一種新型干樹式半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)

紀(jì)亨騰，冉志煌，葉 偉，李建勛，李國(guó)杰，唐修俊，王中念，吳洪武

(1. 深圳深德海洋工程有限公司，廣東 深圳 518067; 2. 三一海洋重工研究院，廣東 珠海 519055)

一種新型干樹式半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)

紀(jì)亨騰1，冉志煌1，葉 偉1，李建勛1，李國(guó)杰2，唐修俊2，王中念2，吳洪武2

(1. 深圳深德海洋工程有限公司，廣東 深圳 518067; 2. 三一海洋重工研究院，廣東 珠海 519055)

開發(fā)了一種新型的深吃水干樹式半潛生產(chǎn)平臺(tái)(TCDD-Semi)，該平臺(tái)可用于中國(guó)南海深水區(qū)域的油氣田開發(fā)。它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是立柱的截面形狀呈現(xiàn)為漸變形式，而非傳統(tǒng)的等截面形式。立柱的底部最大，向上逐漸變小，再結(jié)合適當(dāng)?shù)南赂◇w設(shè)計(jì)，能夠?yàn)槠脚_(tái)在服役前期及在位狀態(tài)時(shí)提供足夠的浮力以及穩(wěn)性。最重要的是這種新型立柱的設(shè)計(jì)能夠明顯地減小平臺(tái)在惡劣海況時(shí)的垂向運(yùn)動(dòng)，從而使在平臺(tái)上布置具有干式采油樹的TTR立管系統(tǒng)成為可能。此外，這種漸變式的立柱設(shè)計(jì)也有利于減弱平臺(tái)在流作用下的渦激誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)(VIM)。分析結(jié)果表明這種漸變式立柱半潛平臺(tái)可以明顯降低平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)，也可以在碼頭組裝時(shí)提供足夠的浮力以及在平臺(tái)下沉過程中提供足夠的穩(wěn)性。平臺(tái)優(yōu)越的垂向運(yùn)動(dòng)性能可以使頂部張緊式立管的行程范圍限制在10.5 m之內(nèi)(包括平臺(tái)偏移、垂蕩運(yùn)動(dòng)、潮汐影響、海床沉降、熱膨脹等因素)。分析結(jié)果表明平臺(tái)的垂蕩范圍、水平偏移、傾側(cè)角度、上部模塊重心處的加速度等可以滿足設(shè)計(jì)要求，證明了這種新型干樹式半潛平臺(tái)的可行性。

浮式平臺(tái)；半潛式平臺(tái)；垂蕩運(yùn)動(dòng)；深吃水；立柱；干式采油樹；立管張緊器

與水下采油樹的相比，海洋平臺(tái)采用干式采油樹具有可直接監(jiān)測(cè)、控制、干預(yù)以及提高碳水化合物油氣回收率的優(yōu)點(diǎn)。另外，進(jìn)行鉆井、完井以及修井操作時(shí)采用干式采油樹的平臺(tái)在費(fèi)用和工程進(jìn)度上也更有優(yōu)勢(shì)。在浮式海洋平臺(tái)上，目前只有張力腿平臺(tái)(TLP)和單柱式平臺(tái)(SPAR)可以采用干式采油樹布置，原因是它們?cè)诓ɡ酥械拇瓜蜻\(yùn)動(dòng)響應(yīng)都比較小，但這兩種平臺(tái)在安裝水深、有效載荷、上部甲板面積等方面存在明顯限制，并且在海上安裝時(shí)操作復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性較差。因此，對(duì)于深水和超深水海域的鉆井和生產(chǎn)項(xiàng)目，有必要開發(fā)出一種新型的干樹式浮式平臺(tái)來解決TLP和SPAR平臺(tái)存在的這些缺陷。根據(jù)調(diào)查和分析研究，干樹式半潛平臺(tái)是一個(gè)具有可行性的替代解決方案。這種平臺(tái)沒有水深限制，可以在碼頭進(jìn)行上部模塊與船體的合攏和調(diào)試，并且能夠提供更大的上部甲板面積。

近些年來，干樹式半潛平臺(tái)的概念開發(fā)專注于提高立管系統(tǒng)的順從性以及改善平臺(tái)在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)這兩方面。Halkyard等[1]開發(fā)了一種帶有可伸縮垂蕩板的深吃水半潛平臺(tái)，垂蕩板的目的是減小垂蕩運(yùn)動(dòng)。Mungall等[2]提出了一種用于墨西哥灣的干樹式半潛生產(chǎn)平臺(tái)，該平臺(tái)具有垂直接入式順應(yīng)式立管。Zen等[3]給出了一種帶有TTR(top tension riser)立管的深吃水干樹式半潛平臺(tái)的解決方案，并指出該平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)項(xiàng)目的可行性和成本控制最為關(guān)鍵。 Muehlner amp; Banumurthy[4]提出了一種新型的具有外伸下浮體的半潛平臺(tái)(OPS)。該平臺(tái)的下浮體偏離立柱向外，垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小。Das amp; Zou[5]介紹了一種“成對(duì)立柱”式半潛平臺(tái)(paired-column semi)的概念，和常規(guī)的半潛平臺(tái)進(jìn)行了一些特征響應(yīng)的比較后，結(jié)果表明這種新型平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性比較優(yōu)越。

一般而言，增加半潛平臺(tái)的吃水是減小平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)最有效的方法。通常情況下吃水超過45 m的半潛平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)較常規(guī)淺吃水的半潛平臺(tái)要小，因此深吃水的半潛平臺(tái)具有支持TTR立管的可能性。平臺(tái)建造時(shí)，在船廠碼頭進(jìn)行船體和上部模塊的合攏是最安全和最經(jīng)濟(jì)的方法，但一般碼頭的水深為9.0～10. 5 m ，因此如果在碼頭進(jìn)行合攏，合攏時(shí)平臺(tái)船體的吃水就需要限制在此吃水范圍內(nèi)，而同時(shí)還須保證浮力足夠支持船體和上部模塊的重量。對(duì)于在位時(shí)具有深吃水的常規(guī)半潛平臺(tái)，其船體在碼頭時(shí)要維持如此淺的吃水是很困難的，因?yàn)槠鋷缀瓮庑未藭r(shí)難以提供足夠的浮力。當(dāng)然，半潛平臺(tái)的船體和上部模塊也可以在近?；蛘攥F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行合攏，但這兩種方式都是在離岸的海域進(jìn)行，嚴(yán)重依賴天氣條件以及重型浮吊的工期，增加了項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用。

平臺(tái)船體和上部模塊合攏后，半潛平臺(tái)通常被濕拖或者由運(yùn)輸船運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)。這兩種方法都涉及到船體在服役前期中的壓載操作。在壓載過程中，浮體的穩(wěn)性通常會(huì)隨著吃水的增加以及下浮體地突然下沉而降低。這種現(xiàn)象是深吃水半潛平臺(tái)的特殊問題，原因在于此種平臺(tái)的立柱高度大以及所支持的上部模塊位置很高。

與常規(guī)的半潛平臺(tái)比較，深吃水半潛平臺(tái)的立柱要高許多。盡管平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)由于下浮體深置于水中得到減小，但加長(zhǎng)的立柱容易受到VIM(vortex induced motion)的影響，而VIM運(yùn)動(dòng)是平臺(tái)、系纜以及立管這些結(jié)構(gòu)疲勞損壞的重要原因。此外，VIM誘導(dǎo)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)使得平臺(tái)維持在井口位置會(huì)更加困難，也增加了立管系統(tǒng)損壞的可能性。Xu[6]、Kyoung等[7]介紹了一種新的船體設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)擴(kuò)大了立柱的底部。Zou 等[8]提出了一種干樹式“成對(duì)立柱”半潛式平臺(tái)的概念。這兩種設(shè)計(jì)都能改善平臺(tái)在強(qiáng)流下的VIM運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。TCDD半潛平臺(tái)的漸變式立柱設(shè)計(jì)也能夠減小半潛平臺(tái)的VIM運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

基于上述背景，這里提出了一種新型的深吃水半潛平臺(tái)TCDD(tapered column deep draft semi-submersible)。該平臺(tái)的立柱設(shè)計(jì)區(qū)別于常規(guī)半潛平臺(tái)立柱等截面形式，而是在不同吃水處采用不同的截面形式。這種特殊的立柱形式旨在解決半潛式生產(chǎn)平臺(tái)在碼頭淺吃水條件下的合攏、服役前期平臺(tái)的穩(wěn)性、VIM運(yùn)動(dòng)以及垂向運(yùn)動(dòng)過大等問題。

為了將TCDD平臺(tái)的概念應(yīng)用于干樹式生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，根據(jù)中國(guó)南海深水海域的環(huán)境條件，采用頻域和時(shí)域方法著重分析了平臺(tái)的水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)性能，包括平臺(tái)的總體運(yùn)動(dòng)、最小氣隙以及TTR張緊器的最大行程范圍等。其中總體運(yùn)動(dòng)又包括平臺(tái)的最大偏移、最大垂蕩、最大傾側(cè)等指標(biāo)。限于篇幅，服役前的分析以及平臺(tái)的VIM運(yùn)動(dòng)分析等不在本文展開。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件

假想的氣田位于中國(guó)南海的某區(qū)塊，產(chǎn)量為每年50億立方米(483.8 MMSCFD)。平臺(tái)布置區(qū)域水深約1 500 m。平臺(tái)設(shè)計(jì)成可以布置12根TTR干樹式立管(1根鉆井立管，11根生產(chǎn)立管/注水立管)和10根回接鋼制懸鏈線立管(SCR)，以及2根輸出SCR立管。平臺(tái)采用分布式系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位。生產(chǎn)出的氣液凝聚物將從平臺(tái)西向的輸氣SCR立管和輸油SCR立管向外輸出。

根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，干樹式半潛平臺(tái)應(yīng)滿足表1所列運(yùn)動(dòng)性能要求。甲板(上部模塊)水平加速度定義在主甲板的高度處。表中“WD”表示水深(Water Depth)，“g”為重力加速度。

表1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)對(duì)總體性能的要求Tab. 1 Requirements of global motions in design basis

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件以全年從東北方向來的風(fēng)為主，因此除了夏季存在因西南方向來的臺(tái)風(fēng)引起的強(qiáng)風(fēng)和大浪外，波浪的主要方向也是東北方向。全年流的主要方向是西或者西南偏西方向。

對(duì)于船體和上部模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而言，操作條件為100年非臺(tái)風(fēng)環(huán)境，極限條件為100年臺(tái)風(fēng)環(huán)境，參考南海某氣田項(xiàng)目，參數(shù)如表2中定義。

表2 極限和操作環(huán)境條件Tab. 2 Extreme and operating environmental criteria

1.2平臺(tái)主尺度及重量

TCDD半潛平臺(tái)的上部模塊設(shè)兩層甲板：下甲板和主甲板。在操作工況時(shí)，上部模塊的總重量為19 624 t，包括結(jié)構(gòu)重量6 884 t和設(shè)備重量12 740 t。

立柱的頂部具有16.75 m的干舷，下甲板的底部距水面21.354 m，主甲板的底部距水面31.354 m。平臺(tái)主船體的吃水為48.75 m，在操作工況下排水量約65 000 t。下浮體的長(zhǎng)度為50.5 m，其橫截面的寬度為11.5 m，高度為9 m。下浮體和立柱的連接處有過渡段。當(dāng)安裝完成后，下浮體內(nèi)充滿海水(與海水貫通)，成為永久壓載。圖1為TCDD半潛平臺(tái)完整的3D模型圖。圖2為TCDD平臺(tái)船體的側(cè)視圖，立柱中間為豎直通道。

圖1 TCDD半潛平臺(tái)的3D模型(已有專利)Fig. 1 3D model of TCDD semi-submersible

圖2 TCDD半潛平臺(tái)船體側(cè)視圖Fig. 2 Side view of TCDD semi-submersible hull

TCDD半潛平臺(tái)立柱高度為65.5 m，在最大波浪時(shí)負(fù)責(zé)提供足夠的氣隙。立柱的截面形狀在不同高度處設(shè)計(jì)成不同，下部立柱(基線到12 m高度處)的正方形截面的邊長(zhǎng)為25 m，上部立柱(高度32.2～65.5 m)的正方形截面的邊長(zhǎng)為19 m。在下部與上部立柱的過渡部分(12～32.2 m)，截面的邊長(zhǎng)逐漸從25 m縮小到19 m。這種幾何外形的設(shè)計(jì)能保證平臺(tái)在不同吃水狀態(tài)下具有足夠的穩(wěn)性。在每個(gè)立柱的內(nèi)部，設(shè)置8 m × 8 m尺寸的豎直通道。立柱中心線之間的間距為69.5 m。

在每個(gè)立柱內(nèi)部共有6層水平隔壁，它們位于高度距基線0 m(龍骨)到65.5 m (立柱頂)之間。表 3列出了半潛平臺(tái)主船體的主尺度。表中的工作排水量不包括永久壓載(即和海水貫通的壓載艙內(nèi)海水的重量)。

表3 主船體主尺度Tab. 3 Principal dimensions of the hull

1.3系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)4組共16根繃緊式系泊纜用于平臺(tái)的定位。系泊纜布置在平臺(tái)的四個(gè)角上，為永久性系泊系統(tǒng)。每根系泊纜具有相同的無擋錨鏈-聚酯繩-無擋錨鏈的配置。在主船體的每個(gè)角上，4根系纜的上端位于基線上 12 m處。系泊纜關(guān)于平臺(tái)的幾何中心對(duì)稱布置。系泊纜的布置形式參看圖3，其組成和特性列于表 4。

對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了獨(dú)立的時(shí)域內(nèi)的計(jì)算分析。在極限環(huán)境下，校核了完整狀態(tài)時(shí)系纜的強(qiáng)度；在操作環(huán)境下，校核了一纜破斷時(shí)系纜的強(qiáng)度。結(jié)果表明系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是滿足API推薦標(biāo)準(zhǔn)的。表 5為系泊系統(tǒng)安全系數(shù)分析結(jié)果。

表4 系纜組成部分Tab. 4 Mooring line configuration

圖3 系泊系統(tǒng)的布置Fig. 3 Mooring system arrangement

表5 系泊系統(tǒng)安全系數(shù)Tab. 5 Safety factor of mooring system

2 水動(dòng)力與總體性能分析

在極限環(huán)境和操作環(huán)境情況下，采用AQWA軟件對(duì)平臺(tái)的總體運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了時(shí)域動(dòng)態(tài)分析，每個(gè)工況的時(shí)長(zhǎng)為3小時(shí)，考慮了角度間隔為22.5°的全方向的環(huán)境。模擬了作用在上部模塊、船體以及系纜上的動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷、流載荷以及波浪載荷。在分析中對(duì) TTR立管和SCR立管也進(jìn)行了等效模擬。立柱和下浮體的黏性阻尼是船體阻尼的重要來源，因此采用STAR-CCM+ 軟件先對(duì)作用于它們上的阻力進(jìn)行了計(jì)算，然后等效成Morison 單元的水動(dòng)力系數(shù)，用來更準(zhǔn)確地模擬立柱和下浮體上的非線性阻尼。圖4為TCDD半潛平臺(tái)船體的水動(dòng)力分析面元模型。

首先進(jìn)行了 TCDD半潛平臺(tái)、常規(guī)的等截面立柱淺吃水半潛平臺(tái)以及深吃水平臺(tái)三者垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO曲線之間的對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖5。圖中常規(guī)的淺吃水半潛平臺(tái)的吃水為29 m，立柱寬度為23 m。常規(guī)的深吃水半潛平臺(tái)的立柱寬度則和TCDD立柱的直立部分相同。從圖中可見，TCDD半潛平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)在20 s以內(nèi)比較小，RAO曲線的第一個(gè)峰值小于0.2 m，且垂蕩的固有周期大于20 s。對(duì)于中國(guó)南海的極限波浪環(huán)境，這樣的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能是應(yīng)用干式采油樹所期望的。垂蕩RAO曲線的比較表明，TCDD平臺(tái)的立柱設(shè)計(jì)結(jié)合下浮體形狀的優(yōu)化可以提高主船體下部的波浪力消失效果，從而顯著地減小平臺(tái)波頻范圍內(nèi)的垂蕩響應(yīng)。

圖4 平臺(tái)船體的面元模型Fig. 4 Panel model of the hull

圖5 垂蕩RAO曲線的比較Fig. 5 Comparison of heave motion RAOs

圖6 CFD計(jì)算表面網(wǎng)格Fig. 6 Surface mesh for CFD calculation

圖7 CFD計(jì)算的典型尾流場(chǎng)Fig. 7 Typical wake flow in CFD calculation

圖6和圖7為CFD計(jì)算分析中的物面網(wǎng)格以及典型尾流場(chǎng)顯示，計(jì)算結(jié)果表明這種新型的立柱形式對(duì)VIM運(yùn)動(dòng)有明顯地抑制作用。這里的總體運(yùn)動(dòng)性能分析著重于計(jì)算操作環(huán)境與極限環(huán)境下平臺(tái)的總體運(yùn)動(dòng)、水面與底甲板之間的氣隙以及最大的TTR立管張緊器的行程范圍。在極限環(huán)境條件下，將臺(tái)風(fēng)季節(jié)時(shí)百年一遇的風(fēng)暴作為設(shè)計(jì)條件來確定平臺(tái)的最大運(yùn)動(dòng)。在操作環(huán)境條件下，采用非臺(tái)風(fēng)季節(jié)時(shí)百年一遇的風(fēng)暴進(jìn)行計(jì)算，環(huán)境條件的具體參數(shù)見表2。分析結(jié)果總結(jié)如下。

2.1最大運(yùn)動(dòng)

表6給出了極限環(huán)境條件下平臺(tái)的最大運(yùn)動(dòng)結(jié)果。平臺(tái)的最大垂蕩范圍為5.92 m；最大傾側(cè)角度8.19°；最大水平偏移為水深的 4.67% 。上部模塊重心處最大水平加速度0.179g。

表6 極限條件下總體運(yùn)動(dòng)匯總Tab. 6 Global motion summary in extreme condition

表7給出了操作環(huán)境條件下平臺(tái)的最大總體運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)的最大垂蕩范圍為1.63 m；最大傾側(cè)角度為3.18°；最大水平偏移為水深的 0.99% ；上部模塊重心處最大水平加速度0.052g。

表7 操作條件下總體運(yùn)動(dòng)匯總Tab. 7 Global motion summary in operating condition

2.2最小氣隙

API RP 2FPS要求平臺(tái)的氣隙在設(shè)計(jì)環(huán)境下考慮非線性因素影響后應(yīng)該大于0。在分析中，波浪的峰谷不對(duì)稱性、波浪在立柱附近抬高、平臺(tái)對(duì)環(huán)境力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及船體和立管、系泊系統(tǒng)的相互作用等非線性因素都得到了考慮。分析結(jié)果表明在極限環(huán)境下最小氣隙為0.84 m(2.74 ft)，發(fā)生在-112.5°浪向時(shí)底甲板下邊緣迎浪處。因此，平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)滿足API 關(guān)于最小氣隙應(yīng)不小于0的要求。

圖8顯示了最危險(xiǎn)浪向時(shí)最小氣隙的等高線圖。

2.3TTR張緊器最大行程范圍

設(shè)計(jì)方案中，TCDD半潛平臺(tái)的TTR 立管采用最大行程范圍為10.67 m(35 ft)的上拉式張緊器系統(tǒng)。呈長(zhǎng)方形范圍內(nèi)布置的井口中，中間的一根TTR立管為鉆井立管，其余11根為生產(chǎn)立管。鉆井立管的外徑為419 mm，生產(chǎn)立管的外徑為244 mm。圖 9為TTR立管進(jìn)口布置圖。

圖8 最危險(xiǎn)浪向時(shí)最小氣隙等高線圖Fig. 8 Minimum airgap contour for most critical case

圖9 TTR立管布置Fig. 9 TTRs well bay layout

在張緊器行程范圍的計(jì)算中，除平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)外還考慮了0.61 m的海底沉降的影響、2.15 m的潮汐影響以及0.02 m的熱膨脹影響。

表8中列出了計(jì)算TTR 張緊器行程范圍的4種工況。環(huán)境條件為表2中所列。

表8 張緊器行程范圍計(jì)算的工況Tab. 8 Stroke range load cases

張緊器行程范圍的計(jì)算按如下步驟進(jìn)行：

1)潮汐、海床沉降和熱膨脹的影響按靜態(tài)處理。

2)由于環(huán)境力作用，包括平均漂移、慢漂以及波頻的垂直和水平運(yùn)動(dòng)所引起的部分由AQWA DRIFT 軟件在時(shí)域內(nèi)全耦合計(jì)算。

3)TTR 立管采用AQWA 中的Tether 單元來模擬，準(zhǔn)確定義了立管的幾何形狀、重量、彈性(用于拉伸和彎曲)以及張緊器的剛度。考慮了TTR 本身彈性引起的拉伸、對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)引起的變形以及波浪和流載荷。

4)每根TTR 在極限和操作條件下的向上行程Δs+和向下行程Δs-在16個(gè)浪向角上進(jìn)行計(jì)算，角度間隔為22.5°。每個(gè)浪向的行程峰值取為10個(gè)不同的3小時(shí)隨機(jī)波所產(chǎn)生的時(shí)歷結(jié)果中的最大向上和向下行程的均值。需要注意的是向上和向下行程的最大值可能并不發(fā)生在同一個(gè)浪向上。

5)對(duì)于一纜破斷以及一艙破損的情況，最危險(xiǎn)的工況由完整狀態(tài)時(shí)的行程結(jié)果來確定。向上和向下行程在時(shí)域內(nèi)的計(jì)算方法和完整狀態(tài)時(shí)相同。需要注意的是一纜破斷情形和一艙破損情形是分開進(jìn)行的。

(4種工況),

最終的TTR 張緊器行程范圍計(jì)算結(jié)果如下：

1)在船體完整以及操作環(huán)境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為4.64 m；

2)在一艙破損以及操作環(huán)境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為4.64 m(需要注意的是雖然最后的行程范圍和完整狀態(tài)下相同，但是各自的向上行程和向下行程與船體完整狀態(tài)時(shí)是不同的)；

3)在系泊系統(tǒng)完整以及極限環(huán)境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為9.74 m；

4)在一纜破斷以及極限環(huán)境條件下，最大的TTR 張緊器行程范圍為10.09 m。

3 結(jié) 語

開發(fā)了一種新型的深吃水半潛平臺(tái)(TCDD)，該平臺(tái)主船體采用了一種特殊的立柱形式。結(jié)合下浮體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該型平臺(tái)不但可以具有優(yōu)越的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)性能，且兼顧了建造、安裝等服務(wù)前期的總體性能。采用時(shí)域全耦合的計(jì)算分析方法對(duì)該平臺(tái)的總體運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了分析研究，得出如下結(jié)論：

1)TCDD平臺(tái)具有優(yōu)越的垂向運(yùn)動(dòng)性能，且同時(shí)保證其它總體運(yùn)動(dòng)性能也能滿足性能要求，如最小氣隙、最大水平偏移、最大平臺(tái)傾角、上部模塊加速度等。目前在用的浮式平臺(tái)上布置干式采油樹的只是TLP和SPAR。制約常規(guī)半潛平臺(tái)采用干式采油樹的是平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)性能，反映為TTR張緊器的行程范圍不能太大，而TCDD平臺(tái)優(yōu)越的垂向運(yùn)動(dòng)性能使半潛平臺(tái)上布置干式采油樹成為可能。

2)TCDD平臺(tái)的外形設(shè)計(jì)可以提供足夠浮力，滿足碼頭淺吃水條件下上部模塊和主船體的合攏，并且在服役前的壓載操作中提供足夠的穩(wěn)性。

3)根據(jù)中國(guó)南海典型極限環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算分析，表明TCDD干樹式半潛平臺(tái)應(yīng)用于中國(guó)南海深水海域是可行的。

4)在總體運(yùn)動(dòng)性能分析中，采用CFD方法先得到平臺(tái)水平和垂直方向的黏性阻力，然后等效成總體水動(dòng)力分析中Morison單元的水動(dòng)力系數(shù)，為初步設(shè)計(jì)階段更準(zhǔn)確地模擬半潛平臺(tái)的黏性阻尼提供了一種新途徑。

5)CFD計(jì)算分析表明這種變截面立柱形式對(duì)深吃水半潛平臺(tái)船體的VIM運(yùn)動(dòng)有明顯地抑制作用。

除總體運(yùn)動(dòng)性能分析外，對(duì)TCDD半潛平臺(tái)還同時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、立管系統(tǒng)計(jì)算分析以及疲勞計(jì)算分析等工作。針對(duì)總體性能分析結(jié)果，下一步的工作是根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行校核，找出二者之間的差異，進(jìn)一步完善TCDD半潛平臺(tái)總體性能的驗(yàn)證。

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A new type of semi-submersible platform with superior global performance for dry-tree application

JI Hengteng1, RAN Zhihuang1, YE Wei1, LI Jianxun1, LI Guojie2, TANG Xiujun2, WANG Zhongnian2, WU Hongwu2

(1. Offshore Tech LLC, Shenzhen 518067, China; 2. SANY Marine Heavy Industry Co., LTD., Zhuhai 519055, China)

A Tapered Column Deep Draft Semi-submersible (TCDD-Semi) concept has been developed for dry tree drilling and production application. The platform is suitable as a host facility for an oil or gas project in deep water area in South China Sea. The new concept features lower hull geometry with gradually varying column cross-section, in contrast to the conventional semi-submersible design with uniform columns. The enlarged lower columns, in combination with properly sized upper columns and pontoons, provide sufficient buoyancy and stability for topside-quayside integration and offshore pre-service operations such as submergence and wet-tow. Most importantly, this new TCDD-Semi concept with tapered columns optimizes the cancelation effect of wave force and is able to reduce the heave motion in harsh environmental condition to such a level that the utilization of top tensioned drilling and production riser system with dry trees is feasible. Additionally, the tapered shape of the columns helps reduce the vortex induced motions (VIM) of the platform in currents. The design analysis results show that the proposed TCDD Semi-submersible platform has superb heave motion performance, sufficient quayside integration buoyancy, and adequate transition stability during pontoon submergence. Its excellent heave motion performance enables the application of top-tensioned riser system with 10.5 m stroke limit, including all contributing factors such as platform offset, heave motion, tide, seabed subsidence, thermal expansion, damaged tank and damaged mooring. In addition, the platform heave motion range, horizontal offset, heel angle, acceleration at topside COG, etc. also meet the requirement of the design basis. It is demonstrated that the use of dry trees on a semi-submersible platform is feasible.

floating platform; semi-submersible; heave motion; deep draft; column; dry tree; riser tensioner

1005-9865(2017)06-0010-09

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.002

2017-01-10

廣東省引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013G058)

紀(jì)亨騰(1976-)，男，陜西西安人，博士，從事海洋工程結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力及安裝分析工作。E-mail: Hunter.ji@offshoretechllc.com