一種新型深水浮式平臺及其系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)分析

鄧小康，謝文會，李 陽，韓旭亮

(中海油研究總院有限責任公司，北京100028)

0 引言

目前，世界范圍內(nèi)可用于深水域（300～1500m）和超深水域（1500m以上）油氣開發(fā)的浮式平臺類型主要包括浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)（FPSO）、張力腿平臺（TLP）、Spar平臺以及半潛式平臺（Sem i-FPS）。其中TLP和Spar平臺具有良好的運動性能，可采用干式采油樹，而FPSO和半潛式平臺因其垂蕩周期接近波浪周期，運動性能相對較差，只能采用濕式采油樹[1]。同時，TLP平臺對高頻波浪力較敏感，且其造價隨水深增加而急劇增加；Spar平臺則由于主體結(jié)構(gòu)較長，海上運輸和安裝難度較大，且平臺甲板空間較小，圓柱結(jié)構(gòu)也易引起渦激運動問題[2]。相較于其他3種浮式平臺，半潛式平臺的優(yōu)勢更加明顯：1）平臺造價較低，且對水深增加不敏感；2）平臺甲板面積大，裝載能力強；3）海上運輸和安裝更為簡單。因此，如何減小半潛式平臺的垂蕩運動以支持干式采油樹成為了國內(nèi)外學者和專家研究的熱點。

Haslum和Faltinsen通過研究發(fā)現(xiàn)減少運動響應(yīng)主要有3種方式：1）增加平臺阻尼；2）使平臺垂蕩固有周期遠離波能范圍；3）減小垂蕩激勵力[3]。于是，眾多學者和專家通過增加平臺吃水[4]、安裝垂蕩板[5–6]、設(shè)置雙層下浮體等方法設(shè)計和研究了桁架式半潛平臺[7–8]、可伸展吃水半潛式平臺[7–9]、斜立柱半潛式平臺[10–11]和自由懸掛固體壓載艙半潛式平臺[12]。大量的研究表明，這些新型半潛式平臺的垂向附加質(zhì)量顯著增大，垂蕩固有周期顯著提高，垂蕩運動顯著減小，可滿足干式采油樹的使用要求。

為適應(yīng)南海深海海域油氣資源開發(fā)特點，提高我國深水浮式平臺自主設(shè)計能力，中海油研究總院研發(fā)團隊設(shè)計了一種新型深水浮式平臺–深水不倒翁平臺（DTP），該平臺在傳統(tǒng)深吃水半潛式平臺的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置帶有垂蕩板的下浮箱，提高了平臺的附加質(zhì)量和阻尼，從而提高了平臺的垂蕩固有周期并極大減少了平臺垂蕩運動，滿足了干式采油樹的使用要求[13 –14]。

本文以DTP平臺為研究對象，研究該平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力，并與試驗結(jié)果相對比，驗證數(shù)值方法的正確性。以百年一遇風浪流組合工況為例，分析不同浪向角下，平臺運動響應(yīng)及錨鏈力變化特性。隨后，假設(shè)一根錨鏈發(fā)生斷裂，探討平臺各項性能參數(shù)變化，并研究伸縮立柱長度對平臺各項性能的影響。

1 基本理論

1.1 三維線性勢流理論

假定流體為均勻、不可壓縮、無粘、無旋，則流動的基本方程為關(guān)于速度勢的線性Laplace方程，其定解條件為自由液面條件、物面條件、海底條件、輻射條件以及初始條件。

速度勢φ可分解為入射勢φi、繞射勢φd和對應(yīng)于物體各運動模態(tài)的輻射勢 φm j：

1.2 頻域運動方程

平臺在波浪激勵力、附加質(zhì)量和阻尼等作用下的一階頻域運動方程可表述為：

式中：m為質(zhì)量矩陣；μ為附加質(zhì)量矩陣；λ為阻尼系數(shù)矩陣；c為回復力系數(shù)矩陣；f為結(jié)構(gòu)物所受到的一階波浪力。

1.3 低頻時域運動方程

半潛式平臺在風浪流作用下的低頻運動方程為：

式中：m和I分別為半潛式平臺質(zhì)量和慣性矩；μi j為附加 質(zhì) 量；為 阻 尼 系 數(shù)；和分別為i方向上的風力，流力，波浪力和錨泊線張力（i=1,2,6）。

1.4 波頻時域運動方程

基于線性流體動力理論的波頻時域運動方程可寫為：

式中：xj(t)為 波頻運動；Mij和Cij分別為質(zhì) 量 矩陣和靜恢復力矩陣；μij為頻域里 ω→∞時的附加質(zhì)量矩陣μij(∞)；Ki j(t)為時延函數(shù)，表征了由于自由面記憶效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

2 數(shù)值分析模型

2.1 DTP平臺模型

如圖1所示，DTP平臺由甲板、浮體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)組成，表1詳細列出了平臺的各項主尺度參數(shù)。

圖1 DTP平臺Fig.1 DTPplatform

表1 DTP平臺主尺度參數(shù)Tab.1 The main parametersof DTP platform

2.2 系泊系統(tǒng)參數(shù)

如圖2所示，DTP平臺的深水系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成，每根系泊纜均采用典型的鏈-纜-鏈3段組合形式，表2給出了系泊纜具體參數(shù)。

圖2 DTP平臺系泊系統(tǒng)布置圖Fig.2 The mooring system of DTP platform

表2 DTP平臺系泊纜參數(shù)Tab.2 The mooring line parameters of DTP platform

2.3 環(huán)境工況參數(shù)

本文選取南海目標油氣田一年一遇波浪工況、百年一遇波浪工況以及百年一遇風浪流組合工況對平臺的運動性能和系泊性能進行分析，具體環(huán)境工況參數(shù)詳見表3。應(yīng)注意，表3中的流速為自由液面處的流速，然而試驗中的流速隨水深變化而變化，具體參數(shù)詳見表4。

表3 環(huán)境工況參數(shù)Tab.3 The parameters of sea states

表4 流參數(shù)Tab.4 The parametersof current

3 頻域水動力分析

本文采用Sesam軟件對DTP平臺的水動力系數(shù)進行頻域分析，主要通過GeniE模塊建立平臺的濕表面模型，并將該模型導入到HydroD模塊中以建立平臺的水動力模型（見圖3）。

圖 3 DTP平臺水動力模型Fig.3 The hydrodynamicmodel of DTP platform

3.1 附加質(zhì)量和勢流阻尼

本文分別選取附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)在主對角線上的6個數(shù)值以研究其隨波浪頻率的變化規(guī)律。圖4和圖5分別給出了DTP平臺附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)隨波浪頻率的變化規(guī)律。可以看出，平臺平動（縱蕩、橫蕩、垂蕩）附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)遠遠小于平臺轉(zhuǎn)動（縱搖、橫搖、首搖）附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)，這一結(jié)論與梁寧等[15]的研究結(jié)果相一致。此外，由于DTP平臺關(guān)于X，Y軸對稱，因此平臺縱蕩與橫蕩的附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)相同，橫搖與縱搖的附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)也相同。

3.2 幅值響應(yīng)函數(shù)

圖6 展示了DTP平臺的運動響應(yīng)幅值算子（RAO）隨波浪周期的變化情況?？梢钥闯?，DTP平臺的垂蕩運動抵消周期為26 s，固有周期為32 s，而橫搖、縱搖運動的固有周期在28 s左右，均遠大于傳統(tǒng)半潛式平臺的相應(yīng)固有周期，且有效地避開了波浪能量集中的周期范圍。由于未考慮系泊系統(tǒng)，平臺橫蕩、縱蕩運動在經(jīng)歷了一小一大兩峰值后，隨波浪周期增大而持續(xù)增大。平臺首搖運動在波浪周期為7 s時達到最大值，隨后快速減小并趨于0。

圖4 DTP平臺附加質(zhì)量Fig.4 The added massof DTP platform

圖5 DTP平臺勢流阻尼Fig.5 The potential damping of DTP platform

4 時域水動力分析

4.1 數(shù)值方法驗證

在頻域分析的基礎(chǔ)上，將所得各項水動力系數(shù)導入到OrcFlex軟件中以進行時域分析，耦合分析模型如圖7所示。圖中淺色網(wǎng)格代表自由液面，深色網(wǎng)格代表海底。

圖6 DTP平臺幅值響應(yīng)函數(shù)Fig.6 The RAO of DTP platform

圖7 DTP平臺耦合分析模型Fig.7 The coupling model of DTPplatform

與頻域分析相同，本文首先通過對比姜哲等[14]的試驗結(jié)果以驗證所采用的時域計算方法的正確性。具體通過模擬包括系泊系統(tǒng)的DTP平臺的靜水衰減試驗，得到平臺橫搖、縱搖和垂蕩運動固有周期的數(shù)值解并與試驗結(jié)果對比。在此基礎(chǔ)上，再對3種工況下平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力進行模擬，并將數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，最終確認本文所采用的時域計算方法的正確性。表5給出了包括系泊系統(tǒng)的DTP平臺橫搖、縱搖和垂蕩運動固有周期的試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果，3種運動的固有周期模擬誤差皆小于5%，說明本文所采用的時域計算方法可以準確地模擬DTP平臺在靜水中的自由衰減運動。表6給出了在南海一年一遇波浪工況、百年一遇波浪工況以及百年一遇風浪流組合工況下DTP平臺運動響應(yīng)及錨鏈力的試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果。結(jié)果表明，除一年一遇波浪工況下平臺縱蕩模擬誤差較大外，其余參數(shù)的模擬誤差皆在合理范圍之內(nèi)。因此，可認為本文所采用的時域計算方法能夠準確地模擬DTP平臺在波浪中的運動。

表5 固有周期對比Tab.5 The comparison of natural periods

4.2 完整工況分析

本文以百年一遇風浪流組合工況為研究重點，模擬了在浪向角為0°，45°，90°時DTP平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力，模擬時長為3 h，且偏保守考慮，假設(shè)風、浪、流同向。

表7 為完整工況下DTP平臺運動的統(tǒng)計結(jié)果，其最大水平位移為69.20m（與水深之比為4.6%），最大轉(zhuǎn)動幅值為5.26°，最大垂蕩幅值為3.9 m，說明DTP平臺在百年一遇風浪流組合工況下仍具有良好的運動性能。表8為完整工況下DTP平臺錨鏈力的統(tǒng)計結(jié)果，其最大錨鏈力為10103.70 kN，系泊安全系數(shù)為1.71，大于允許安全系數(shù)1.67，滿足安全要求。

表6 運動及錨鏈力對比Tab.6 The comparison of motion responsesand mooring forces

表7 完整工況下DTP平臺運動統(tǒng)計結(jié)果Tab. 7 The motion statistics of DTPplatform with full mooring lines

表8 完整工況下DTP平臺錨鏈力統(tǒng)計結(jié)果Tab.8 The mooring force statisticsof DTP platform w ith full mooring lines

4.3 破斷工況分析

本文在完整工況的基礎(chǔ)上，假設(shè)錨鏈7發(fā)生斷裂，模擬了破斷工況下DTP平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力。

表9 和表10分別給出了破斷工況下DTP平臺運動和錨鏈力的統(tǒng)計結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，破斷工況下平臺最大水平位移為83.61m（與水深之比為5.6%），最大轉(zhuǎn)動幅值為4.89°，最大垂蕩幅值為3.94 m。破斷工況下，平臺最大錨鏈力為13368.35 kN，系泊安全系數(shù)為1.29，大于允許安全系數(shù)1.25，因此滿足安全要求。

與完整工況下平臺相應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，7號錨鏈斷裂使得平臺水平運動及錨鏈力急速增大，水平位移增大20.8%，最大錨鏈力增大32.3%。相反，錨鏈斷裂對平臺垂蕩運動及轉(zhuǎn)動影響較小。

4.4 伸縮立柱長度影響

為更加全面地研究DTP平臺的各項性能，本文針對伸縮立柱長度做敏感性分析，分別取伸縮立柱長度為41m，46m和51m以研究伸縮立柱長度對平臺運動及錨鏈力的影響。同時，本文還模擬了相同主尺度的傳統(tǒng)半潛式平臺的各項性能以進行對比研究。

表11 為C1工況下，傳統(tǒng)半潛式平臺和3種具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺運動及錨鏈力的統(tǒng)計結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)半潛式平臺的縱蕩運動和錨鏈力小于DTP平臺，這是因為下浮箱的存在增大了平臺的受力面積。相反，傳統(tǒng)半潛式平臺的垂蕩和縱搖運動則遠大于DTP平臺，這是由于下浮箱和垂蕩板的存在極大地增加了平臺的附加質(zhì)量而導致的。

對比3種具有不同伸縮立柱長度DTP平臺的各項參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，平臺的縱蕩運動、縱搖運動和錨鏈力隨伸縮立柱長度增加而增大，而垂蕩運動則隨伸縮立柱長度增加而減小。圖8為3種具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺的垂蕩附加質(zhì)量，可以看出平臺的垂蕩附加質(zhì)量隨伸縮立柱長度增加而增大，說明伸縮立柱長度能夠影響平臺垂蕩運動的原因。

表9 破斷工況下DTP平臺運動統(tǒng)計結(jié)果Tab.9 The motion statistics of DTPplatform w ith a mooring lines broken

表10 破斷工況下DTP平臺錨鏈力統(tǒng)計結(jié)果Tab.10 The mooring force statisticsof DTP platform with a mooring lines broken

表11 具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺運動及錨鏈力統(tǒng)計結(jié)果Tab.11 The motion and mooring force statistics of DTP platform w ith different column lengths

圖8 具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺垂蕩附加質(zhì)量Fig.8 The added massof DTP platform with different column lengths

5 結(jié) 語

本文針對DTP平臺，采用頻域和時域分析方法對平臺的水動力參數(shù)、運動響應(yīng)、錨鏈力等進行研究，數(shù)值分析和試驗研究結(jié)果對比驗證，表明DTP平臺具有優(yōu)越的垂蕩運動性能，可支持干式采油樹，且適用于南海惡劣海況，具體結(jié)論如下：

1）在極端海況下，如若某一根錨鏈發(fā)生斷裂，會使得平臺水平運動及錨鏈力急速增大，而對平臺垂蕩運動及轉(zhuǎn)動影響較小；

2）與傳統(tǒng)半潛式平臺相比，DTP平臺下設(shè)下浮箱及垂蕩板，下浮箱及垂蕩板的存在極大地增大了平臺的垂蕩附加質(zhì)量，從而極大地減小了平臺的垂蕩運動；

3）平臺的縱蕩運動、縱搖運動和錨鏈力隨伸縮立柱長度增加而增大，而垂蕩運動則隨伸縮立柱長度增加而減小，平臺垂蕩運動的減小是因為伸縮立柱長度的增加，使得平臺垂蕩附加質(zhì)量增大，從而抑制了平臺的垂蕩運動。