基于AQWA的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析及系泊性能計(jì)算分析

陳 鵬，馬 駿，黃進(jìn)浩，李艷青，薛慶雨

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫214082;2大連理工大學(xué)，遼寧 大連116024)

半潛式平臺(tái)因?yàn)榫哂邢鄬?duì)總投資小，甲板空間和甲板可變載荷大，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，適應(yīng)水深范圍廣，作業(yè)功能全面等優(yōu)點(diǎn)，在深水油氣開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。半潛式平臺(tái)長(zhǎng)期處于惡劣的海洋環(huán)境中，為保證平臺(tái)的正常作業(yè)以及自存狀態(tài)的安全性，準(zhǔn)確確定其在海洋環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其系泊纜張力響應(yīng)十分重要。系泊系統(tǒng)定位主要有兩種方式，懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)，目前張緊式系泊系統(tǒng)對(duì)于半潛式平臺(tái)是最常用的系泊方式［1］。隨著水深的增加，系泊纜的質(zhì)量和阻尼對(duì)系泊系統(tǒng)的影響變大，平臺(tái)自身的運(yùn)動(dòng)也進(jìn)一步影響到系泊纜的質(zhì)量和阻尼。因此，考慮平臺(tái)與系泊系統(tǒng)之間的耦合作用更加合理［2-4］。本文結(jié)合AQWA軟件，分析半潛式鉆井平臺(tái)在規(guī)則波中的水動(dòng)力性能，并考慮隨機(jī)波浪及風(fēng)、流載荷的聯(lián)合作用，通過(guò)時(shí)域耦合分析方法研究整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)。

1 半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)及環(huán)境條件

1.1 平臺(tái)參數(shù)及水動(dòng)力模型

以第六代半潛式鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象。該平臺(tái)具有勘探、鉆井、完井與修井作業(yè)等多種功能，最大作業(yè)水深3 000 m，鉆井深度可達(dá)10 000 m。平臺(tái)穩(wěn)性和強(qiáng)度按照南海惡劣海況設(shè)計(jì)，能抵御百年一遇的臺(tái)風(fēng);平臺(tái)具有雙浮體，4個(gè)長(zhǎng)方形立柱將浮體與主甲板連接。平臺(tái)關(guān)于xz，yz平面對(duì)稱，其主要參數(shù)見(jiàn)表1，水動(dòng)力分析模型見(jiàn)圖1。

表1 平臺(tái)的主要參數(shù)

圖1 平臺(tái)水動(dòng)力分析模型

1.2 海洋環(huán)境條件

本文環(huán)境條件采用中國(guó)南海百年一遇海況條件作為系泊系統(tǒng)生存設(shè)計(jì)條件，見(jiàn)表2。

表2 海洋環(huán)境條件

1.3 系泊系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

對(duì)于張緊式系泊系統(tǒng)，根據(jù)API RP 2SM規(guī)范，設(shè)計(jì)每根纜索由鋼鏈、聚酯纜和鋼鏈三部分組成。本文纜索兩端的鋼鏈各取300 m。各部分的具體參數(shù)見(jiàn)表3。蕩和垂蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值。

表3 系泊纜索參數(shù)

初步設(shè)計(jì)中，纜索數(shù)目選擇為8根，纜索對(duì)稱布置，纜繩夾角β=22.5°，纜繩水平角度φ=45°張力傾角α為45°，頂端預(yù)張力3 500 kN，具體纜繩布置和角度定義見(jiàn)圖2。

圖2 系泊纜編號(hào)及布置

根據(jù)以上資料參數(shù)，在AQWA中建立平臺(tái)及系泊系統(tǒng)模型，見(jiàn)圖3。

圖4 平臺(tái)附加質(zhì)量

圖3 半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)計(jì)算模型(AQWA)

圖5 平臺(tái)自由狀態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值

2 水動(dòng)力分析

水動(dòng)力分析主要計(jì)算平臺(tái)在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)和受力響應(yīng)及相關(guān)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如附加質(zhì)量、附加阻尼、波浪力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)(RAOS)，為后續(xù)的時(shí)域耦合分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

附加質(zhì)量以mij表示，m11、m22和m33分別表示縱蕩、橫蕩和垂蕩三個(gè)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的附加質(zhì)量，見(jiàn)圖4。

圖5給出了半潛式平臺(tái)在規(guī)則波中縱蕩、橫

從圖4可以看出，m33＞m22＞m11，由于平臺(tái)的垂向面積大于平臺(tái)的橫向面積，平臺(tái)的橫向面積大于平臺(tái)的縱向面積，因而平臺(tái)的垂蕩附加質(zhì)量最大，縱蕩附加質(zhì)量最小。在高頻和低頻處，附加質(zhì)量比較穩(wěn)定，在0.6 rad/s和1.2 rad/s頻率之間，即在常見(jiàn)的波浪周期內(nèi)，附加質(zhì)量波動(dòng)較大，并出現(xiàn)波峰波谷位置。

從圖5可以判斷該平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的特點(diǎn)，平臺(tái)在高頻區(qū)域內(nèi)(ω≥0.7 rad/s)運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值很小;平臺(tái)的垂蕩固有周期為20.9 s(ω=0.3 rad/s)左右;縱蕩和橫蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化趨勢(shì)一致，這是由平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性所決定。

3 時(shí)域耦合分析

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于半潛式平臺(tái)，當(dāng)風(fēng)、浪、流同向時(shí)將對(duì)系泊系統(tǒng)上產(chǎn)生最大的力。因此，本文計(jì)算假定風(fēng)、浪、流作用在同一方向上，再分別以與坐標(biāo)成0°、15°、35°、45°、60°、75°、90°共7個(gè)方向進(jìn)行計(jì)算，其中規(guī)定0°為船艉指向船艏，90°為右舷指向左舷，見(jiàn)圖2。

對(duì)于半潛平臺(tái)而言，工作海域百年一遇海況下的最大水平位移需要控制在6%的水深范圍內(nèi)，根據(jù)API RP 2SK設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于完好的系泊系統(tǒng)使用動(dòng)力分析計(jì)算時(shí)，系泊纜最大張力的安全系數(shù)取1.67。上述安全系數(shù)指系泊纜斷裂強(qiáng)度與所受最大張力之比，偏移量指系泊纜最大水平偏移與水深之比。對(duì)于1.3初步設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)參數(shù)，以自存工況進(jìn)行7個(gè)方向的時(shí)域耦合分析，模擬計(jì)算時(shí)間為3 h，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 張緊式系泊初步方案計(jì)算結(jié)果

由表4可見(jiàn)，按照1.3的初步設(shè)計(jì)方案，系泊纜張力安全系數(shù)略小于1.67，平臺(tái)偏移量超過(guò)自存工況允許水深的6.0%，因而該方案還需改進(jìn)優(yōu)化。當(dāng)環(huán)境力方向?yàn)?0°時(shí)，平臺(tái)的系泊纜張力和水平偏移最大，其原因是:在60°環(huán)境力方向上，平臺(tái)的受風(fēng)面積和受流面積都達(dá)到最大值，受到很大的環(huán)境載荷;平臺(tái)的的環(huán)境力主要由該方向上的NO.3系泊纜分擔(dān)，系泊剛度相對(duì)較弱。平臺(tái)在60°環(huán)境力作用下的NO.3系泊纜張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)具有明顯的低頻運(yùn)動(dòng)特性，而垂蕩則表現(xiàn)為波頻運(yùn)動(dòng)特性。

4 結(jié)論

1)本文方法能夠得到合理的響應(yīng)結(jié)果，可用于系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。

2)半潛式平臺(tái)在波浪高頻區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值很小?？v蕩和橫蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化趨勢(shì)一致，這是由平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性決定的。該方法可以初步預(yù)報(bào)半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能，為平臺(tái)型線設(shè)計(jì)提供參考。

圖6 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力時(shí)間歷程

3)平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)具有明顯的低頻運(yùn)動(dòng)特性，而垂蕩則表現(xiàn)為波頻運(yùn)動(dòng)特性。當(dāng)環(huán)境力方向在60°附近時(shí)，平臺(tái)的系泊纜張力和水平偏移最大，因而在系泊方案設(shè)計(jì)中需要引起重視。

［1］韓 凌，杜 勤.深水半潛式鉆井平臺(tái)錨泊系統(tǒng)技術(shù)概述［J］.船海工程，2007，36(3):82-86.

［2］童 波，楊建民，李 欣.深水半潛平臺(tái)懸鏈線式系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力分析［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2008，23(6):1-7.

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［4］MA W，LEE M Y，ZOU J，et al，Deepwater nonlinear coupled analysis tool［C］∥OTC 12085，2000.