深水半潛式平臺(tái)錨泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)研究

李亞男，覃剛，唐文獻(xiàn)，張建，張宗政

(1. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084)

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深水半潛式平臺(tái)錨泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)研究

李亞男1，覃剛2，唐文獻(xiàn)1，張建1，張宗政1

(1. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084)

摘要：以一座工作水深為1500m的深水半潛式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，建立了風(fēng)、浪、流隨其特征參數(shù)在空間和時(shí)間區(qū)域內(nèi)的表述模型，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行錨泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析，找出了平臺(tái)在六個(gè)自由度方向的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的影響程度以及布錨方式對(duì)系泊線張力分布的影響，為深水錨泊定位系統(tǒng)時(shí)域耦合分析提供方法基礎(chǔ)，并能夠進(jìn)一步為平臺(tái)的安全性能運(yùn)營(yíng)管理提供模型和數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：半潛式海洋平臺(tái)；穩(wěn)定性；時(shí)域耦合分析

0引言

世界范圍內(nèi)的油氣勘探與開發(fā)重點(diǎn)己轉(zhuǎn)向了廣袤的海洋，并逐漸形成了投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、高新技術(shù)密集的能源工業(yè)新領(lǐng)域。而半潛式海洋平臺(tái)是海洋油氣資源勘探和開發(fā)的重要載體。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于水深在1500m以下的作業(yè)平臺(tái)，采用錨泊定位，所以錨泊定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)是海上浮式結(jié)構(gòu)物整體設(shè)計(jì)過(guò)程中絕不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

國(guó)外關(guān)于錨泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)力張力分析的研究方法已經(jīng)基本完善，并已編制了可以實(shí)際工程應(yīng)用的計(jì)算程序包；1959年美國(guó)學(xué)者應(yīng)美海軍的要求從理論上研究了單點(diǎn)水下系泊在各種不同振幅、頻率的波浪作用下纜繩張力幅值的變化；自1964年ArabianGulf使用第一套SPM以來(lái)，各種類型的SPM相繼出現(xiàn)；1970年Reba和Hebertlll[1]依據(jù)懸鏈線理論推導(dǎo)了單根錨鏈在發(fā)生水平、垂直位移時(shí)錨鏈張力和位移之間的關(guān)系。Ractliffei[2]對(duì)準(zhǔn)靜力模型的有效性進(jìn)行了論證。20世紀(jì)80年代中期國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)塔式錨泊系統(tǒng)開始發(fā)展；2003年大連理工大學(xué)郝春玲[3]利用分段外推的數(shù)值方法，對(duì)錨鏈系統(tǒng)形狀和受力進(jìn)行了分析；2007年，孫金麗[4]等人討論了波數(shù)、水深和初始水平預(yù)張力對(duì)錨泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；2010年周素蓮[5]等人給出了深水半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法； 2011年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的翟鋼軍[6]等人以一座工作水深為1500m的深海半潛式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)風(fēng)浪聯(lián)合作用下深水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型進(jìn)行了研究分析。

在專業(yè)海工軟件ANSYS/AQWA中建立一座工作水深為1500m的深水半潛式鉆井平臺(tái)數(shù)值模型，根據(jù)海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)合適的系泊纜，并對(duì)目標(biāo)平臺(tái)所承受海洋環(huán)境載荷進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)目標(biāo)平臺(tái)在風(fēng)載、浪載、流載等環(huán)境載荷作用下進(jìn)行錨泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析。

1半潛式平臺(tái)數(shù)值模型

以工作水深1500m的半潛式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，建立數(shù)值模型。本平臺(tái)為雙浮體、4立柱、箱型封閉式上平臺(tái)，物理樣機(jī)與數(shù)值模型如圖1所示，平臺(tái)工作環(huán)境及作業(yè)參數(shù)見表1，錨泊系統(tǒng)的布置如圖2所示，8根系泊線呈對(duì)稱布置，按順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)排列，其中兩兩系泊線間的夾角為45°。

圖1　物理樣機(jī)與數(shù)值模型

參數(shù)模型值平臺(tái)質(zhì)量/kg46865000流力系數(shù)8.969×105流速/(m/s)0.75風(fēng)力系數(shù)1.429×103風(fēng)速/(m/s)36波浪類型JONSWAP譜γ值1.835方向x軸正向有義波高/m5

2數(shù)值計(jì)算理論

目標(biāo)平臺(tái)受風(fēng)、浪、流的共同作用，作用方向如圖2所示。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算采用專業(yè)海工軟件ANSYS/AQWA進(jìn)行分析求解，其計(jì)算理論主要基于經(jīng)驗(yàn)公式Morison法和三維勢(shì)能理論。

圖2　錨泊系統(tǒng)布置圖

Morison法主要考慮波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)，對(duì)于尺度大于0.2的海工結(jié)構(gòu)物，波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用主要是附加質(zhì)量效應(yīng)和繞射效應(yīng)，主要采用三維勢(shì)流理論計(jì)算波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用力。對(duì)于半潛式平臺(tái)的浮體和立柱采用三維勢(shì)流理論計(jì)算波浪力，而對(duì)于橫撐結(jié)構(gòu)采用Morison方程計(jì)算，由Morison方程計(jì)算得到的粘性阻尼增加到由勢(shì)流理論得到的阻尼項(xiàng)中，實(shí)現(xiàn)浮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。計(jì)算三維浮體波浪載荷時(shí)，把平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，在平臺(tái)水下部分的表面上劃分網(wǎng)格，根據(jù)三維源匯分布理論，采用面元數(shù)值計(jì)算方法求解平臺(tái)在波浪中受到的載荷。

其中橫撐等細(xì)長(zhǎng)桿件采用Morision公式模擬計(jì)算。大結(jié)構(gòu)物如船體立柱、甲板、沉墊等采用三維勢(shì)流理論進(jìn)行計(jì)算，以下為Morison方程的計(jì)算公式(即作用在長(zhǎng)度為DZ的垂直剛性圓柱切片上的水平力)：

(1)

式中：力的正方向?yàn)椴ɡ说膫鞑シ较颍沪?為水的密度；D為圓柱直徑；u和a1分別為切片中未受擾動(dòng)流體的水平流速和加速度；CM和CD為質(zhì)量系數(shù)和阻力系數(shù)。

風(fēng)載荷和流載荷的計(jì)算由公式如下所示：

(2)

(3)

Cw、Cc分別為流力系數(shù)和風(fēng)力系數(shù)，根據(jù)式(2)、式(3)，求得Fw=1.85×106N,Fc=5.045×105N。載荷施加方向?yàn)閤軸正方向，如圖2所示。

3系泊線動(dòng)力學(xué)設(shè)置

系泊線采用組合錨索，上端為鋼絲繩，下端為K4無(wú)檔錨鏈，兩段共長(zhǎng)2700m，表2為系泊線各段材料屬性設(shè)置。

表2　系泊線配置及材料屬性

4結(jié)果分析與討論

充分考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的綜合作用和波譜的影響，在時(shí)域內(nèi)耦合分析平臺(tái)和系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性，其中風(fēng)、浪、流的施加方向一致，所以其合力所達(dá)到的扭矩最大。運(yùn)用專業(yè)水動(dòng)力分析軟件ANSYS/AQWA- DRIFT模塊對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了耦合時(shí)域分析(含系泊線)，模擬時(shí)間為5000s，通過(guò)運(yùn)算求出了平臺(tái)各項(xiàng)水動(dòng)力參數(shù)，包括船體重心位移、船體重心速度與加速度、8根系泊線的受力情況。

1) 船體重心位移分析

由于風(fēng)、浪、流載荷的施加方向?yàn)閤軸正向，所以船體的縱蕩位移應(yīng)該大于橫蕩位移，如表3所示，平臺(tái)的最大水平位移為21.43m，符合規(guī)范要求平臺(tái)最大水平位移應(yīng)控制在水深10%范圍以內(nèi)。表3為船體重心位移值，其中均值取2000s~5000s之間的數(shù)值平均。圖3為船體重心的時(shí)間歷程位移曲線。

表3　船體重心響應(yīng)

圖3　船體重心時(shí)間歷程位移曲線

2) 船體重心速度和加速度分析

半潛船的速度和加速度是影響船體慣性和船上作業(yè)人員暈船的重要原因，船體重心速度值如表3所示，圖4為船體重心時(shí)間歷程速度曲線，船體速度最大值發(fā)生在垂蕩方向，其中橫蕩和橫搖方向的速度對(duì)船體影響最小。

加速度也是影響半潛船鉆探作業(yè)穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，船體重心加速度值如表3所示，圖5為船體重心加速度曲線。從圖5中可以得出，在船體6個(gè)方向的加速度中，縱搖方向的加速度對(duì)船體的穩(wěn)定性影響最大，符合船體加速度<1.4 m/s2的標(biāo)準(zhǔn)(NORDFORSK,1987)，其中船體在橫蕩方向的加速度對(duì)船體的穩(wěn)定性影響最小。

圖4　船體重心時(shí)間歷程速度曲線

圖5　船體重心時(shí)間歷程加速度曲線

3) 系泊線受力分析

表4為系泊線張力統(tǒng)計(jì)表，圖6為每根系泊線的受力曲線，圖7為系泊線張力統(tǒng)計(jì)圖。由于風(fēng)載、浪載、流載是沿x軸正向施加的緣故，系泊線1和系泊線8的受環(huán)境合力最大，又因系泊線的布置是沿坐標(biāo)原點(diǎn)左右上下對(duì)稱的，所以8根系泊線的受力情況也應(yīng)該兩兩相似，由系泊線張力統(tǒng)計(jì)圖中可以看出，結(jié)果符合理想趨勢(shì)，迎浪方向的系泊線1、系泊線2、系泊線7、系泊線8安全因子要比背浪方向的系泊線3、系泊線4、系泊線5、系泊線6安全系數(shù)低。

表4　系泊線張力統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表4

圖6　系泊線時(shí)間歷程受力曲線

圖7　系泊線張力統(tǒng)計(jì)

5結(jié)論

1) 掌握系泊線動(dòng)力學(xué)的建模方法和風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷譜的變化規(guī)律，選用專業(yè)水動(dòng)力分析軟件ANSYS/AQWA，能夠充分考慮海洋環(huán)境以及海洋結(jié)構(gòu)物之間的相互作用，實(shí)時(shí)分析浮體在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下引起的彎矩、剪力和扭矩，建立風(fēng)、浪、流隨其特征參數(shù)在空間和時(shí)間區(qū)域內(nèi)的表述模型，闡明其對(duì)半潛式平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性的影響機(jī)制。

2) 能夠?qū)崟r(shí)反映復(fù)雜工況和環(huán)境載荷下半潛式平臺(tái)重心6個(gè)自由度方向的位移、速度、加速度以及系泊線張力等性能，找出平臺(tái)在6個(gè)自由度方向的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的影響程度以及布錨方式對(duì)系泊線張力分布的影響。

3) 通過(guò)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)和錨泊系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力分析，為深水錨泊定位系統(tǒng)時(shí)域耦合分析提供基礎(chǔ)方法，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工，并能夠進(jìn)一步為平臺(tái)的安全性能，運(yùn)營(yíng)管理提供模型和數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn):

[1] Korkut M D and Hebert E J．Some notes on static anchor chin curves[C]. OTC,1160,1970,4.

[2] Ractliffe A. F. The validity of quasi-static and approximate figuree in the context of cable and flexible riser dynamics.BOSS,1985.

[3] 郝春玲,滕斌. 不均勻可拉伸單錨鏈系統(tǒng)的靜力分析[J] ．中國(guó)海洋平臺(tái),2003,04:18-21.

[4] 孫金麗,張慧池,湯小霞，等. 波浪作用下錨泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬[C]. //中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)近海工程學(xué)術(shù)委員會(huì)2007年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2007:343-351.

[5] 周素蓮,聶武,白勇，等. 深水半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶力學(xué),2010,14(5):495-502.

[6] 翟鋼軍,唐東洋,劉琨，等. 風(fēng)浪聯(lián)合作用下深水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái),2011,26(6):43-48.

[7] 宋安科. 深水半潛式鉆井平臺(tái)系泊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[8] 孫金偉. 深水Spar平臺(tái)水動(dòng)力性能和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值研究[D]. 青島：中國(guó)海洋大學(xué),2010.

Research on Dynamic Response of Deepwater Semi-submersible Mooring System

LI Ya-nan1, QIN Gang1, TANG Wen-xian1, ZHANG Jian1, ZHANG Zong-zheng1

(1. School of mechanical engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China;

2. Wuhan Marine Machinery Co., Ltd., Wuhan 430084, China)

Abstract:A deepwater semi-submersible drilling platform that works in the depth of 1500 meters is studied in this paper. The expression model for wind, wave and flow along with their characteristic parameters in space and time is established. The time-domain coupled analysis of the mooring system of this platform is carried out, and the impact of the platform’s dynamic response in the directions of six degrees on the platform’s stability and the effect of different anchoring methods on the tension distribution of mooring lines are gained. These results can provide a foundation for time-domain coupled analysis of deepwater anchor mooring positioning system and give further model and date support to the platform’s safe operation.

Keywords:semi-submersible drilling platform; stability; time-domain coupled analysis

收稿日期：2013-10-21

中圖分類號(hào)：P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)01-0209-05

作者簡(jiǎn)介：李亞男(1988-)，女，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事船舶海洋工程裝備CAD/CAE技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：2013年江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CXLX13_702)