500 m水深張力腿平臺(tái)總體運(yùn)動(dòng)性能分析

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(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116005)

張力腿平臺(tái)(TLP)總體運(yùn)動(dòng)性能是張力腿平臺(tái)設(shè)計(jì)中最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要校核內(nèi)容包含平臺(tái)水平位移、升沉運(yùn)動(dòng)、筋腱張力和氣隙等。本文采用時(shí)域耦合分析方法，考慮風(fēng)、浪、流、筋腱、立管等的影響，驗(yàn)證張力腿平臺(tái)在500 m水深南海環(huán)境作業(yè)下的可行性。

目標(biāo)平臺(tái)是傳統(tǒng)型張力腿平臺(tái)，在500 m水深的中國(guó)南海海域范圍內(nèi)從事鉆井和生產(chǎn)作業(yè)。平臺(tái)主體是由4根圓形立柱和環(huán)形浮箱組成，平臺(tái)共設(shè)有8根筋腱，分別與4個(gè)立柱相連接，井口設(shè)計(jì)有12根立管。主要設(shè)計(jì)參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)主要參數(shù)

1 分析方法

張力腿平臺(tái)在各種環(huán)境載荷作用下的總體運(yùn)動(dòng)性能受多種非線性因素影響，以及筋腱和立管的制約，因此，必須采用時(shí)域耦合的分析方法，本平臺(tái)采用SESAM軟件的HytroD和DeepC模塊完成，應(yīng)用HytroD先完成頻域分析獲得所需要的水動(dòng)力參數(shù)，在應(yīng)用DeepC開(kāi)展時(shí)域耦合分析，由于張力腿平臺(tái)的特殊性，以及數(shù)值分析的局限性，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值分析結(jié)果修正處理。

1.1 水動(dòng)力分析

張力腿平臺(tái)由于其特殊的定位方式，相對(duì)于其他浮式平臺(tái)水動(dòng)力分析更為復(fù)雜，在頻域分析時(shí)不僅需要考慮張力腿筋腱預(yù)張力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)平衡的影響，還需要考慮張力腿平臺(tái)筋腱剛度和質(zhì)量對(duì)平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響，其運(yùn)動(dòng)方程為:

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣；A1為水動(dòng)力附加質(zhì)量；A2為筋腱附加質(zhì)量；C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣；k為筋腱附加剛度。

筋腱附加質(zhì)量一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，垂向分量取為筋腱濕重的一半(不考慮水動(dòng)力附加質(zhì)量)，水平分量取為筋腱濕重(考慮水動(dòng)力附加質(zhì)量)，根據(jù)輸入的模型參數(shù)及剛度特性，并考慮到模型的質(zhì)量和附加質(zhì)量等因素，推得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO。

1.2 分析工況

根據(jù)API規(guī)范選取1 000年一遇、100年一遇和1年一遇的南海環(huán)境海況計(jì)算，分析中風(fēng)載荷計(jì)算采用NPD風(fēng)譜，其平均風(fēng)速為53, 48, 和 25 m/s；波浪載荷計(jì)算采用JONSWAP譜，其有義波高分別為16.5、13.6和7.5 m；表面流速分別為2.8、2.5和1.6 m/s；保守考慮風(fēng)浪流同向。

平臺(tái)工況主要分為完整工況和破損工況，其中破損工況又分為艙室破損工況、一根筋腱移除工況和筋腱破損工況。不同工況對(duì)應(yīng)的安全類型不同，API定義安全類別A是對(duì)應(yīng)于操作工況，安全類別B是對(duì)應(yīng)于極端工況，安全類別S對(duì)應(yīng)于生存工況。工況組合見(jiàn)表2。

表2 分析工況

1.3 數(shù)值模型校準(zhǔn)

在時(shí)域分析中，筋腱和立管均按照實(shí)際屬性建立，基于桿件理論的三維有限元法，每根筋腱或立管都被離散成一系列的梁?jiǎn)卧?，單元不僅具有水動(dòng)力屬性如附加質(zhì)量和粘性阻尼，也同時(shí)具備結(jié)構(gòu)單元屬性，如自重、浮力和結(jié)構(gòu)剛度。分析模型見(jiàn)圖1。

在執(zhí)行時(shí)域耦合分析前，一個(gè)必不可少的過(guò)程是數(shù)值模型的校準(zhǔn)[1]。數(shù)值模型的校準(zhǔn)通常包括水平推力試驗(yàn)、衰減試驗(yàn)等以獲得TLP平臺(tái)水平剛度、固有周期和各種響應(yīng)的幅值響應(yīng)算子等，這些關(guān)鍵參數(shù)需要和水池模型試驗(yàn)對(duì)比，以確保數(shù)值模型的可靠性。

平臺(tái)水平剛度表征水平力和位移的關(guān)系，以及平臺(tái)水平位移和沉降的關(guān)系，見(jiàn)圖2。

平臺(tái)筋腱張力和水平位移曲線表征其不同位置筋腱張力和水平位移的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

平臺(tái)模型根據(jù)靜態(tài)位移調(diào)整后，開(kāi)始做自由衰減試驗(yàn)，得到平臺(tái)各個(gè)自由度的周期和阻尼。平臺(tái)數(shù)值衰減試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果顯示耦合分析模型合理，可用于進(jìn)一步分析。

表3 自然周期和阻尼比

1.4 波浪載荷模擬

高頻載荷主要包括高頻彈振(spring)和超高頻鳴振(ringing)。兩者都會(huì)導(dǎo)致張力腿平臺(tái)筋鍵在垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),這些運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)在筋鍵系統(tǒng)中產(chǎn)生軸向的振蕩。spring 響應(yīng)可以通過(guò)數(shù)值分析確定,數(shù)值分析是對(duì)二階波浪力的二次傳遞函數(shù)(QTF)進(jìn)行計(jì)算,通常會(huì)涉及和頻力?，F(xiàn)在還沒(méi)有能夠模擬張力腿 ringing 響應(yīng)的商業(yè)的計(jì)算機(jī)程序,因此必須依靠模型試驗(yàn)獲得[2]。計(jì)算中采用JONSWAP譜，譜峰升高因子取2.4，波浪譜形式見(jiàn)圖4。

1.5 風(fēng)載荷模擬

張力腿平臺(tái)的風(fēng)載荷占環(huán)境載荷很大比例，風(fēng)載荷直接影響到平臺(tái)的水平位移進(jìn)而影響筋腱的尺寸選取、筋腱預(yù)張力選取以及平臺(tái)船體主尺度的確定。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算得到風(fēng)載荷系數(shù)，本文采用NPD風(fēng)譜，其計(jì)算公式如下。

(2)

取10 m高處1 h平均風(fēng)速，風(fēng)譜密度函數(shù)如下。

(3)

1.6 流載荷模擬

流載荷與風(fēng)載荷類似，流載荷系數(shù)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算得到，內(nèi)波是南海的一種特殊環(huán)境條件，通常情況下把內(nèi)波等效為分層流，一般內(nèi)波只與1年一遇海況疊加，因此,流速一般由風(fēng)生流、涌流和內(nèi)波組成[3]。

2 數(shù)值分析結(jié)果修正

張力腿平臺(tái)在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分為波頻響應(yīng)( 5 s 25 s) 和高頻響應(yīng)(HF< 5 s) 。由于經(jīng)驗(yàn)公式和完整的二階傳遞函數(shù)法(QTF法)理論的不完善，通常高頻響應(yīng)依賴模型試驗(yàn)結(jié)果[4]。

2.1 運(yùn)動(dòng)修正

張力腿平臺(tái)動(dòng)力成分中高頻響應(yīng)對(duì)水平運(yùn)動(dòng)和升沉運(yùn)動(dòng)影響很小，因此數(shù)值統(tǒng)計(jì)時(shí)忽略高頻響應(yīng)的影響，將運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線離散成低頻響應(yīng)和波頻波頻，進(jìn)而根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果修正。

Xmax=Xmean+

(4)

式中：Xmax為平臺(tái)最大位移；Xmean為平臺(tái)水平位移；α為波頻和低頻的耦合系數(shù)。

XWFmax=3HWFCorrWF·STDWF;

XLFmax=3HLFCorrLF·STDLF

3HWFCorrWF,3HLFCorrLF為基于模型試驗(yàn)的修正系數(shù)；STDWF,STDLF為數(shù)值分析波頻和低頻的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 氣隙修正

張力腿平臺(tái)氣隙計(jì)算公式如下:

Airgap=Airgap0-ZTide-ZSubs-Zcrest

(7)

式中：Airgap0為初始靜氣隙；ZTide為最大潮水位；ZSubs為樁基最大下沉；Zcrest為相對(duì)波面升高, 包含平臺(tái)非線性的平臺(tái)升沉和波面升高。

隨著新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的頒布，對(duì)氣隙預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和波浪抨擊的預(yù)報(bào)要求越來(lái)越嚴(yán)格，本文采用時(shí)域耦合的分析方法開(kāi)展氣隙預(yù)報(bào)研究，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值分析中的相對(duì)波面升高修正，并考慮潮和涌引起的水深變化對(duì)氣隙的影響。氣隙計(jì)算示意見(jiàn)圖6。

2.3 筋腱張力修正

數(shù)值修正的過(guò)程中，對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分別考慮數(shù)值模型和水池模型對(duì)應(yīng)的高頻、波頻和低頻的相互關(guān)系，以及高頻、波頻和低頻三者之間的相關(guān)性，再通過(guò)一定的組合方式得到修正后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)再和預(yù)張力、平均力以及設(shè)計(jì)余量疊加即得到最大或最小的筋腱張力。筋腱張力的修正公式可表示為

(5)

式中：Tmax/min為最大/最小筋腱張力；Tpre為筋腱預(yù)張力；Tmean為定常載荷下筋腱張力；Tmar為筋腱設(shè)計(jì)余量，考慮建造和安裝誤差，以及潮和涌的影響等；TWFmax=WFextreme·WFcorr·STDWF-prediction；THFmax=HFextreme·HFcorr·STDHF-prediction；TLFmax=LFextreme·LFcorr·STDLF-prediction;WFcorr、HFcorr、LFcorr為模型試驗(yàn)和數(shù)值分析波頻、高頻和低頻響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差的修正系數(shù);

WFcorr=STDWF-model/STDWFprediction;

HFcorr=STDHF-model/STDHF-predicition;

LFcorr=STDLF-model/STDLF-predicition；

STDWF-model、STDHF-model、STDLF-model為模型試驗(yàn)波頻、高頻和低頻響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；STDWF-predicition,STDHF-predictionl,STDLF-predicition為數(shù)值分析波頻、高頻和低頻響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；α為波頻、高頻和低頻的耦合系數(shù)；WFextreme,HFextrem,LFextreme為模型試驗(yàn)波頻、高頻和低頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)極值和標(biāo)準(zhǔn)差的比值；WFextreme=(WFmax-WFmean)/STDWF-model；HFextrem=(HFmax-HFmean)/STDHF-model；LFextreme=(LFmax-LFmean)/STDLF-model；WFmax;HFmax，LFmax為筋腱波頻、高頻和低頻響應(yīng)極值；WFmean,HFmean,LFmean為筋腱波頻、高頻和低頻響應(yīng)平均值。

3 校核橫準(zhǔn)和分析結(jié)果

3.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果

規(guī)范對(duì)平臺(tái)位移和轉(zhuǎn)角一般沒(méi)有具體要求，對(duì)于位移和轉(zhuǎn)角限制條件主要來(lái)自立管設(shè)計(jì)要求[5-6]。張力腿頂部和底部最大轉(zhuǎn)角主要由下面2個(gè)因素決定：

①避免張力腿與相鄰結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞；

②張力腿柔性連接頭可容許轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，張力腿柔性接頭可根據(jù)平臺(tái)實(shí)際情況定制，據(jù)柔性連接頭供應(yīng)商確認(rèn)，柔性連接頭可容許轉(zhuǎn)動(dòng)范圍可以達(dá)到12°。

計(jì)算得1 000年一遇、100年一遇和1年一遇的最大水平位移分別是68.21、55.89和 22.83 m，最大位移和水深比為13.64%，根據(jù)行業(yè)共識(shí)滿足作業(yè)要求，最大的升沉運(yùn)動(dòng)分別是4.56、2.99和0.70 m。1000年一遇、100年一遇和1年一遇的最大筋腱頂部轉(zhuǎn)角為11.57°、9.46°和 4.85°，滿足作業(yè)要求。水平位移數(shù)值分析時(shí)歷曲線見(jiàn)圖7。

3.2 筋腱張力分析結(jié)果

筋腱最大張力主要受筋腱預(yù)張力和環(huán)境條件影響，可以作為筋腱設(shè)計(jì)和安裝參考，目標(biāo)平臺(tái)筋腱最大張力為49 720 kN。發(fā)生在100年一遇海況一根筋腱移除的工況下。筋腱頂部最大張力規(guī)范沒(méi)有特殊要求，一般來(lái)說(shuō)，要滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。筋腱底部最小張力一般為正值，避免筋腱與樁基礎(chǔ)脫離，目標(biāo)平臺(tái)最小筋腱張力為3 800 kN。筋腱張力數(shù)值分析結(jié)果見(jiàn)圖8。

3.3 氣隙預(yù)報(bào)結(jié)果

張力腿平臺(tái)氣隙與常規(guī)半潛平臺(tái)不同，氣隙規(guī)范要求如下[7]。

1)100年一遇的海況環(huán)境下最小氣隙要大于1.5 m。

2)1 000年一遇的海況環(huán)境下最小氣隙要大于0 m。

100年一遇的環(huán)境海況下最小氣隙為2.68 m，1 000年一遇的環(huán)境海況下最小氣隙為0.24 m。目標(biāo)平臺(tái)氣隙滿足設(shè)計(jì)要求。某點(diǎn)氣隙數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)圖9。

4 結(jié)論

1)目標(biāo)平臺(tái)在南海500 m水深惡劣海洋環(huán)

境條件下，平臺(tái)總體運(yùn)動(dòng)性能良好。

2)南海環(huán)境惡劣，筋腱尺寸設(shè)計(jì)直徑較大，同時(shí)需要的筋腱預(yù)張力較高。筋腱預(yù)張力越大，平臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)越小，筋腱底部張力出現(xiàn)負(fù)值的可能性越小，但是對(duì)筋腱強(qiáng)度和疲勞不利，因此筋腱預(yù)張力設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合平衡考慮。

3)張力腿平臺(tái)的吃水較深，同時(shí)南海的流速相對(duì)較高，同時(shí)還有內(nèi)波影響，流載荷對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)具有較大影響。

4)由于數(shù)值分析的局限性，數(shù)值分析結(jié)果需要模型試驗(yàn)修正，其中高頻響應(yīng)建議直接采用模型試驗(yàn)結(jié)果。

5)平臺(tái)氣隙采用時(shí)域耦合分析方法，在生存條件下最小氣隙為0.24 m，有足夠的氣隙空間。

6)分析未考慮張力腿平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)和立管的渦激振動(dòng)，其影響有待研究。