張力腿平臺濕拖穩(wěn)性及拖航阻力分析

楊 旭， 陳國龍， 范 模， 譚 越

(中海油研究總院， 北京 100028)

張力腿平臺濕拖穩(wěn)性及拖航阻力分析

楊 旭， 陳國龍， 范 模， 譚 越

(中海油研究總院， 北京 100028)

張力腿平臺是深海浮式平臺的一種重要形式，在中國南海尚無應用。運用MOSES軟件分析了適用于中國南海的張力腿平臺濕拖工況下的浮性和穩(wěn)性，估算拖航阻力，并進行規(guī)范校核。研究結(jié)果可為張力腿平臺設計提供參考。

張力腿平臺；穩(wěn)性；拖航阻力

0 引 言

張力腿平臺(TLP)是深海浮式平臺的一種重要形式。它通過自身結(jié)構形式，產(chǎn)生遠大于結(jié)構自重的浮力，浮力除抵消自重外，剩余的浮力與預張力平衡，使張力腿平臺時刻處于受拉繃緊狀態(tài)。張力腿平臺具有運動性能好、可干式采油的優(yōu)點[1]。目前，國內(nèi)尚無張力腿平臺應用案例，對其研究也較少，但隨著我國海洋油氣開發(fā)逐步邁向深海，張力腿平臺將擁有廣闊的發(fā)展前景。

張力腿平臺的運輸方式一般分為干拖和濕拖兩種。干拖方案是將平臺裝載于運輸船上，以拖船拖曳無動力駁船或自航運輸船，運輸?shù)街付êＳ蜻M行卸船安裝。而濕拖則是將平臺漂浮于海中，運用拖船進行拖曳運輸?shù)街付êＳ?，再調(diào)節(jié)平臺壓載進行安裝準備。運輸方式的比選需要考慮運輸船舶資源、動復員地點和價格、運輸能力、裝船

及卸船方式、拖航穩(wěn)性、拖航強度、拖航運動性能、運輸疲勞損傷、運輸窗口期等多種因素。本文以中國南海為目標海域，設計一座張力腿平臺，并對其進行濕拖工況下的浮性、穩(wěn)性及拖航阻力分析。通過計算分析，證實了該平臺濕拖方案的可行性，可將濕拖方式作為該張力腿平臺運輸方案之一。

1 張力腿平臺模型

1.1 張力腿平臺主要參數(shù)

1.1.1張力腿平臺主尺度

以中國南海油田為目標區(qū)域，設計一座張力腿平臺，平臺形式為經(jīng)典張力腿平臺，設計工作水深400m，設計工作排水量50130t，其主要參數(shù)如表1所示。平臺主體結(jié)構如圖1所示。

表1 TLP主要參數(shù)Table 1 Hull principal parameters of the TLP

圖1 TLP主體結(jié)構圖Fig.1 Structure diagram of the TLP hull

1.1.2環(huán)境條件

假設張力腿平臺的建造場地為山東某地，濕拖工況需考慮平臺從山東場地至南海海域的環(huán)境條件，濕拖工況選擇十年一遇的極限環(huán)境條件，如表2所示。

表2 相關海域環(huán)境條件Table 2 Environmental conditions

此外，還需考慮拖航過程中的水深影響，其中拖航需要經(jīng)過臺灣海峽，水深較淺，拖航工況下吃水不宜過大。

1.1.3受風面積

平臺有效受風面積是根據(jù)國際海事組織(IMO)穩(wěn)性規(guī)范[2]，對平臺水線以上的模塊進行分類，再乘以高度系數(shù)Ch和形狀系數(shù)Cs，最終得到TLP平臺有效受風面積。

1.1.4艙室分布

TLP平臺需要進行分艙壓載調(diào)節(jié)，艙室分布設計如圖2所示。在拖航狀態(tài)下，吃水較淺，僅應用最下層壓載艙進行壓載分配。

1.1.5進水點

穩(wěn)性分析中，還需考慮平臺的進水點，根據(jù)張力腿平臺結(jié)構設計了平臺進水點，位于立柱內(nèi)側(cè)甲板下方，如圖3所示。

圖2 艙室分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of compartment arrangement

圖3 進水點位置示意圖Fig.3 Location of down flooding points

2 張力腿平臺拖航穩(wěn)性分析

2.1 張力腿平臺拖航穩(wěn)性校核標準

在濕拖過程中的穩(wěn)性校核主要參考IMO和美國船級社(ABS)規(guī)范[2—4], 將穩(wěn)性工況分成破艙和完整穩(wěn)性兩種情況，規(guī)范要求如表3所示。

表3 穩(wěn)性規(guī)范要求Table 3 Stability check requirement

(續(xù)表)

工況穩(wěn)性校核標準IMOABS最終設計標準進水破艙穩(wěn)性(0風速)GMT，GML>0GMT，GML>0GMT，GML>10m平衡傾角<25°平衡傾角<25°進水角>0°進水角>0°進水角>0°正穩(wěn)性范圍在平衡角7°以上水密進水角、第一交點差≥7°第二交點與第一交點差≥7°正穩(wěn)性范圍在平衡角7°以上

注： GMT和GML分別為橫穩(wěn)心高和縱穩(wěn)心高。

除上述要求外，規(guī)范還對需要進行破艙穩(wěn)性分析的艙室做了詳細描述。

2.2 張力腿平臺模型建立

本文通過MOSES軟件進行浮態(tài)計算、壓載計算及穩(wěn)性計算。首先運用MOSES軟件根據(jù)上文所述平臺結(jié)構建立平臺模型和艙室內(nèi)部模型，如圖4所示。在濕拖工況下，吃水較淺，主要應用最下層壓載艙進行壓載分配。

圖4 TLP平臺MOSES模型Fig.4 MOSES model of TLP

2.3 浮態(tài)計算

根據(jù)濕拖工況下的吃水對平臺進行壓載分析，得到重量分布，如表4所示。

2.4 穩(wěn)性校核

根據(jù)規(guī)范校核了拖航狀態(tài)下完整工況、單艙室破艙、雙艙室破艙三種情況下的穩(wěn)性，同時考慮了風向從0°到180°每隔15°的變化。得到完整工況下的穩(wěn)性結(jié)果如表5所示，碰撞破艙穩(wěn)性如表6所示，進水破艙穩(wěn)性如表7所示。經(jīng)過分析，全部拖航穩(wěn)性結(jié)果均符合規(guī)范要求。完整狀態(tài)下穩(wěn)心高3.48m。

表4 TLP濕拖工況重量分布Table 4 Weight control of the TLP on wet-tow condition

表5 完整工況TLP穩(wěn)性校核結(jié)果

表6 碰撞破艙穩(wěn)性校核結(jié)果Table 6 Collision damage stability check results of the TLP

表7 浸水破艙穩(wěn)性計算結(jié)果Table 7 Flooding condition stability check results of the TLP

3 張力腿平臺拖航阻力分析

3.1 拖航阻力估算方法

選擇中國船級社(CCS)海上拖航指南(1997)中的拖航阻力估算方法[5]進行阻力估算。

對于鉆井平臺這類受風面積較大的平臺，海上拖航的總阻力由兩個經(jīng)驗公式計算，取其中較大值。

經(jīng)驗公式之一將總阻力分為被拖船和拖船的摩擦阻力與剩余阻力：

RT=1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)],

(1)

式中：Rf為被拖船的摩擦阻力；RB為被拖船的剩余阻力；Rft為拖船的摩擦阻力；RBt為拖船的剩余阻力。

另一個公式為

∑R=0.7(Rf+RB)+Ra(kN)，

(2)

式中：Ra為空氣阻力；其他參數(shù)意義同式(1)。式(1)與式(2)中具體阻力的求解參見CCS規(guī)范。由于TLP平臺并非傳統(tǒng)船型，若按照常規(guī)方法可能計算不準，為此，將受到流載荷作用的區(qū)域進行分塊求解，再將每一部分進行相加，得到拖航阻力。根據(jù)相關公式，編寫Excel表格，建立公式，通過輸入指定參數(shù)即可求得平臺的拖航阻力。

3.2 拖航阻力試驗

為更準確地確定張力腿平臺拖航阻力，在哈爾

濱氣動院進行了張力腿平臺模型風洞試驗，模型比例1∶150，采用風洞試驗結(jié)果估算拖航狀態(tài)下風載荷。

此外，在上海交通大學水池進行了渦激運動(VIM)試驗，試驗結(jié)果顯示VIM試驗所得流載荷大于風洞試驗估算流載荷。因此對于流載荷采用VIM試驗所得結(jié)果。VIM試驗比例為1∶50。通過風洞試驗和VIM試驗組合得到拖航阻力試驗估算結(jié)果。

3.3 拖航阻力結(jié)果

通過規(guī)范估算拖航阻力和試驗估算拖航阻力，得到不同航速和風向下兩種方法得出的拖航阻力，如表8所示；其對比如圖5所示。單從規(guī)范方法來看，絕大多數(shù)情況均為式(2)結(jié)果較大，這說明對于張力腿平臺，空氣阻力占比較大。比較規(guī)范估算方法和試驗估算方法可發(fā)現(xiàn)，在低航速下兩者結(jié)果較為接近，但隨著航速的提高，兩者差距越來越大。分析差異原因可發(fā)現(xiàn)VIM試驗流力是造成試驗拖航阻力顯著增加的原因。造成試驗結(jié)果增長較快的原因可能是VIM流載荷過大，而原規(guī)范中多數(shù)以船型為基礎設計，并沒有考慮渦激運動載荷。因此，對于張力腿平臺拖航阻力分析，渦激運動載荷是今后需重點考慮和關注的內(nèi)容。還需在下一步工作中加入數(shù)值模擬對比，分析差異原因。

表8 拖航阻力對比Table 8 Wet tow resistance

圖5 TLP平臺拖航阻力Fig.5 Wet-towing resistance of TLP

4 結(jié) 語

本文以一座適用于中國南海400m水深的張力腿平臺為目標，采用十年一遇的拖航環(huán)境條件，運用MOSES軟件進行該平臺拖航狀態(tài)下浮態(tài)、壓載及穩(wěn)性分析，并進行了規(guī)范校核。結(jié)果表明該張力腿平臺浮性、完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均滿足相關規(guī)范，浮性及穩(wěn)性滿足濕拖要求。此外，運用拖航相關規(guī)范估算拖航阻力，對比了風洞試驗及VIM渦激運動試驗組合得到的拖航阻力試驗結(jié)果， 結(jié)果表明VIM試驗流載荷在張力腿平臺拖航阻力中占比較大，而原有規(guī)范基于船型得到的估算公式可能對這一部分阻力考慮較少。下一步需進行數(shù)值模擬研究并與試驗進行對比，確定VIM渦激運動載荷對張力腿平臺濕拖阻力的影響。

[1] 董艷秋，胡志敏，馬馳.深水張力腿平臺的結(jié)構形式[J].中國海洋平臺，2000,15(5)： 1.

Dong Yan-qiu， Hu Zhi-min， Ma Chi. The structure types of deepwater TLP [J]. China Offshore Platform， 2000，15(5)： 1.

[2] International Maritime Organization. International code on intact stability [S]. 2008.

[3] International Maritime Organization. Code for the construction and equipment of mobile offshore drilling units [S]. 2001.

[4] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units [S]. 2015.

[5] 中國船級社.海上拖航指南[S].1997.

China Classification Society. The guideline for towage at sea [S]. 1997.

StabilityAnalysisandWet-TowingResistanceofaTensionLegPlatform

YANG Xu， CHEN Guo-long， FAN Mo， TAN Yue

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Tension leg platform (TLP) is an important type of deepwater floating platform which has not been applied in the South China Sea. We analyze buoyancy and stability performance of a TLP with MOSES software, estimate towing resistance and check the results according to the related rules. The results can give reference to the design of TLP.

tension leg platform (TLP); stability; towing resistance

2017-03-15

楊旭(1987—)，男，博士，工程師，主要從事海洋工程結(jié)構物方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2017)05-0300-07