，即波浪為斜浪，平臺(tái)在各自由度上的響應(yīng)都較大。

2.2半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析

以水動(dòng)力性能分析為基礎(chǔ)，建立半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的模型，對(duì)平臺(tái)在波浪載荷、風(fēng)載荷、流載荷的聯(lián)合作用下，進(jìn)行時(shí)域耦合分析，從而得到半潛式平臺(tái)的波浪荷載時(shí)程、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程、系泊纜索張力時(shí)程等數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)特征。系泊模型如圖4所示，平臺(tái)與系泊耦合模型如圖5所示。

圖4　系泊模型　　　　　　　　　　　　　　圖5　平臺(tái)系泊耦合模型

2.2.1浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合計(jì)算數(shù)據(jù)分析

運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程分析

由表7分析可知，該半潛式平臺(tái)縱蕩的最大值可達(dá)40 m，小于深水海域浮式平臺(tái)的作業(yè)要求，即最大值小于平臺(tái)作業(yè)水深的6%。因?yàn)楹r為十年一遇的自存工況，所以此時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)滿足平臺(tái)設(shè)計(jì)的要求。

系泊纜索受力時(shí)程數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8　系泊纜索受力時(shí)程數(shù)據(jù)

為保證平臺(tái)安全進(jìn)行作業(yè)，定義系泊線的張力安全系數(shù)，即系泊線的斷裂強(qiáng)度和其所受張力的比值。根據(jù)API-RP-2SK的規(guī)范要求，在對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，系泊系統(tǒng)完整時(shí)，系泊線的張力安全系數(shù)應(yīng)大于1.67。根據(jù)表7結(jié)果，受力最大的纜索編號(hào)為4號(hào)纜索，計(jì)算可得其安全系數(shù)為1.72，滿足規(guī)范要求，略大于規(guī)范的安全系數(shù)要求，因此還有很大的優(yōu)化空間。

3結(jié)論

該文以半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，研究分析了浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)?；谌S勢(shì)流理論，分析了半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力性能，研究發(fā)現(xiàn)：在常規(guī)波浪情況下，半潛式平臺(tái)的附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)與所處的波浪頻率關(guān)系密切，附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)在頻率的中間段變化幅度較大，但低頻和高頻時(shí)都趨于緩和，趨向于某個(gè)常數(shù)值，并且附加阻尼系數(shù)趨向于零。平臺(tái)在低頻波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，而在高頻波浪區(qū)域的運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，幅值較小。

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)、浪、流載荷同向時(shí)，系泊系統(tǒng)受力最大，文中假定的三種載荷方向均為45°，由計(jì)算結(jié)果可知，在自存工況下，平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)最大，達(dá)到40 m，平臺(tái)最大偏移量沒(méi)有超過(guò)自存工況允許水深的6%。同時(shí)，對(duì)該平臺(tái)初步設(shè)計(jì)的8根纜對(duì)稱(chēng)的系泊系統(tǒng)與半潛式平臺(tái)時(shí)域耦合初步驗(yàn)證，系泊系統(tǒng)完整時(shí)，受力最大的四號(hào)纜索的安全系數(shù)為1.72，大于API規(guī)范要求的安全系數(shù)1.67，滿足規(guī)范要求。

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Analysis on the Hydrodynamic Performance and Mooring Scheme of the

Deepwater Semi-submersible Platform

WANG Wei, LIU Xiao-fei, ZHU Qing-bin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：ANSYS and AQWA are used to analyze the hydrodynamic performance of semi-submersible platform. The complexity of the marine environment load, including random wave loads, wind loads and current loads, in addition the interaction of floating platforms and mooring ropes are considered. Time-domain analysis method is used to analyze the hydrodynamic performance about the semi-submersible drilling platform and mooring performance in the complex conditions of the deep sea areas. The results showed that under regular wave frequency domain analysis, in vertical surge, sway, heave, roll, pitch, yaw all directions, with increasing frequency waves, the additional mass and damping generally increases first and then subtract small trend, but local has ups and downs. The platform has good performance in the area of high-frequency waves and response amplitude is small. According to time domain coupling analysis of floating platform and mooring system, the platform motion response amplitude and rope mooring system maximum tension are calculated when the environmental forces incident angle of 45 degrees and the maximum tension conforms to the requirements of the specification.

Keywords：semi-submersible platform; hydrodynamic performance; mooring system; time-domain coupling analysis

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年 (51409260); 山東省自然基金面上項(xiàng)目(ZR2012EEM023)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)-專(zhuān)項(xiàng)資金資助(14CX05035A)。

收稿日期：2014-12-24

中圖分類(lèi)號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2015)06-0049-06

作者簡(jiǎn)介：王瑋(1979-)，女，講師。