筒基平臺破艙拖航性態(tài)試驗研究

收稿日期：2021-12-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金（52209090）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項項目（HKY-JBYW-2021-09）；黃河水利科學(xué)研究院科 技發(fā)展基金（黃科發(fā)202106）

通信作者：趙 滎（1991—），男，博士、工程師，主要從事水利及海洋工程結(jié)構(gòu)方面的研究。zhaozxzxzx@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1513 文章編號：0254-0096（2023）05-0017-06

摘 要：針對筒基平臺在中艙破艙情況下的靜水拖航過程進行試驗研究，分析破艙下沉及打氣上浮過程中結(jié)構(gòu)的運動性態(tài)，并對比不同航速條件下結(jié)構(gòu)的拖航穩(wěn)性，得到了中艙破艙情況及不同航速對結(jié)構(gòu)拖航過程的影響。試驗結(jié)果表明，中艙破艙對筒基平臺的拖航穩(wěn)性影響較小，因此可對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，即將基礎(chǔ)中艙與大氣連通，以獲得更好的下沉效果。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；筒型基礎(chǔ)；中艙破艙；拖航穩(wěn)性

中圖分類號：TU4 " " 文獻標志碼：A

0 引 言

一體化筒型基礎(chǔ)綜合利用平臺（簡稱筒基平臺）是一種集海上風(fēng)力發(fā)電與油氣開采為一體的新型平臺結(jié)構(gòu)型式，由底部的筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、中部的弧形過渡結(jié)構(gòu)、上部的風(fēng)力機及井口平臺構(gòu)成，如圖1所示。與傳統(tǒng)單一的海上油氣開采井口平臺［1-2］或風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)相比，綜合利用平臺具有一體化運輸、成本較低、安裝方便、可回收、自發(fā)電供給采油等優(yōu)點。該結(jié)構(gòu)可進行一體化拖航運輸和整體安裝，筒基井口平臺的設(shè)計極大地簡化了海上安裝過程，節(jié)省了海上施工的費用。筒內(nèi)有蜂窩狀分艙板將筒劃分為6個邊艙和1個中艙，筒內(nèi)分艙能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自浮拖航和下沉調(diào)平功能，預(yù)應(yīng)力弧形過渡段能將上部結(jié)構(gòu)承受的巨大彎矩荷載轉(zhuǎn)化為拉壓應(yīng)力傳遞至基礎(chǔ)［3］。

對于筒型基礎(chǔ)的拖航穩(wěn)性，目前已有一些學(xué)者對筒型基礎(chǔ)的拖航性態(tài)進行了研究。張浦陽等［4］通過靜水拖航試驗，分析了分艙板對結(jié)構(gòu)拖航阻力的影響，并進一步驗證了數(shù)值計算的結(jié)果，分析了筒型基礎(chǔ)拖航的運動特性。趙滎［5］以某工程原型單筒多艙筒型基礎(chǔ)為研究對象，通過拖航模型試驗結(jié)合MOSE數(shù)值分析和理論推導(dǎo)，分析了筒型基礎(chǔ)拖航過程中的“氣-液-固”耦合特性。丁紅巖等［6］為了將筒型基礎(chǔ)與上部整機進行一步式運輸安裝，設(shè)計了一步式運輸安裝船并研究了航速、波高和風(fēng)速對結(jié)構(gòu)物浮運性能的影響。閔巧玲［7］以模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)合的手段，針對筒型基礎(chǔ)的拖航過程中的穩(wěn)性和運動特性進行了研究。張浦陽等［8］利用MOSES軟件建立海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮拖航模型，重點分析了結(jié)構(gòu)的浮態(tài)和初穩(wěn)性高的變化，并進行了頻域和時域分析。張浦陽等［9］詳細分析了筒型基礎(chǔ)拖航過程中的拖纜力、位移、各自由度加速度及各分艙氣壓等相關(guān)因素，并將拖纜點和波浪條件作為變量，模擬穩(wěn)定動力特性的極限條件。丁紅巖等［10］闡明了筒型基礎(chǔ)在頻域中的基本水動力特性，并采用多個隨機波浪模型研究了不同波高、周期和譜峰因子對筒型基礎(chǔ)拖航運動特性的影響。

在拖航過程中結(jié)構(gòu)可能會受到外界作用發(fā)生破艙，對浮運穩(wěn)性產(chǎn)生影響。筒基平臺的各分艙中中艙面積最大，發(fā)生破艙的概率更大，因此本文對中艙破艙時筒基平臺的靜水拖航性態(tài)進行試驗研究，分析筒基平臺在中艙破艙后下沉過程和打氣上浮過程中的運動響應(yīng)，并對不同航速下結(jié)構(gòu)的拖航穩(wěn)性進行對比研究。

1 破艙拖航試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

筒基平臺的基礎(chǔ)內(nèi)部有7個分艙，分艙1～6為邊艙，分艙7為中艙。試驗中從1∶35比例制作模型，模型尺寸見表1。試驗中保持吃水深度為20 cm，研究不同航速下結(jié)構(gòu)的拖航運動響應(yīng)，分別選擇航速10.5、24.5、38和52.4 cm/s（代表原型1～6節(jié)拖航航速）進行對比分析，其中航速38 cm/s為標準組工況。受試驗條件限制，試驗中的靜水拖航采用固定被拖物并施加反向的水流流速來模擬，如圖2所示。

1.2 試驗工況

筒基平臺中艙破艙后，由于中艙不再繼續(xù)提供氣浮力，邊艙內(nèi)提供的氣浮力增大，結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉，為了滿足結(jié)構(gòu)的吃水要求，需對破艙后的結(jié)構(gòu)進行打氣。因此試驗分為破艙下沉階段和打氣階段兩個階段。首先以標準組工況為例研究筒基平臺中艙破艙下沉平—打氣整體過程中的拖航性態(tài)。標準組工況為吃水20 cm、航速38 cm/s。由于筒基平臺具有對稱性，只選取分艙1～分艙4和分艙7共5個分艙進行分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 標準組結(jié)果

2.1.1 破艙下沉及打氣過程分析

破艙下沉階段不同分艙的氣壓如圖2所示?？砂l(fā)現(xiàn)，中艙氣壓逐漸減少，邊艙氣壓有緩慢的上升趨勢。這是由于中艙氣壓提供的浮力逐漸被邊艙氣壓所替代。不同邊艙的氣壓初始值不同，這是由于結(jié)構(gòu)在拖航過程中發(fā)生前傾，前傾的分艙（艙1、艙2）內(nèi)氣壓更大，艙3和艙4在拖航過程中后傾，因此氣壓較小。最終中艙氣壓降至零，分艙1～分艙4氣壓分別增至3.22、3.16、2.72和2.66 cm，即相對氣壓力為0.323、0.317、0.273和0.267 kPa。破艙后的氣浮結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中中艙因與外部連通，其內(nèi)液面與靜水面齊平，中艙與邊艙的液面差為結(jié)構(gòu)提供浮力。

圖5為結(jié)構(gòu)破艙拖航過程中的縱搖角、垂蕩加速度及拖纜力時程曲線。由圖5a可發(fā)現(xiàn)，在破艙過程中縱搖角變化范圍基本保持穩(wěn)定，縱搖角均值為1.89°，峰值為2.49°。由由圖5b可發(fā)現(xiàn)，在破艙過程中垂蕩加速度波動幅度有一定增大，但仍保持在±0.005 m/s2范圍內(nèi)，垂蕩加速度響應(yīng)較小。

由圖5c可發(fā)現(xiàn)，在破艙初始階段受到?jīng)_擊力作用拖纜力突然增大到一個較大值（15.3 N），隨后下降至穩(wěn)定值，破艙后的穩(wěn)定值較破艙前更大，這是由于破艙后結(jié)構(gòu)的吃水增大，拖航阻力增大，拖纜力也隨之增大。破艙后的穩(wěn)定階段拖纜力均值為3.9 N，峰值為6.6 N。

2.1.2 打氣上浮階段

由于結(jié)構(gòu)在拖航過程中有吃水深度的要求，在破艙發(fā)生后結(jié)構(gòu)下沉、吃水增大，為了再次達到結(jié)構(gòu)的吃水要求，可通過向6個邊艙內(nèi)同時打氣的方式。打氣過程中各分艙的氣壓變化如圖6所示?？砂l(fā)現(xiàn)，由于筒壁和分艙板提供的浮力隨吃水的減小而減小，艙內(nèi)氣壓提供的浮力逐漸增大，各艙氣壓均在上升后基本趨于穩(wěn)定，且各分艙的氣壓差別較打氣前減小，認為打氣在減小結(jié)構(gòu)吃水的同時也可實現(xiàn)一定的調(diào)平作用。

圖7為結(jié)構(gòu)打氣過程中的縱搖角時程曲線?？砂l(fā)現(xiàn)，在破艙過程中縱搖角有一定的增大但變化幅度較小，縱搖角均值為2.18°，峰值為2.79°。對比結(jié)構(gòu)破艙下沉后的縱搖角統(tǒng)計值，打氣后的結(jié)構(gòu)縱搖角有所增大，這是由打氣后結(jié)構(gòu)的吃水減小造成的。

圖8為結(jié)構(gòu)打氣過程中的垂蕩加速度及拖纜力時程曲線。由圖8a可發(fā)現(xiàn)，在打氣過程中垂蕩加速度波動幅度均保

持在±0.005 m/s2范圍內(nèi)，垂蕩加速度響應(yīng)較小。由圖8b可發(fā)現(xiàn)，在打氣初始階段受到?jīng)_擊力作用拖纜力突然增大到一個較大值（11.7 N），隨后降至穩(wěn)定。打氣后的穩(wěn)定階段拖纜力均值為3.7 N，峰值為6.0 N，可發(fā)現(xiàn)打氣后的穩(wěn)定階段拖纜力小于破艙后的穩(wěn)定階段，這是由于結(jié)構(gòu)打氣后吃水減小，拖航阻力隨之減小。

2.2 不同航速下結(jié)構(gòu)的拖航穩(wěn)性

2.2.1 破艙穩(wěn)定后

為了對比不同航速下結(jié)構(gòu)的拖航穩(wěn)性，首先針對中艙破艙后的穩(wěn)定拖航過程進行對比分析。圖9為不同航速下各分艙內(nèi)氣壓對比圖?？砂l(fā)現(xiàn)，對于分艙1和分艙2，艙內(nèi)氣壓隨航速的增大而增大；而對于分艙3和分艙4，艙內(nèi)氣壓隨航速的增大而減小。這是由于隨著航速的增大，結(jié)構(gòu)在拖航過程中的前傾程度逐漸變大，艙1和艙2由于結(jié)構(gòu)前傾而產(chǎn)生下壓現(xiàn)象，艙內(nèi)氣壓隨之增大，而相應(yīng)地分艙3和分艙4發(fā)生一定的上翹，其艙內(nèi)氣壓減小。

圖10為破艙穩(wěn)性階段不同航速下結(jié)構(gòu)縱搖角及結(jié)構(gòu)垂蕩加速度對比圖。由圖10a可發(fā)現(xiàn)，航速的增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縱搖角明顯增大，航速為10.5 cm/s時縱搖角峰值為1.27°，航速為52.4 cm/s時縱搖角峰值為2.64°，增幅達到108%。由圖10b可發(fā)現(xiàn)航速的變化對結(jié)構(gòu)垂蕩加速度的影響不大。不同航速下結(jié)構(gòu)的垂蕩加速度均很小。由圖10c可發(fā)現(xiàn)，隨著航速的增大拖纜力顯著增大。航速由10.5 cm/s增大至52.4 cm/s時，拖纜力均值由0.2 N增至14.2 N，拖纜力峰值由0.3 N增至20.2 N。

2.2.2 打氣穩(wěn)定后

由于中艙破艙后結(jié)構(gòu)下沉、吃水增大，因此利用向6個邊艙同時打氣的方式調(diào)整結(jié)構(gòu)至破艙前吃水，圖11為不同航速下打氣后各分艙的氣壓及結(jié)構(gòu)縱搖角和垂蕩加速度對比?？砂l(fā)現(xiàn)，航速對各分艙氣壓的影響與破艙時相同，即分艙1和分艙2氣壓隨航速的增大而增大，分艙3和分艙4氣壓隨航速的增大而減小。相同航速下各分艙氣壓的關(guān)系為：分艙1gt;分艙2gt;分艙3gt;分艙4，這同樣也是由于拖航時結(jié)構(gòu)前傾導(dǎo)致的。同時發(fā)現(xiàn)與破艙后的艙內(nèi)氣壓相比，打氣后的艙內(nèi)氣壓增大，這是由于吃水減小后筒壁和分艙板承擔(dān)的浮力減小，艙內(nèi)氣體承擔(dān)的浮力增大。與破艙后相比，不同航速下結(jié)構(gòu)的縱搖角均有所增大，這是由于打氣后結(jié)構(gòu)的吃水減小，浮運穩(wěn)定性降低導(dǎo)致的。垂蕩加速度變化不大。

圖11為破艙穩(wěn)性階段不同航速下結(jié)構(gòu)拖纜力對比圖，發(fā)現(xiàn)隨著航速的增大拖纜力顯著增大。航速由10.5 cm/s增大至52.4 cm/s時，拖纜力均值由0.2 N增大到9.6 N，拖纜力峰值由0.3 N增大到14.0 N。對比破艙后的穩(wěn)定拖纜力發(fā)現(xiàn)，打氣后的穩(wěn)定拖纜力更小，這是由于結(jié)構(gòu)吃水減小，拖航阻力減小導(dǎo)致的。

3 結(jié) 論

本文針對筒基平臺在中艙破艙情況下的拖航過程進行了試驗研究，分析了破艙后的下沉階段和打氣上浮階段兩個主要過程，得到以下主要結(jié)論：

1）中艙破艙后結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉，邊艙氣壓有所增大，縱搖角和垂蕩加速度變化范圍基本保持穩(wěn)定，拖纜力會受到?jīng)_擊力作用突然增大隨后降至穩(wěn)定值。

2）對各邊艙進行打氣的過程中，結(jié)構(gòu)上浮，邊艙氣壓增大；與打氣前相比，縱搖角有所增大，但變化范圍基本保持穩(wěn)定，垂蕩加速度變化范圍很小，拖纜力由于吃水的減小也有所降低。

3）不同拖航速度下結(jié)構(gòu)各分艙的氣壓呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。由于筒基平臺在拖航過程中產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，分艙1和分艙2有一定的下壓，分艙3和分艙4有一定的上翹，而隨著航速的增大基礎(chǔ)前傾更加明顯，因此分艙1和分艙2氣壓隨航速的增大而增大，分艙3和分艙4隨航速的增大而降低；縱搖角和拖纜力均隨航速的增大而增大。

4）由試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，中艙破艙對筒基平臺的拖航穩(wěn)性影響較小，因此可對筒基平臺進行優(yōu)化，即將中艙完全破艙，取消其頂蓋使其與大氣連通，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅減少了建造成本，而且大大降低了基礎(chǔ)入泥時需克服的水壓，同時也保證了較好的拖航穩(wěn)性。

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EXPERIMENTAL STUDY ON TOWING BEHAVIOR OF BUCKET FOUNDATION PLATFORM

Wang Daoguang1，Zhao Xing2，3，Zhang Puyang3

（1. CNOOC Energy Technology amp; Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300450， China；

2. Yellow River Institute of Hydraulic Research， YRCC， Zhengzhou 450003， China；

3. School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract：The towing process of bucket foundation platform under the condition of damaged middle compartment is experimentally studied. The motion behavior of the structure during the damaged sinking process and the inflated raising process is analyzed. The towing stability of the structure under different speed conditions is compared. The effects of the damage of the middle compartment and different speeds on the towing process of the structure are obtained. The test results show that the damage of the middle compartment has little impact on the towing stability of the bucket foundation platform. Therefore， the bucket foundation platform can be optimized， that is， the middle compartment of the foundation can be connected with the atmosphere to obtain better sinking effect.

Keywords：offshore wind power； bucket foundation； damage of middle compartment； towing stability