自升式平臺樁腿下放長度對其運動響應(yīng)的影響

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(太重(天津)濱海重型機械有限公司 技術(shù)中心，天津 300457)

0 引 言

自升式平臺是目前海洋油氣勘探開發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的移動式鉆井設(shè)施之一[1]。平臺就位過程是指平臺經(jīng)拖船拖航到達指定海域，通過拖船協(xié)助放錨進行精確定位后，下放樁腿直至平臺升起的過程。在樁腿下放的過程中，平臺處于漂浮狀態(tài)，隨著樁腿下放長度的不斷增加，平臺整體的重心位置和浮心位置不斷變化，作用在樁腿上的波浪載荷、流載荷也不斷變化，增加了平臺受力的復(fù)雜性。如果平臺在縱蕩、橫蕩和垂蕩方向運動過大，很可能使平臺偏離預(yù)定位置，導(dǎo)致樁腿和海底發(fā)生碰撞，進而影響平臺的順利就位。因此，研究自升式平臺在樁腿下放過程中的運動響應(yīng)問題，對平臺安全準(zhǔn)確就位具有重要的意義。

何堃等[2]利用SESAM軟件對自升式平臺就位過程中樁腿觸底問題進行計算分析，對平臺運動響應(yīng)進行短期統(tǒng)計預(yù)報；張兆德等[3]對沉墊自升式平臺就位過程中沉墊下放1 m時平臺垂蕩、橫搖、縱搖3個自由度的運動響應(yīng)和錨鏈張力進行計算分析，研究結(jié)果表明波浪的入射角和周期對平臺運動有很大影響，縱搖和橫搖對波浪入射的方向更敏感；勾瑩等[4]對自升式平臺樁腿下放過程中的平臺運動響應(yīng)進行物理模型試驗研究；李龍祥等[5]通過大量的模型試驗，研究環(huán)境荷載角度和載量的變化對系泊時自升式鉆井平臺運動響應(yīng)的影響?，F(xiàn)有研究大多集中在對樁腿與基礎(chǔ)的相互作用和插樁過程碰撞問題上，對平臺模型在不同波浪海況條件下的運動響應(yīng)進行對比分析，而對自升式平臺樁腿下放過程中平臺整體運動響應(yīng)變化的研究相對較少。

本文針對平臺樁腿下放過程中的運動響應(yīng)特性進行研究。以TZ 400自升式平臺為計算模型，基于三維勢流理論和Morison方程，利用AQWA軟件對不同樁腿下放長度進行不規(guī)則波下的時域模擬，同時考慮海流對平臺的作用。根據(jù)計算結(jié)果對自升式平臺在不同樁腿下放長度下的運動響應(yīng)進行統(tǒng)計分析，重點考慮平臺在縱蕩、橫蕩和垂蕩方向上的運動，以便為平臺安全就位過程提供參考。

1 理論方法

1.1 勢流理論

采用勢流理論計算作用在主船體上的波浪載荷。通過速度勢描述流場，速度勢應(yīng)在流體各處滿足拉普拉斯方程，以及物體表面、自由液面、海底和無窮遠處的邊界條件。單位波幅入射波的速度勢可以表述為

(1)

式中：φI為入射速度勢；φd為繞射速度勢；φj為j自由度運動引起的輻射速度勢；xj為j自由度上的運動；ω為入射波圓頻率。

1.2 Morison方程

自升式平臺樁腿的弦桿、水平桿、斜撐桿等構(gòu)件的直徑與波長的比值小于0.2，屬于細長柱體。根據(jù)Morison方程，作用在單位長度細長柱體上的波浪載荷可以表示為

(2)

式中：Cd為拖曳力系數(shù)；D為特征直徑；uf為垂直于細長柱體方向的水質(zhì)點速度；us為垂直于細長柱體方向的結(jié)構(gòu)運動速度；CM為慣性力系數(shù)；A為細長柱體的橫截面積；ρ為流體的密度。

1.3 時域運動方程

在多種外部環(huán)境載荷作用下，自升式平臺在系泊定位狀態(tài)時的運動響應(yīng)方程可以表述為

(3)

2 模型與環(huán)境參數(shù)

2.1 平臺主要參數(shù)

本文以TZ 400自升式平臺為計算模型，平臺主要結(jié)構(gòu)包括近似三角形的箱型船體、懸臂梁結(jié)構(gòu)以及桁架式樁腿，樁腿的下端為碟形的樁靴。平臺各部分的主要參數(shù)見表1。

表1 平臺主要參數(shù) m

TZ 400自升式平臺主船體艏艉兩端各有2個定位錨，可用于平臺在就位下樁時進行精確定位。錨及系纜的布置形式如圖1所示，系纜參數(shù)見表2。

圖1 自升式平臺系泊形式

表2 系纜參數(shù)

2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)

在建立平臺模型的過程中，定義如下坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)原點位于船艉、船體底部基線以上5.4 m的位置，x軸正向由船艉指向船艏，y軸正向由船中指向左舷，z軸正向豎直向上。

2.3 三維水動力計算模型

在上述定義坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，建立自升式平臺的計算模型。TZ 400自升式平臺主船體和3個碟形樁靴采用面單元Shell 63建立其計算模型，如圖2所示。桁架式樁腿采用桿單元Pipe 59建立其計算模型，如圖3所示。圖4為自升式平臺整體水動力計算模型。

圖2 面元模型 圖3 Morison模型 圖4 整體模型

2.4 環(huán)境參數(shù)

為保證自升式平臺就位過程安全進行，所選取的海況窗口一般都相對良好。本文選取的海況參數(shù)見表3。在計算作用在Morison單元上的波浪力時，拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)的選取對計算結(jié)果有較大影響[7]，但目前為止對兩參數(shù)的選取尚無明確的規(guī)定。《CCS海上移動平臺入級規(guī)范2012》中規(guī)定：圓形截面桿件Cd的取值為0.6～1.2，CM取值為2.0；文獻[8]提到對于細長圓形桿件Cd的取值為1.0，CM的取值為2.0。本文所選取的拖曳力系數(shù)Cd=1.0，慣性力系數(shù)CM=2.0。

表3 海況參數(shù)

2.5 計算工況

自升式平臺在拖行過程中，為了降低平臺的重心，一般都會將樁腿下放一定長度，雖然增加了拖行阻力，但降低了拖行過程中的風(fēng)險，當(dāng)平臺到達指定位置后繼續(xù)下放樁腿。為此，從樁腿下放15 m時開始計算(此時樁靴下表面至到海面的距離為20.4 m)，樁腿下放長度每增加10 m計算1次，直至樁腿下放長度達到85 m。此外當(dāng)樁靴下表面到達海底3 m時再計算一次，此時樁腿下放長度為91.6 m，共進行9種工況的計算，以此模擬平臺樁腿下放的過程。

在利用AQWA軟件進行水動力時域計算時，考慮波浪和海流分別以0°，30°，60°和90°方向入射，共進行36種工況計算，每種工況都進行3 h的計算模擬，數(shù)據(jù)采樣間隔0.05 s。

3 結(jié)果分析

通過對36種工況的模擬計算，可以得到自升式平臺在6個自由度上的運動時間歷程曲線。本文主要對縱蕩、橫蕩和垂蕩3個自由度上的運動特性進行統(tǒng)計分析。

圖5為波浪在0°入射時平臺在一段時間內(nèi)的縱蕩運動時間歷程曲線。圖6為波浪在90°入射時平臺在一段時間內(nèi)的橫蕩運動時間歷程曲線?？梢钥闯觯涸谙挡炊ㄎ粻顟B(tài)下，自升式平臺在縱蕩方向和橫蕩方向上會發(fā)生明顯的大幅低頻慢漂運動，隨著樁腿下放長度的增加，平臺的縱蕩運動和橫蕩運動的范圍明顯變小。

圖5 縱蕩運動時間歷程曲線

圖6 橫蕩運動時間歷程曲線

對平臺縱蕩運動和橫蕩運動的時間歷程曲線進行快速傅里葉變換，得到平臺運動過程中的縱蕩運動和橫蕩運動的頻率，其中，縱蕩運動的峰值頻率為0.031 6 rad/s，橫蕩運動的峰值頻率為0.029 7 rad/s，平臺在縱蕩和橫蕩方向上的低頻慢漂運動周期分別為198.835 s和211.555 s。在平臺樁腿下放就位過程中須特別注意低頻慢漂運動的影響。

圖7和圖8為在不同波浪入射角下平臺縱蕩運動和橫蕩運動平均位置隨樁腿下放長度增加而變化的情況,可以看出：隨著樁腿下放長度的增加，平臺偏離初始位置的距離逐漸增大。這主要是由于隨著樁腿下放長度的增加，作用在樁腿上的波浪力和海流的拖曳力逐漸增大。

圖7 縱蕩運動平均位置變化情況 圖8 橫蕩運動平均位置變化情況

圖9為在不同波浪入射角下平臺縱蕩運動2倍均方根統(tǒng)計值隨樁腿下放長度的增加而變化的情況，可以看出：隨著樁腿下放長度的增加平臺縱蕩運動幅值逐漸減小。

圖9 縱蕩運動2倍均方根統(tǒng)計結(jié)果 圖10 橫蕩運動2倍均方根統(tǒng)計結(jié)果

圖10為在不同波浪入射角下平臺橫蕩運動2倍均方根統(tǒng)計值隨樁腿下放長度的增加而變化的情況。由于平臺左右對稱，當(dāng)波浪0°方向入射時其橫蕩運動幅度幾乎為0。當(dāng)波浪以其他角度入射時，橫蕩運動幅度同樣隨著樁腿下放長度的增加而逐漸減小。

圖11為在不同波浪入射角下平臺垂蕩運動2倍均方根統(tǒng)計值隨樁腿下放長度的增加而變化的情況，可以看出：當(dāng)樁腿下放長度未達到35 m時，垂蕩運動的幅度迅速減??；之后樁腿繼續(xù)下放，平臺的垂蕩運動幅度也會逐漸減小，但變化很微小。統(tǒng)計結(jié)果見表4。

圖11 垂蕩運動2倍均方根統(tǒng)計結(jié)果

表4 平臺垂蕩運動2倍均方根統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以TZ 400自升式平臺為研究對象，利用AQWA水動力計算軟件模擬分析了波浪入射方向和來流方向分別為0°，30°，60°和90°時，平臺整體運動隨樁腿下放長度的增加而變化的情況。通過對時域計算結(jié)果的統(tǒng)計分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 平臺在系泊定位狀態(tài)下在縱蕩和橫蕩方向存在明顯的大幅低頻慢漂運動，慢漂運動的周期分別在198.835 s和211.555 s左右。為保證平臺在樁腿下放過程中能夠準(zhǔn)確就位，需要不斷調(diào)整系纜保證平臺處于預(yù)定位置附近。

(2) 就位過程中隨著樁腿下放長度的增加，平臺偏離初始位置的距離逐漸增大，但變化相對平緩；在不同波浪入射角的情況下，平臺偏離初始位置的程度不同。

(3) 就位過程中隨著樁腿下放長度的增加，平臺縱蕩運動和橫蕩運動的幅度逐漸減?。辉跇锻认路砰L度到達35 m以前，平臺垂蕩運動幅度會迅速減小，當(dāng)下放長度超過35 m時，平臺垂蕩運動幅度變化微小。

[1] 羅宏志,蒙占彬.國內(nèi)深水自升式鉆井平臺發(fā)展概況[J].中國海洋平臺,2010,25(08):4.

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