基于可燃冰開(kāi)發(fā)的深吃水半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能分析

趙戰(zhàn)華， 范亞麗， 匡曉峰

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

可燃冰具有燃燒熱值高、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。我國(guó)可燃冰預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景資源量超過(guò)1 000億t石油當(dāng)量，可滿足國(guó)內(nèi)近200 a能源需求。我國(guó)南海神狐海域可燃冰的試采成功標(biāo)志著我國(guó)掌握深?？扇急_(kāi)采技術(shù)，也拉開(kāi)了深海可燃冰開(kāi)發(fā)序幕。與石油和天然氣相比，可燃冰開(kāi)發(fā)對(duì)浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)性提出更高的要求，以藍(lán)鯨1號(hào)為例，在深?？扇急_(kāi)采作業(yè)過(guò)程中當(dāng)平臺(tái)位移超過(guò)22 m或立管傾斜度超過(guò)2°時(shí)，必須停止作業(yè)，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行解脫處理。在海洋油氣平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中，水平運(yùn)動(dòng)通?？刂圃谒畹?%～4%，對(duì)于搖擺性能相對(duì)優(yōu)良的張力腿平臺(tái)(Tension Leg Platform，TLP)，橫搖運(yùn)動(dòng)一般也控制在4°左右，顯著低于可燃冰作業(yè)要求[1-3]。傳統(tǒng)錨泊系泊的淺吃水半潛式平臺(tái)不適宜深?？扇急拈_(kāi)發(fā)需求，我國(guó)藍(lán)鯨1號(hào)在試采過(guò)程中采用動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，但是長(zhǎng)期作業(yè)的平臺(tái)采用動(dòng)力定位系統(tǒng)會(huì)嚴(yán)重增加系統(tǒng)的功率消耗和運(yùn)營(yíng)成本。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)淺吃水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能差的不足，海洋工程學(xué)者提出顯著增大吃水的深吃水半潛式平臺(tái)概念。深吃水半潛式平臺(tái)吃水一般在30 m以上，遠(yuǎn)大于常規(guī)淺吃水半潛式平臺(tái)(見(jiàn)圖1)的20 m左右吃水，深吃水半潛式平臺(tái)(見(jiàn)圖2)通常采用四方環(huán)形設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)規(guī)則對(duì)稱，在底部浮體位置下降的同時(shí)減小水線面積，有效降低波浪載荷，提高浮體的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性[4-7]。

圖1 淺吃水半潛式平臺(tái)

圖2 深吃水半潛式平臺(tái)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)的性能已進(jìn)行廣泛研究，但其與淺吃水半潛式平臺(tái)之間的具體差異仍缺少系統(tǒng)性的對(duì)比研究。本文以某作業(yè)水深為1 500 m的深吃水半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，該平臺(tái)作業(yè)吃水為30 m，目標(biāo)海域?yàn)槲覈?guó)南海，應(yīng)用于我國(guó)未來(lái)南海深?？扇急_(kāi)采。采用靜水衰減試驗(yàn)、白噪聲試驗(yàn)和波浪中試驗(yàn)等對(duì)深吃水平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，將試驗(yàn)結(jié)果與某典型淺吃水半潛式平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，研究深吃水半潛式平臺(tái)固有特性的變化特征，同時(shí)測(cè)試不同海況下深吃水半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)深吃水平臺(tái)用于可燃冰開(kāi)采的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為深吃水半潛式平臺(tái)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3 所示。為對(duì)比深吃水半潛式平臺(tái)與淺吃水平臺(tái)之間的性能差異，選擇某典型淺吃水半潛式平臺(tái)作為對(duì)比平臺(tái)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。兩者作業(yè)水深均為1 500 m，目標(biāo)海域均為我國(guó)南海，分別對(duì)2座平臺(tái)開(kāi)展水動(dòng)力特性水池模型試驗(yàn)，試驗(yàn)縮尺比為1∶60，水池試驗(yàn)滿足幾何相似和弗勞德相似。主要參數(shù)如表1所示。

圖3 深吃水半潛式平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖4 淺吃水半潛式平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 研究對(duì)象平臺(tái)主要特征參數(shù)

對(duì)比2座平臺(tái)主要特征參數(shù)可知：

(1) 2座平臺(tái)總排水接近，但吃水差別明顯，深吃水平臺(tái)吃水是淺吃水平臺(tái)的近2倍。

(2) 深吃水平臺(tái)更規(guī)則對(duì)稱，四邊均有浮筒呈環(huán)形；淺吃水平臺(tái)浮筒在左右縱向兩側(cè)，橫向有橫撐，沒(méi)有浮筒，且浮筒長(zhǎng)度較大。

(3) 與淺吃水平臺(tái)相比，深吃水平臺(tái)立柱寬度略寬，但高度大幅提高，是淺吃水平臺(tái)的2倍以上。

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

為研究深吃水半潛式平臺(tái)與淺吃水半潛式平臺(tái)固有特征和波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的差異，分別開(kāi)展靜水中衰減試驗(yàn)和白噪聲試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得到2座平臺(tái)的固有周期、阻尼因數(shù)和響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，靜水衰減試驗(yàn)包含縱搖、橫搖和垂蕩等3個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)，白噪聲試驗(yàn)浪向有頂浪180°和艏斜浪135°兩個(gè)。此外，針對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)開(kāi)展系泊條件下南海環(huán)境一年一遇和百年一遇兩種海況環(huán)境下風(fēng)浪流聯(lián)合作用試驗(yàn)，對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)可燃冰開(kāi)采的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)方案內(nèi)容如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案內(nèi)容

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜水衰減試驗(yàn)

對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)和淺吃水半潛式平臺(tái)分別開(kāi)展靜水中橫搖、縱搖和垂蕩衰減試驗(yàn)，衰減試驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖8所示，對(duì)衰減時(shí)歷曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到固有周期和阻尼結(jié)果如表3所示。

圖5 縱搖衰減時(shí)歷曲線對(duì)比

圖6 縱搖阻尼因數(shù)對(duì)比

由圖5、圖6和表3可知：深吃水半潛式平臺(tái)縱搖固有周期和阻尼因數(shù)均明顯減小，減小幅度接近50%。這主要是由于：吃水增大后縱搖恢復(fù)力矩增大，引起固有周期縮短；淺吃水半潛式平臺(tái)縱向浮筒尺度大，是深吃水平臺(tái)的1.5倍左右，在首尾兩端還有延伸浮筒能夠引起較大的阻尼效應(yīng)，而深吃水半潛式平臺(tái)更加規(guī)則，阻尼因數(shù)更小。

由圖7、圖8和表3可知：與縱搖運(yùn)動(dòng)相似，深吃水半潛式平臺(tái)橫搖固有周期明顯縮短，縮短幅度接近50%；兩者橫搖阻尼較為接近，以3°橫搖為轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，小于3°橫搖時(shí)深吃水半潛式平臺(tái)阻尼更小，大于3°橫搖時(shí)則相反。這主要是由于2座平臺(tái)寬度差別較小，流體對(duì)平臺(tái)的阻尼效應(yīng)較接近。

圖7 橫搖衰減時(shí)歷曲線對(duì)比

圖8 橫搖阻尼因數(shù)對(duì)比

表3 靜水衰減試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表3可知，深吃水半潛式平臺(tái)垂蕩固有周期比淺吃水半潛式平臺(tái)有小幅縮短，固有周期進(jìn)一步靠近海上波浪的頻率范圍，有可能引起垂蕩運(yùn)動(dòng)的加劇。

深吃水半潛式平臺(tái)的阻尼效應(yīng)小于淺吃水平臺(tái)，波浪中搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)增加，垂蕩運(yùn)動(dòng)也可能增大。然而由于吃水增加，浮筒下移，結(jié)構(gòu)更加規(guī)則能夠有效降低波浪載荷，因此波浪中運(yùn)動(dòng)響應(yīng)還需要根據(jù)白噪聲波浪中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行具體分析。

2.2 白噪聲試驗(yàn)

對(duì)白噪聲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到180°浪向和135°浪向不同運(yùn)動(dòng)模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO曲線，如圖9～圖14所示。

圖9 縱搖頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(180°浪向)

圖10 垂蕩頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(180°浪向)

圖11 縱蕩頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(180°浪向)

圖12 縱搖頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(135°浪向)

由圖9和圖12可知：在6.0～21.0 s波浪周期范圍內(nèi)深吃水半潛式平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)顯著小于淺吃水

圖13 橫搖頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(135°浪向)

圖14 垂蕩頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(135°浪向)

半潛式平臺(tái)，在響應(yīng)峰值處減小幅度達(dá)60%；在波浪周期大于21.0 s時(shí)，深吃水半潛式平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)迅速增大，大幅超過(guò)淺吃水半潛式平臺(tái)。然而21.0 s已超出實(shí)際海上的波浪頻率范圍，不會(huì)引起顯著的縱搖運(yùn)動(dòng)。

由圖10和圖14可知：當(dāng)波浪周期小于10.0 s時(shí)2座平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值較為接近且深吃水半潛式平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)略大；當(dāng)波浪周期為10.0～16.0 s時(shí)深吃水半潛式平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)顯著減小，最大減小幅度達(dá)50%；當(dāng)波浪周期為16.0～22.0 s時(shí)由于靠近垂蕩固有周期，深吃水半潛式平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)顯著增大；當(dāng)波浪周期大于22.0 s時(shí)兩者垂蕩運(yùn)動(dòng)區(qū)域一致。由于海上波浪周期極限范圍通常為5.0～16.0 s，因此在實(shí)際應(yīng)用中深吃水半潛式平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)優(yōu)于淺吃水半潛式平臺(tái)。

由圖11可知：在180°浪向下、波浪周期小于8.0 s 時(shí)，深吃水半潛式平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)小于淺吃水半潛式平臺(tái)；當(dāng)波浪周期為8.0～12.5 s時(shí)，2座平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)基本一致；當(dāng)周期大于12.5 s時(shí)，深吃水半潛式平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)逐漸增大。然而在海上實(shí)際波浪周期范圍內(nèi)總體上2座平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)接近，深吃水半潛式平臺(tái)略優(yōu)于淺吃水半潛式平臺(tái)，其他浪向趨勢(shì)相似。

由圖13可知：與縱搖運(yùn)動(dòng)相似，在135°浪向下、波浪周期為6.0～21.0 s時(shí)深吃水半潛式平臺(tái)橫搖運(yùn)動(dòng)顯著小于淺吃水半潛式平臺(tái)，在響應(yīng)峰值處減小幅度達(dá)65%。

2.3 風(fēng)浪流聯(lián)合試驗(yàn)

針對(duì)系泊狀態(tài)下深吃水半潛式平臺(tái)開(kāi)展南海海域一年一遇和百年一遇海況風(fēng)浪流聯(lián)合作用水池模型試驗(yàn)，試驗(yàn)浪向包括頂浪180°和艏斜浪135°，試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際海上3 h，對(duì)試驗(yàn)中半潛式平臺(tái)重心處六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4所示。

表4 風(fēng)浪流試驗(yàn)深吃水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表4可知：

(1) 在一年一遇海況180°浪向和135°浪向下，縱搖運(yùn)動(dòng)最大值分別為1.37°和1.54°，橫搖運(yùn)動(dòng)最大值為1.30°，縱蕩運(yùn)動(dòng)最大值分別為11.88 m和8.61 m，橫蕩運(yùn)動(dòng)最大值為13.12 m。

(2) 在百年一遇海況180°浪向和135°浪向下，縱搖運(yùn)動(dòng)最大值分別5.09°和4.60°，橫搖運(yùn)動(dòng)最大值為3.33°，縱蕩運(yùn)動(dòng)最大值分別為36.59 m和30.74 m，橫蕩運(yùn)動(dòng)最大值為42.30 m。

結(jié)果表明：在一年一遇作業(yè)海況下，最大搖擺運(yùn)動(dòng)為1.54°、最大水平運(yùn)動(dòng)為13.12 m，顯著小于可燃冰作業(yè)最大搖擺運(yùn)動(dòng)為2°、最大水平運(yùn)動(dòng)為22 m的標(biāo)準(zhǔn)要求，并且具有較大的安全裕量；在百年一遇海況下，最大搖擺運(yùn)動(dòng)達(dá)5.09°，最大水平運(yùn)動(dòng)達(dá)42.30 m，均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，然而在極限海況條件下已停止作業(yè)，且水平運(yùn)動(dòng)只有作業(yè)水深為1 500 m的2.8%，同樣滿足一般海洋工況10%水深極限環(huán)境安全要求。這表明深吃水半潛式平臺(tái)在目標(biāo)海況條件下具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)性能，能夠滿足可燃冰開(kāi)采的作業(yè)需求。

3 結(jié) 論

針對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能和未來(lái)深水可燃冰開(kāi)采應(yīng)用的適應(yīng)性，采用不同類型水池模型試驗(yàn)的方法，通過(guò)對(duì)比和測(cè)試，對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)固有特征進(jìn)行進(jìn)一步揭示，對(duì)可燃冰作業(yè)的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估，得到主要結(jié)論如下：

(1) 深吃水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)固有周期和阻尼因數(shù)均小于淺吃水半潛式平臺(tái)，尤其是搖擺運(yùn)動(dòng)固有周期和阻尼因數(shù)均減小50%左右。

(2) 在波浪頻域范圍內(nèi)，深吃水半潛式平臺(tái)搖擺運(yùn)動(dòng)顯著小于淺吃水平臺(tái)，最大減小幅度超過(guò)60%，垂蕩運(yùn)動(dòng)同樣有一定幅度減小。

(3) 在作業(yè)海況條件下，深吃水半潛式平臺(tái)搖擺運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)最大值為1.54°和13.12 m，滿足深?？扇急_(kāi)發(fā)作業(yè)要求。

對(duì)深吃水半潛式平臺(tái)固有特征和錨泊條件下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行深入分析，研究結(jié)果可為深吃水半潛式平臺(tái)的工程應(yīng)用和總體方案設(shè)計(jì)提供參考和支撐。