立柱附體對半潛式平臺水動力性能的影響

史俊奇 ， 肖龍飛 ， 楊立軍 ， 方智超

（1.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

0 引 言

半潛式平臺自20世紀60年代出現(xiàn)以來，在海洋石油勘探開發(fā)中一直得到廣泛應用[1]。半潛式平臺具有性能優(yōu)良、抗風浪能力強、甲板面積大和裝載量大、適應水深范圍廣等優(yōu)點，因而成為實施海上油氣田開發(fā)的主力裝備之一[2-3]。半潛式平臺主要由上部甲板、立柱、浮箱以及立柱或者浮箱之間連接的橫撐構件組成，通常采用分布式系泊系統(tǒng)或動力定位系統(tǒng)進行海上作業(yè)[4]。

半潛式平臺發(fā)展至今，國內外已經針對半潛式平臺水動力性能的優(yōu)化做了大量研究，針對平臺的吃水、立柱以及浮筒提出許多優(yōu)化設計方案。Birk和Clauss[5]分析了將方形直立柱改為變截面圓形立柱之后對半潛式平臺垂蕩性能的影響，優(yōu)化的結果使半潛式平臺因垂蕩運動過大而停工的時間由27.2%減小到17.2%，效果顯著。Chakrabarti等[6]提出一種采用桁架式浮筒結構（Truss-Pontoon）的半潛式平臺，發(fā)現(xiàn)該新型結構很好地利用了垂蕩板產生的附加質量和分離流阻尼，能夠有效改善平臺的垂蕩運動。陳新權等[7]對立柱的長寬高以及吃水等參數(shù)對半潛式平臺垂蕩性能的影響做了研究，得到了立柱尺寸的最優(yōu)解。楊立軍等[8]研究在保持立柱截面面積不變的情況下改變其形狀對半潛式平臺水動力性能的影響，發(fā)現(xiàn)對于平臺整體運動性能的影響不大。白云山[9]針對浮筒尺寸以及立柱寬、高和立柱間距等對半潛式平臺水動力性能的影響，在考慮平臺氣隙、穩(wěn)性、垂蕩、橫搖和縱搖的基礎上尋求其最優(yōu)解。

本文在半潛式平臺常規(guī)直立柱雙浮筒結構的基礎上，在立柱沿平臺縱向方向上增加附體，并通過模型試驗與數(shù)值計算研究立柱附體對平臺水動力性能的影響。在此基礎上，保持立柱附體水線面面積不變，研究分析立柱附體截面形狀的影響。

1 平臺與立柱附體設計方案

所研究的半潛式平臺作業(yè)水深為1 500 m，其主體結構由2個浮筒、4根直立方形立柱和立柱附體、連接立柱的4根圓形橫撐以及1個箱型甲板組成，如圖1試驗模型所示。與傳統(tǒng)半潛式平臺相比，該平臺的4根立柱在沿平臺縱向方向上都有一部分凸起，稱這部分為立柱附體，距基線高度在8.625 m到23 m之間。這一立柱附體可以有效增加平臺的水線面面積以及水線面慣性矩，借以改善平臺的穩(wěn)性和運動性能，并可有效改善平臺在特定頻率范圍內的平均波浪力。平臺主要設計參數(shù)見表1，其中平臺立柱有無附體時的吃水、重心位置和慣性半徑參數(shù)都保持相同，以研究立柱附體的影響。

表1 半潛式平臺主要參數(shù)（單位：m）Tab.1 Main parameters of the semisubmersible platform

圖1 帶立柱附體的半潛式平臺試驗模型Fig.1 Test model of the semi-submersible platform with blisters

2 模型試驗和數(shù)值計算

為研究這種帶有立柱附體的半潛式平臺水動力性能，進行水池模型試驗，以及基于三維勢流理論的數(shù)值計算分析。

模型試驗在上海交通大學海洋工程水池進行，模型縮尺比為1:50，考慮作業(yè)和生存兩個吃水。在生存吃水下，分別對平臺立柱有無附體的情況進行對比試驗，以驗證立柱附體能否改善平臺水動力性能。試驗內容主要包括：

（1）靜水中自由衰減試驗，獲得平臺運動的固有周期和阻尼系數(shù)；

（2）白噪聲試驗與規(guī)則波試驗，獲得平臺運動的幅值響應函數(shù)（RAO），以及二階平均波浪力的二次傳遞函數(shù)（QTF）；

（3）不規(guī)則波試驗，獲得平臺在極端海況下的運動響應。海洋環(huán)境參數(shù)如表2所示，波浪譜采用JONSWAP譜。

表2 海洋環(huán)境不規(guī)則波參數(shù)Tab.2 Sea state characteristics

基于三維勢流理論，采用DNV的SESAM軟件，分別計算半潛式平臺在有和沒有立柱附體時的水動力響應[10]，并與模型試驗結果對比分析。有立柱附體時的平臺濕表面有限元模型如圖2所示。

圖2 帶立柱附體的半潛式平臺水動力模型Fig.2 Panel model of the semi-submersible platform with blisters

3 試驗和數(shù)值結果分析

3.1 固有周期和阻尼系數(shù)

分別由模型靜水衰減試驗和數(shù)值計算得到半潛式平臺的垂蕩和橫縱搖的固有周期，并可由靜水衰減試驗獲得平臺垂蕩和橫縱搖的阻尼系數(shù)，如表3所示?？梢姡逃兄芷诘脑囼炁c數(shù)值計算結果基本吻合，表明模型參數(shù)模擬準確。對比平臺立柱有無附體的結果可以發(fā)現(xiàn)，立柱附體可以明顯減小平臺的垂蕩周期和橫縱搖周期，是因為立柱附體可以增加平臺的水線面面積和恢復力矩；同時，立柱附體不會影響平臺垂蕩運動的阻尼系數(shù)，會減小平臺橫搖和縱搖運動的阻尼系數(shù)。

表3 固有周期和阻尼系數(shù)對比Tab.3 Comparison of the natural periods and damping coefficients

3.2 二階平均波浪力

在規(guī)則波試驗中，由水平系泊纜受力可計算得到對應波浪方向上的二階平均波浪力，分析可得半潛式平臺二階平均波浪力QTF。取半潛式平臺迎浪時的數(shù)據(jù)，將試驗結果與計算結果對比如圖3所示。

可見，試驗結果中，半潛式平臺立柱有附體的情況下其縱向二階平均波浪力比平臺立柱無附體時明顯減小，其差值均在20%左右，說明立柱附體可以顯著減小平臺的縱向二階波浪力，而計算結果基本與試驗結果體現(xiàn)出相同規(guī)律。在此基礎上，對比生存吃水半潛式平臺在立柱有無附體時，90°橫浪下的橫蕩二階平均波浪力，135°斜浪時的首搖二階平均波浪力矩，如圖4所示?？梢?，增加立柱附體對平臺橫蕩運動二階平均波浪力總體上影響不大，在7～10 s波浪周期范圍內略有增大，首搖運動二階平均波浪力矩在3～6 s范圍內明顯增大，而在8～12 s范圍內顯著減小。因此，在立柱沿平臺縱向方向上增加附體，可以顯著減小平臺縱向二階波浪力，但同時會稍微增大橫向二階波浪力。

3.3 運動RAO

通過白噪聲試驗和規(guī)則波試驗，可獲得半潛式平臺6自由度運動的RAO，取生存吃水時帶有立柱附體半潛式平臺在135°斜浪時的6自由度運動RAO，將試驗結果和數(shù)值計算結果對比如圖5所示?？梢?，試驗和數(shù)值結果基本吻合良好，表明計算結果準確有效。

圖3 縱向二階平均波浪力QTF對比（生存吃水，180°浪向角）Fig.3 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces in surge direction(Survival,head sea)

圖4 橫蕩和首搖二階平均波浪力QTF結果對比Fig.4 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces in sway and yaw directions

圖5 運動RAO試驗與計算結果對比（生存吃水，135°浪向角）Fig.5 Comparison of RAO results between test and calculation(Survival,quartering sea)

在此基礎上，通過數(shù)值計算，對比生存吃水下半潛式平臺立柱有無附體時的六自由度運動RAO，取迎浪時的縱蕩、垂蕩和縱搖運動RAO，如圖6所示?？梢?，半潛式平臺在立柱增加附體之后，其縱蕩運動幾乎沒有影響；平臺垂蕩運動因為固有周期從18.3 s減小為17.1 s，所以RAO曲線整體向低周期平移，大小沒有變化；平臺縱搖運動RAO得到顯著改善，在7 s到25 s的常見海浪周期范圍內，其RAO顯著減小，最大幅值從0.73減小到0.62，減小了15%。

圖6 平臺立柱有無附體運動RAO結果對比（生存吃水，180°浪向角）Fig.6 Comparison of RAO results between platform with and without blisters(Survival,head sea)

3.4 運動響應

通過不規(guī)則波試驗，可以獲得半潛式平臺在生存吃水且立柱有附體的情況下，不同浪向不規(guī)則波作用時的垂蕩、橫搖和縱搖運動響應。進一步通過數(shù)值方法計算半潛式平臺在立柱有無附體時的運動響應，以分析立柱附體對平臺運動響應的影響。運動響應數(shù)值和試驗結果對比如表4所示。

表4 半潛式平臺生存工況運動響應有義值Tab.4 Motion response of the semi-submersible platform under the survival condition

可見，平臺垂蕩、橫搖以及縱搖響應幅值的試驗值與計算值相差不大，其誤差普遍低于10%；總體上，試驗與計算結果呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。對比沒有立柱附體時的運動響應，半潛式平臺在增加立柱附體后，垂蕩和橫搖運動在橫浪生存工況下的運動幅值可減小5%～6%；縱搖運動改善最為明顯，在各角度和海況下均可減小11%～15%?？梢?，立柱縱向增加附體可以改善平臺在極端海況下的垂向運動響應，特別是縱搖運動響應。

3.5 立柱附體形狀影響

原設計中立柱附體的水線面形狀為帶倒角的等腰直角三角形，為分析其水線面形狀對半潛式平臺水動力性能的影響，在保持水線面面積不變的情況下將其截面形狀依次改為梯形、五邊形和半圓形，如圖7所示，通過數(shù)值計算研究立柱附體形狀對平臺水動力性能的影響。

考慮到立柱附體對平臺縱蕩運動影響可以忽略，只取迎浪時平臺縱搖和垂蕩運動RAO的計算結果進行對比，如圖8所示?？梢?，運動RAO相同，改變立柱附體水線面形狀對半潛式平臺運動性能幾乎沒有影響。

圖7 立柱附體形狀變化圖Fig.7 Various shapes of the column blister

圖8 運動RAO結果對比（生存吃水，180°浪向角）Fig.8 Comparison of RAO results among platforms with blisters of different shapes(Survival,head sea)

考慮對二階平均波浪力的影響，分別取平臺180°迎浪時的縱向力，90°橫浪時的橫向力以及135°斜浪時的首搖力矩，結果如圖9所示?？梢?，在立柱附體水線面面積不變情況下改變其截面形狀，對平臺二階波浪力也基本沒有影響。

圖9 二階平均波浪力QTF對比Fig.9 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces

4 結 論

通過模型試驗和數(shù)值計算，研究半潛式平臺在立柱縱向增加附體后對水動力性能的影響，包括固有周期和阻尼、二階波浪力、運動RAO以及不規(guī)則波作用下的運動響應，并分析立柱附體形狀變化的影響。結果表明：

（1）縱向立柱附體會明顯降低平臺垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期，不影響垂蕩阻尼，但會減小橫搖和縱搖阻尼。

（2）縱向立柱附體會明顯減小平臺縱向二階波浪力，但同時會稍微增大橫向二階波浪力。

（3）縱向立柱附體會顯著減小平臺縱搖運動RAO，并能夠改善平臺在極端海況下的垂向運動響應，特別是縱搖運動。

（4）在保持立柱附體面積不變的情況下改變其形狀，對平臺的運動響應和二階平均波浪力幾乎沒有影響。