半潛式平臺系泊斷裂瞬態(tài)漂移過程的穩(wěn)性分析與探討

馮加果, 劉小燕, 謝文會, 王世圣, 屈 衍

(1中海油研究總院，北京 100027； 2 北京高泰深海技術有限公司， 北京 100011)

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半潛式平臺系泊斷裂瞬態(tài)漂移過程的穩(wěn)性分析與探討

馮加果1, 劉小燕2, 謝文會1, 王世圣1, 屈 衍1

(1中海油研究總院，北京 100027； 2 北京高泰深海技術有限公司， 北京 100011)

針對近幾年災害環(huán)境下發(fā)生的多座半潛式平臺系泊斷裂漂移的事故，提出了一種研究這種特殊過程平臺穩(wěn)性的分析方法，將系泊斷裂過程的時域耦合運動分析融入到該過程穩(wěn)性分析中，并對某一現(xiàn)實中的半潛式鉆井平臺，完成了系泊斷裂后平臺漂移過程的穩(wěn)性分析。分析結果表明，該平臺系泊斷裂后平臺漂移過程的穩(wěn)性可能會不滿足要求，有發(fā)生進水傾覆的危險，該過程的穩(wěn)性問題需要被關注，但該過程的穩(wěn)性可以通過限制進水點位置或臨時水密處理進水點進行有效預防。

半潛式平臺；系泊斷裂；穩(wěn)性分析；進水點

0 引言

近年來，為了開發(fā)深水海洋油氣資源，工業(yè)界建造了大量深水浮式結構以作為油氣鉆探及開采平臺，其中半潛式平臺是應用較為廣泛的平臺之一，該類平臺大多通過系泊系統(tǒng)定位。據(jù)近幾年的災害環(huán)境事故統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在災害環(huán)境下，已有多座半潛式平臺的系泊系統(tǒng)發(fā)生了失效，引起了平臺漂移。比如，2005發(fā)生的Rita及Katrina颶風，其強度已經(jīng)達到了原設計標準中500年一遇的水平以上，約16座半潛式鉆井平臺發(fā)生系泊系統(tǒng)損壞，平臺發(fā)生移位[1-4]。半潛式平臺穩(wěn)性校核的工況主要有拖航工況、安裝工況和在位工況，對于系泊斷裂平臺漂移這個過程的穩(wěn)性并未進行校核，因此，該文針對半潛式平臺系泊斷裂后瞬態(tài)漂移過程開展穩(wěn)性分析與探討。系泊斷裂平臺瞬態(tài)漂移過程是指從第一根系泊纜斷裂到最后一根系泊纜斷裂這中間平臺瞬態(tài)漂移的過程。

1 分析方法

針對已經(jīng)發(fā)生的半潛式平臺系泊斷裂平臺漂移的現(xiàn)象，探討該過程半潛式平臺的穩(wěn)性需要完成兩個方面的研究與分析：一是半潛式平臺系泊斷裂過程的模擬與分析；二是特殊工況的穩(wěn)性分析。

目前，半潛式平臺系泊過程的分析較為常規(guī)，可進行分析的軟件也較多，比如DNV開發(fā)的SESAM軟件中的DeepC，Riflex模塊，法國船級社開發(fā)的Ariane軟件等都能夠完成。這類分析主要考慮兩種工況：一種為考慮系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)、風浪流聯(lián)合作用下，平臺系泊系統(tǒng)的運動及受力；一種情況為系泊系統(tǒng)破損狀態(tài)分析，即考慮系泊系統(tǒng)中的一根系泊纜發(fā)生破壞，其余完好的情況下平臺、系泊系統(tǒng)的運動及受力分析。對于該文面臨的系泊斷裂過程的模擬和分析與上述的常規(guī)的系泊分析不同，需要考慮系泊纜連續(xù)斷裂和系泊剛度矩陣的連續(xù)更新，這類分析并不多見，能進行這類分析的軟件也不多，經(jīng)過調研分析發(fā)現(xiàn)，美國德州農工大學與Offshore Dynamics Inc公司聯(lián)合開發(fā)的商業(yè)化浮體耦合分析軟件HARP可以完成這類分析。該軟件將頻域水動力分析軟件Wamit與Winpost集成在一起，由Wamit完成平臺的水動力分析，得到平臺的水動力系數(shù)，根據(jù)需要計算隨機波浪譜形式，將頻域水動力分析結果進行傅立葉變換轉為時域荷載結果，作為浮式平臺、系泊系統(tǒng)時域耦合分析的荷載輸入，從而完成耦合運動分析的功能[5]。

目前的穩(wěn)性分析主要是依據(jù)規(guī)范完成常規(guī)工況的穩(wěn)性校核，主要工況有拖航、就位安裝、作業(yè)和生存工況，規(guī)范中明確給出了分析方法和標準，其中傾覆力矩的計算是考慮不同工況下采用不同的風速來計算，只考慮風傾力矩，而對于該文研究的系泊斷裂平臺瞬態(tài)漂移過程的穩(wěn)性分析則無法直接采用規(guī)范中提供的方法完成，這主要是因為對于該文研究的系泊纜斷裂平臺漂移的特殊工況，傾覆力矩較為復雜，不僅僅只有風力，而是系泊斷裂后不平衡的系泊力、波浪力、流力、漂移阻力以及運動慣性力等耦合在一起的合力，這個合力隨著多根系泊纜的斷裂而變化，因此需要通過一些綜合處理來獲取該過程的最大傾覆力矩。

該文針對上述兩方面的問題進行調研分析，形成了一套針對系泊斷裂平臺瞬態(tài)漂移過程的穩(wěn)性分析流程，如圖1所示。該分析流程在處理系泊斷裂過程平臺穩(wěn)性分析時，融入系泊斷裂過程時域耦合運動分析，從而將平臺的動態(tài)運動融入到穩(wěn)性分析中。首先通過半潛式平臺系泊斷裂過程時域耦合運動分析得到系泊斷裂不同階段平臺的浮態(tài)和傾斜角，浮態(tài)主要是用于穩(wěn)性分析的輸入條件，傾斜角用來修正穩(wěn)性分析的傾覆力矩，主要考慮兩個方面的修正：一是修正由于平臺的傾斜引起的受風面積的變化，二是修正其他因素引起的傾覆力矩，主要是通過動穩(wěn)性原理來獲得造成平臺傾斜的等效傾覆力矩；然后進行不同階段、不同浮態(tài)時的穩(wěn)性分析；最后對穩(wěn)性指標進行評估從而判斷該過程的穩(wěn)性情況。

圖1 系泊斷裂過程平臺穩(wěn)性分析方法流程圖

2 分析基礎

該文以一已經(jīng)投入使用的半潛式鉆井平臺為例進行分析，該平臺在生存工況下的主要參數(shù)見表1，系泊系統(tǒng)配置參數(shù)見表2，平臺進水點位置見表3，采用的坐標系及系泊系統(tǒng)布置圖如圖2所示，分析中采用的環(huán)境條件為200年一遇，相關參數(shù)見表4。

表1 平臺主要參數(shù)(生存工況)

表2 平臺系泊系統(tǒng)配置參數(shù)表

圖2 某平臺系泊系統(tǒng)布置圖及坐標系示意圖

表3 半潛式平臺進水點列表(坐標單位：m)

編號XYZ編號XYZ103740727．5-27．53920-37408-27．5-27．539337040928．9732．79394-3704010-28．9732．7939527．527．5391128．97-32．79396-27．527．53912-28．97-32．7939說明：進水點1-4為透氣孔，5-8為進入立柱的門，9-12為錨鏈孔。

表4 海洋環(huán)境條件主要參數(shù)(200年一遇)

3 系泊斷裂過程分析及穩(wěn)性分析

(1)系泊分析

針對上述平臺，完成了完整系泊和系泊斷裂過程的時域耦合運動分析，浪向取135°，在系泊斷裂過程模擬中，考慮到半潛式平臺系泊纜的老化及磨損等影響，假設所有系泊纜繩的容許張力都為80%的最大破斷力。計算得到了完整系泊和系泊斷裂過程平臺的4個自由度運動時歷曲線(如圖3所示)，還得到了系泊斷裂過程中各系泊纜的張力時歷曲線(如圖4所示)和系泊纜斷裂的時間(見表5)。

圖3 平臺運動時歷曲線

從圖3中可以看出：在不考慮系泊斷裂時，平臺橫蕩、縱蕩幅值較小，橫搖、縱搖較??；若考慮系泊纜斷裂，在系泊斷裂過程中，整個系泊系統(tǒng)的剛度發(fā)生了變化，平臺失去了定位能力，沿著波浪和風的方向發(fā)生漂移，在135°環(huán)境力的作用下，平臺將快速斜向漂移，同時產(chǎn)生了嚴重傾斜。通過分析得到了系泊纜連續(xù)斷裂過程中，各組系泊纜斷裂時平臺的最大傾斜角(見表6)。

圖4 系泊纜張力時歷曲線

表5 系泊纜破斷順序及破斷時間

系泊纜組系泊纜編號破斷時間(s)第1組10786．91180012801．7第2組和第3組11128．491129．421187．331237．481815．271941．2

續(xù)表5

表6 系泊纜斷裂過程各個階段平臺的最大傾斜角

(2)穩(wěn)性分析

完整系泊分析和系泊斷裂過程模擬后，可以依照圖1的流程進行穩(wěn)性分析?？紤]傾覆力矩的修正，風速取100 kn，穩(wěn)性分析結果見表7，靜穩(wěn)性曲線如圖5所示。

表7 穩(wěn)性分析結果

圖5 系泊系統(tǒng)不同狀態(tài)下平臺穩(wěn)性分析的靜穩(wěn)性曲線

從穩(wěn)性分析結果可以看出：完整系泊時，該半潛式平臺在100 kn風速的作用下穩(wěn)性滿足規(guī)范要求；系泊斷裂平臺瞬態(tài)漂移工況下，出現(xiàn)了半潛式平臺穩(wěn)性不滿足規(guī)范要求的情況，當?shù)诙M系泊纜完全斷裂后平臺有發(fā)生進水傾覆的可能。

4 進水點位置對穩(wěn)性影響的敏感性分析

圖6 假想的臨界進水點限制線示意圖

穩(wěn)性分析中，影響穩(wěn)性的因素主要有重量重心分布、分艙情況、系泊纜預張力、環(huán)境條件、進水點位置等。分艙主要影響破艙穩(wěn)性，系泊纜預張力可調節(jié)范圍有限，環(huán)境因素對穩(wěn)性影響明顯，但不具有人為可控性，不便于采取相關應對措施，因此，需綜合分析后考慮開展 “進水點位置”的敏感性分析。

假設將進水點位置不斷向平臺中心靠攏，當進水點設置到一定位置的時候，發(fā)現(xiàn)該情況下系泊斷裂過程平臺穩(wěn)性可以滿足要求，通過多次分析可以找出一系列這樣的臨界進水點，選取的幾個代表的臨界進水點見表8，這些臨界進水點可以組成進水點位置的限制曲線，如圖6所示。假設將進水點設置在這些臨界進水點位置時，分析可得到系泊斷裂過程平臺穩(wěn)性分析結果見表9，靜穩(wěn)性曲線如圖7所示。

圖7 考慮不同進水點時系泊斷裂過程的靜穩(wěn)性曲線

從穩(wěn)性分析結果可以看出：若將該半潛式平臺的進水點設置在這三個臨界進水點處，或設置在圖6中的臨界進水點限制線以內時，能使該平臺在系泊斷裂后瞬態(tài)漂移工況的穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。也就是說，通過限制進水點位置或臨時將部分進水點水密處理，能夠有效預防半潛式平臺在系泊斷裂后瞬態(tài)漂移時可能發(fā)生的傾覆問題。

表8 假想的某半潛式平臺臨界進水點列表

表9 系泊斷裂瞬態(tài)漂移工況不同臨界進水點的穩(wěn)性分析結果

5 結論

通過該文研究，可以得到以下結論：

(1) 基于目前的分析可知，從第一根系泊纜斷裂到最后一根系泊斷裂過程中，半潛式平臺會快速漂移，同時將產(chǎn)生嚴重傾斜。

(2) 災害環(huán)境條件下，半潛式平臺系泊斷裂后漂移工況的穩(wěn)性可能會不滿足要求，有發(fā)生進水傾覆的危險，該過程的穩(wěn)性問題需要被關注，但該過程的穩(wěn)性不是致命問題，可以通過限制進水點位置或臨時水密處理進水點即可有效預防。

[1] Sharples M. Post mortem failure assessment of MODUs during Hurricane Ivan[C].MMS Report, 2006.

[2] Sharples M. MODU Performance in Hurricane Ivan[C]. OTC18322, Houston, Texas, USA , 2006.

[3] Sharples M. Post Mortem Failure Assessment of MODUs During Hurricane Lili[C].OTC16800, Houston, Texas, USA, 2004.

[4] Sharples M. Post mortem analysis of MODUs in Hurricane Katrina and Rita[C]. OTC20144, Houston, Texas, USA, 2009.

A Stability Analysis of Floating Platform of the Transient Drift Process during
the Mooring Line Break in Extreme Sea Condition

FENG Jia-guo1， LIU Xiao-yan2， XIE Wen-hui1，WANG Shi-sheng1， QU yan1

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100027， China;2.COTEC, Beijing 100011, China)

Floating platforms are one of the main facilities for oil and gas exploration and production. It is important to ensure the platforms are safe. The time domain coupled simulation of the movement of the semi submersible of the transient drift process during the mooring line break is provided and the stability analysis of this process is presented. The results indicate that the semi would fast drift and would have a serious tilt when the mooring line breaks and this increases overturning moments and may result in the semi not meeting the stability requirements during this process. The research shows that it is necessary to pay attention to the stability problem of the transient drift process during the breaking of the mooring line. The stability problem can be avoided by properly locating of down-flooding points.

semi-submersible platform; mooring line break; stability analysis; water point

2014-07-08

國家863課題資助(2006AA09A109)；中國海洋石油總公司京直地區(qū)青年科技項目：“半潛平臺系泊斷裂過程中的穩(wěn)性分析”資助(JZTW2011KJ11)。

馮加果(1985-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0081-08

P75

A