抑制半潛式平臺(tái)垂蕩響應(yīng)的方法研究

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(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

常用的深水平臺(tái)主要有TLP、Spar和半潛式平臺(tái)。相對(duì)于Spar平臺(tái)和TLP平臺(tái)，半潛式平臺(tái)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代以來，半潛式平臺(tái)在海洋油氣資源的勘探開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著結(jié)構(gòu)形式的不斷改進(jìn)，目前半潛式平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展至第6代。但是相對(duì)于Spar和TLP平臺(tái)，半潛式平臺(tái)有一個(gè)明顯的不足，那就是垂向運(yùn)動(dòng)幅度比較大，大大增加了鉆采作業(yè)的升沉補(bǔ)償成本。因此，研究抑制半潛式平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)具有重大的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 增加吃水深度對(duì)垂蕩幅值的影響

1.1 吃水深度對(duì)垂蕩響應(yīng)幅值影響的理論分析

載荷作用下，半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方程[1]為

(1)

式中：M——質(zhì)量矩陣；

C——阻尼矩陣；

D1，D2——線性阻尼和二次阻尼矩陣；

f——速度矢量函數(shù)；

K——?jiǎng)偠染仃嚕?/p>

x——位移矩陣；

F——外力。

通過調(diào)節(jié)壓載水艙中壓載水的質(zhì)量來控制平臺(tái)的吃水深度。壓載水的質(zhì)量越大，平臺(tái)吃水深度越大，平臺(tái)整體質(zhì)量就越大。由式(1)可知，在平臺(tái)所受垂向力不變的情況下，平臺(tái)的垂向加速度隨質(zhì)量的增加而減小，從而使平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)幅值降低。

半潛式平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)運(yùn)動(dòng)固有周期靠近波浪的能量周期，所以垂蕩運(yùn)動(dòng)較其他自由度響應(yīng)在常規(guī)海況下更容易發(fā)生共振。非線性動(dòng)力學(xué)理論研究表明[2]，平臺(tái)的吃水深度對(duì)抑制縱搖有效果。在數(shù)值計(jì)算過程中獲得了抑制規(guī)律。

1.2 增加吃水深度對(duì)平臺(tái)穩(wěn)性的影響

初穩(wěn)定高度是衡量平臺(tái)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，已知

(2)

(3)

I——水線面慣性矩；

▽——平臺(tái)排水體積。

1.3 吃水深度對(duì)半潛式平臺(tái)垂蕩響應(yīng)影響的數(shù)值計(jì)算

理論分析得到：一定范圍內(nèi)增加平臺(tái)吃水深度可以在保證平臺(tái)穩(wěn)性的基礎(chǔ)上抑制半潛式平臺(tái)垂蕩響應(yīng)幅值。為了得到增加平臺(tái)吃水對(duì)垂向響應(yīng)的抑制效果，運(yùn)用SESAM/HydroD軟件對(duì)在1 000 m水深情況下的同一艘半潛式平臺(tái)在不同吃水條件下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算，見圖1。

圖1 增加吃水前后垂蕩響應(yīng)幅值

計(jì)算中所用的波浪周期為：5、8、11、14、17、20、23、25 s。波向?yàn)?°，即沿X軸方向(艏艉方向，向艏為正)。該波浪周期為一般海況條件下的波浪周期[3]。

由圖1可見：約在頻率0.3 rad/s(波浪周期21 s)時(shí)，平臺(tái)垂蕩響應(yīng)達(dá)到最大值，該頻率下的響應(yīng)為共振響應(yīng)。比較圖1a)、b)可知，增加吃水后，垂蕩響應(yīng)最大值減小了22.03%。

通過對(duì)平臺(tái)的縱搖頻域響應(yīng)計(jì)算還得到，波向?yàn)?°時(shí)，增加吃水，半潛式平臺(tái)縱搖幅值也有比較明顯的降低，平臺(tái)穩(wěn)性增加。

圖2a)為吃水6.23 m情況下半潛式平臺(tái)對(duì)于單位幅度激勵(lì)波幅對(duì)應(yīng)的響應(yīng)幅值，圖2b)為吃水6.23 m情況下的響應(yīng)幅值。對(duì)比兩圖可以看出，吃水深度增加以后，在頻率大于0.35 rad/s(波浪周期小于18 s)時(shí)，半潛式平臺(tái)的縱搖幅值大幅度減小。

圖2 增加吃水前后縱搖的響應(yīng)幅值

2 錨鏈剛度對(duì)垂蕩響應(yīng)幅值的影響

2.1 配置質(zhì)量塊的方法

錨纜的剛度與錨鏈端點(diǎn)的位移(也就是半潛式平臺(tái)的位移)有著很大的關(guān)系。本文采用配置質(zhì)量塊的方法提高錨泊剛度。

配置的質(zhì)量塊見圖3，在錨纜A處增加一質(zhì)量塊。當(dāng)平臺(tái)處于設(shè)計(jì)的下沉的最低時(shí)，質(zhì)量塊在重力作用下坐在海床上，這樣不會(huì)對(duì)平臺(tái)儲(chǔ)備浮力造成影響。當(dāng)平臺(tái)從設(shè)計(jì)的最低位置上升時(shí)，鏈線上移，配置的質(zhì)量塊將對(duì)錨鏈?zhǔn)┘右粋€(gè)向下的附加力，抑制平臺(tái)上升。平臺(tái)上升的幅度越大，質(zhì)量塊向下施加的附加力也越大，但以質(zhì)量塊的質(zhì)量力為限。這樣一來，使錨纜垂向剛度增加，平臺(tái)升沉幅度減小。

圖3 增加錨纜負(fù)重示意

2.2 抑制效果分析

以某半潛式平臺(tái)為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。服役海域水深為1 000 m，錨泊線配置[4]見圖4。

在有配置質(zhì)量塊的情況下，平臺(tái)采用全錨纜形式錨泊，質(zhì)量塊重100t。利用SESAM/DeepC軟件對(duì)平臺(tái)響應(yīng)情況進(jìn)行時(shí)域分析，得到配置質(zhì)量塊前后的平臺(tái)響應(yīng)的結(jié)果，見圖5、6。

圖4 錨泊線分布情況

圖5 未配置質(zhì)量塊時(shí)半潛式平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)

圖6 配置質(zhì)量塊后半潛式平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)

比較圖5與圖6可知，配置的質(zhì)量塊對(duì)半潛式平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)具有比較明顯的抑制效果，在950 s的時(shí)間歷程內(nèi)，最大幅值由原來的1.2 m降低到1.0 m，減小幅度達(dá)20%。

2.3 質(zhì)量塊的重量確定

為了經(jīng)濟(jì)地配置質(zhì)量塊，對(duì)不同質(zhì)量下的抑制作用進(jìn)行計(jì)算分析。圖7是質(zhì)量塊大小對(duì)平臺(tái)升沉的抑制曲線。

圖7 質(zhì)量塊大小對(duì)垂蕩響應(yīng)幅值影響效果分析

由圖7可以看出，在一定的工程條件下，當(dāng)質(zhì)量塊質(zhì)量達(dá)到一定大小時(shí)，對(duì)平臺(tái)升沉的抑制幅值趨于平穩(wěn)。因此，配置質(zhì)量塊的重量應(yīng)取曲線開始趨于平緩處對(duì)應(yīng)的重量，在本文的工程條件下，質(zhì)量塊的重量定為40 t即可。

3 結(jié)論

1)在工程允許的條件下，增加平臺(tái)的吃水深度可以比較顯著地降低平臺(tái)的垂蕩幅值，增加平臺(tái)的穩(wěn)性。

2)在錨泊情況下，通過在錨纜上配置質(zhì)量塊可以降低平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)幅值。當(dāng)質(zhì)量塊的重量達(dá)到一定值時(shí)，抑制效果漸趨平穩(wěn)。因此，在一定的工程條件下，配置的質(zhì)量塊重量有一個(gè)最佳值，在工程實(shí)際中應(yīng)通過計(jì)算確定。

[1] 李潤培，王志農(nóng).海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[2] 田凱強(qiáng).船舶參數(shù)激勵(lì)-強(qiáng)迫激勵(lì)非線性運(yùn)動(dòng)研究[D].天津：天津大學(xué)，1999.

[3] RAN ZhiHuang.Coupled dynamic analysis of floating structures in waves and currents[D].Texas：Texas A&M University,2000.

[4] 韓志勇，陳建民.海上石油工程[M].東營：中國石油大學(xué)出版社,2005.