自升式平臺(tái)系泊狀態(tài)下動(dòng)力響應(yīng)研究

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 船舶與海洋工程系，廣州 510641）

摘要：本文介紹了自升式平臺(tái)系泊系統(tǒng)模型建立及其分析的基本原理，并應(yīng)用ANSYS軟件的workbench平臺(tái)Hydrodynamic Diffraction及Hydrodynamic Time Response模塊，以某自升式平臺(tái)的系泊定位系統(tǒng)為例，進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，得到了平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究了在給定的風(fēng)、浪、流聯(lián)合載荷的極端工況作用下，平臺(tái)和系泊纜繩耦合狀態(tài)下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，得到了系泊纜繩的系泊力以及平臺(tái)位移的時(shí)歷曲線。通過(guò)分析，得出了一些對(duì)自升式平臺(tái)作業(yè)區(qū)域系泊定位時(shí)有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；系泊系統(tǒng)；系泊力

中圖分類(lèi)號(hào)：TE95文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The dynamic response of the platform mooring conditions

XU Jinhao，LIU Yueqin，WU Xinxin

( South China University of Technology，School of civil engineering and transportation，Naval Architecture and Ocean Engineering，Guangzhou510641 )

Abstract: Jack-up platform is introduced the establishment of mooring system model and the basic principle of analysis， and applied Hydrodynamic Diffraction and Hydrodynamic Time Response module of ANSYS workbench platform， with mooring positioning system of a jack-up platform as an example， numerical simulation and analysis，then get the dynamic Response of the platform. Study on the extreme conditions in wind， wave， flow combined load is given， the response analysis in the time domain coupled state of motion platform and mooring lines under the mooring lines， mooring force and displacement time history curve of the platform are obtained. Through the analysis of jack-up platform mooring positioning operation area has a certain practical application value.

Key words: Self-elevating platform; Motion Response; Mooring system; Mooring force

1引言

自升式鉆井平臺(tái)是目前海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)式鉆井設(shè)施之一[1]。目前世界上共有現(xiàn)役自升式平臺(tái)大約380座，占移動(dòng)式鉆井平臺(tái)總量約60%~70%，其中作業(yè)水深大于120 m的有20多座[2]。自升式鉆井平臺(tái)在經(jīng)拖輪拖至作業(yè)區(qū)域時(shí)，需系泊定位才能放下樁腿。自升式鉆井平臺(tái)系泊時(shí)屬于浮式結(jié)構(gòu)，研究自升式平臺(tái)在波浪、海流、重力和風(fēng)等環(huán)境因素作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其系泊力的變化規(guī)律，一直是國(guó)內(nèi)外海洋工程領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3-7]，是海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要課題。隨著海上平臺(tái)向深水區(qū)的發(fā)展，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)安全、準(zhǔn)確地進(jìn)行系泊定位、研究自升式平臺(tái)系泊狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及系泊力的數(shù)值模擬計(jì)算顯得至關(guān)重要。

本文以工作水深為122 m的某自升式平臺(tái)為例，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)軟件，對(duì)自升式平臺(tái)系泊定位時(shí)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析和時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，從而得到自升式平臺(tái)的時(shí)歷響應(yīng)曲線以及各系泊纜繩的受力情況。

2自升式平臺(tái)系泊系統(tǒng)模型

2.1平臺(tái)主尺度參數(shù)

某深水自升式平臺(tái)的主尺度如表1所列。根據(jù)自升式平臺(tái)的型值，建立有限元模型，桁架式樁腿與主船體連接，采用公用節(jié)點(diǎn)的方式，符合拖航狀態(tài)下升降系統(tǒng)的鎖緊實(shí)況，然后劃分網(wǎng)格，詳見(jiàn)圖1。

2.2平臺(tái)系泊索參數(shù)及系泊坐標(biāo)

自升式平臺(tái)系泊系統(tǒng)由3×3分布形式構(gòu)成，共有9根系泊線，即每3根組成一股，三股間的夾角均為1200，見(jiàn)圖2。

表1自升式平臺(tái)主尺度參數(shù)

圖1系泊系統(tǒng)計(jì)算模型

圖2系泊索布置示意圖

每個(gè)系泊線都采用錨鏈-鋼纜-錨鏈的組合型式。系泊纜繩與平臺(tái)及海底處均設(shè)置為鉸接。系泊線的參數(shù)見(jiàn)表2；系泊點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表3。

表2系泊線參數(shù)

表3系泊點(diǎn)坐標(biāo)

2.3平臺(tái)網(wǎng)格劃分

由于自升式平臺(tái)幾何形狀規(guī)則，采用映射網(wǎng)格作為技術(shù)劃分，單元類(lèi)型使用四邊形網(wǎng)格。

2.4平臺(tái)環(huán)境載荷

對(duì)自升式平臺(tái)加載的風(fēng)、浪、流，具體參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4主要環(huán)境條件參數(shù)

3基本原理

3.1浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程

系泊系統(tǒng)浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：M、m ——浮體的廣義質(zhì)量矩陣；

K(t-τ) ——系統(tǒng)的延遲函數(shù)陣；

C ——浮體的靜水恢復(fù)力系數(shù)陣；

Fw(t) ——一階波浪力；

Fwind——風(fēng)力；

Fc——流力；

Fsn——二階波浪力；

Fm(t)——錨鏈張力。

3.2錨鏈線運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)有限元理論，錨鏈線的運(yùn)動(dòng)方程為：

（2）

式中：M、μ、C、K——錨鏈的質(zhì)量矩陣、附加質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；

R——結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)外載荷矩陣。

4平臺(tái)系泊系統(tǒng)頻域水動(dòng)力分析

在采用Hydrodynamic Time Response模塊計(jì)算自升式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)，調(diào)用Hydrodynamic Diffraction模塊計(jì)算結(jié)果中的平臺(tái)附加質(zhì)量、輻射阻尼以及每個(gè)波長(zhǎng)、每個(gè)浪向上的漂移力，進(jìn)而計(jì)算在給定的波浪譜條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此，需要對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析，求得幅值響應(yīng)算子、附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)等參數(shù)。水動(dòng)力分析參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5水動(dòng)力分析參數(shù)

自升式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子RAOs預(yù)報(bào)結(jié)果，見(jiàn)圖3~5。

（a）縱蕩運(yùn)動(dòng)

（b）橫蕩運(yùn)動(dòng)

圖3縱蕩、橫蕩運(yùn)動(dòng)RAO函數(shù)

(a)垂蕩運(yùn)動(dòng)

（b）橫搖運(yùn)動(dòng)

圖4垂蕩、橫搖運(yùn)動(dòng)RAO函數(shù)

（a）縱搖運(yùn)動(dòng)

（b）首搖運(yùn)動(dòng)

圖5縱搖、首搖運(yùn)動(dòng)RAO函數(shù)

由上面的RAO函數(shù)可得，自升式平臺(tái)的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)的固有周期分別為8.5 s、8.2 s、15 s。

5平臺(tái)系泊系統(tǒng)的時(shí)域分析

采用Hydrodynamic Time Response模塊對(duì)自升式平臺(tái)和系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析，模擬1個(gè)小時(shí)內(nèi)系統(tǒng)在給定的風(fēng)、浪、流工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到平臺(tái)的總體響應(yīng)和各系泊纜繩的受力。

5.1時(shí)域耦合響應(yīng)分析

時(shí)域計(jì)算采用全耦合動(dòng)力分析理論，對(duì)自升式平臺(tái)在給定海況下的性能進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的模擬和分析。分析時(shí)，風(fēng)、浪、流方向一致，為600。在進(jìn)行時(shí)域計(jì)算前首先要進(jìn)行頻域計(jì)算，根據(jù)水動(dòng)力模型得到所需的各項(xiàng)頻域參數(shù)，然后將這些數(shù)值加入到時(shí)域計(jì)算耦合方程中，得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。根據(jù)平臺(tái)在時(shí)域中運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷曲線，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得到運(yùn)動(dòng)的位移譜密度曲線，通過(guò)分析譜密度曲線可以得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表6。自升式平臺(tái)各纜繩的最大響應(yīng)值，見(jiàn)表7。

表6自升式平臺(tái)最大響應(yīng)值

表7自升式平臺(tái)纜繩最大響應(yīng)值

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，自升式平臺(tái)水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)（橫蕩、縱蕩及首搖）最大運(yùn)動(dòng)幅值比平面外的運(yùn)動(dòng)（橫搖、縱搖及垂蕩）大，說(shuō)明平臺(tái)在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)明顯大于垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性。同時(shí)平面內(nèi)的高頻的均方差比低頻的均方差要大得多，正好印證了高頻載荷大。對(duì)于首搖來(lái)說(shuō)，其高頻和低頻的均方差都較低，具有明顯的波頻特性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)系泊索的最大響應(yīng)發(fā)生在纜繩5號(hào)處，這與環(huán)境載荷的方向有關(guān)。高頻響應(yīng)的均方差大于低頻響應(yīng)的均方差，說(shuō)明自升式平臺(tái)對(duì)高頻響應(yīng)比較敏感。

由于篇幅有限，列出環(huán)境力方向?yàn)?00時(shí)，自升式平臺(tái)耦合分析所得的系泊索張力時(shí)程曲線，以及平臺(tái)X向位移時(shí)歷曲線，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6系泊索cable1張力時(shí)歷曲線（600）

圖7自升式平臺(tái)X向位移時(shí)歷曲線（600）

5.2平臺(tái)系泊纜繩張力

對(duì)于平臺(tái)系泊纜繩張力計(jì)算，取00、300、450、600、900、1200、1350、1500、1800等9個(gè)環(huán)境力方向，見(jiàn)圖8。風(fēng)、浪、流同向。

圖8環(huán)境力方向

圖9平臺(tái)系泊力極值統(tǒng)計(jì)

由圖9可以看出，00環(huán)境力入射角時(shí)，纜繩8所受張力值最大，達(dá)到8376.4 kN，安全系數(shù)3.2，遠(yuǎn)大于API-RP-2SK規(guī)范[8]中對(duì)系泊纜繩規(guī)定的安全系數(shù)2.0，所以選取的系泊纜繩滿足強(qiáng)度要求，且具有一定的安全裕度。

6結(jié)論

（1）由頻域水動(dòng)力分析可知，自升式平臺(tái)在縱蕩和橫蕩方向上的附加質(zhì)量和輻射阻尼變化很小，在整個(gè)波頻段內(nèi)部無(wú)明顯波動(dòng)；

（2）在自升式平臺(tái)的縱蕩、橫蕩及垂蕩運(yùn)動(dòng)中，高頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比低頻運(yùn)動(dòng)大得多，是縱蕩、橫蕩及垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的主要成分；（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）

（上接第頁(yè)）（3）平臺(tái)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜繩的系泊力呈現(xiàn)出周期性的變化；

（4）平臺(tái)6個(gè)自由度總體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)中，由于選擇600加載風(fēng)、浪、流的載荷的原因，環(huán)境載荷對(duì)自升式平臺(tái)垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有顯著作用；

（5）不同環(huán)境力方向，平臺(tái)系泊纜繩的張力響應(yīng)有一定的區(qū)別，因此在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮極端環(huán)境力的影響，校核系泊索的安全強(qiáng)度，保留一定的安全裕度。

該方法對(duì)自升式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，同時(shí)也可以用于平臺(tái)每次拖航到指定海域系泊定位，根據(jù)當(dāng)時(shí)海況進(jìn)行平臺(tái)系泊系統(tǒng)的安全校核，評(píng)估何時(shí)系泊定位，放下樁腿。

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作者簡(jiǎn)介：許津豪（1986-），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋工程。

劉月琴（1961-），女，副教授，博士。主要從事船舶與海洋工程研究。

收稿日期：2013-10-09