基于AQWA的新型半潛式海洋鉆井平臺水動力特性研究

李秀娟， 高　澤， 張可可， 唐文獻

(江蘇科技大學， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于AQWA的新型半潛式海洋鉆井平臺水動力特性研究

李秀娟， 高澤， 張可可， 唐文獻

(江蘇科技大學， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：首先，該文針對現役深水半潛式平臺在風浪流中產生的升沉誤差進行最優(yōu)補償，并依據規(guī)范設計了一種新型半潛式平臺基本結構，建立三維水動力模型；其次，利用AQWA軟件對目標平臺進行頻域下的水動力分析，得到平臺的運動響應數據；最后，根據規(guī)范設計了一種新型半潛式平臺的錨泊系統(tǒng)，對平臺與錨泊系統(tǒng)進行時域耦合分析，為目標平臺的控制提供精確預報，保證實時穩(wěn)定性，調高作業(yè)人員舒適度。

關鍵詞：新型半潛式平臺；AQWA；水動力分析；時域分析

0引言

“海洋石油981”在南海的成功應用標志著我國海洋石油工業(yè)的深水戰(zhàn)略邁出了實質性的一步?；趯υ偷男枨笠约皣业膽?zhàn)略規(guī)劃，未來幾年，我國將大力發(fā)展海洋工程裝備，特別是深海石油勘探、鉆采裝備。然而，與歐美國家相比，我國仍處于海洋工程裝備制造的第三陣營，核心設備依賴進口，配套率低于30%，這也促使我國更加努力地發(fā)展海洋工程裝備。半潛式海洋平臺是一種海上鉆井平臺，抗風能力強，作業(yè)水深廣，廣泛應用于世界各地深海油氣的勘探與開采?，F役半潛式平臺的控制方法主要是利用平臺的錨泊系統(tǒng)達到平臺的穩(wěn)定，尤其是平臺絞車對系泊纜繩進行收放。但是，現役平臺穩(wěn)定性的控制方法耗時長，成本高，不能達到平臺的實時穩(wěn)定性，在深海等復雜條件下，現役平臺受升沉運動影響較大，故設計一種能夠重點補償由于風浪流產生的升沉誤差的新型半潛式平臺尤為重要。

目前，很多學者已經對海洋結構物的穩(wěn)定性進行了研究。何堃等以某自升式鉆井平臺為例，采用三維勢流理論和Morison公式，運用SESAM軟件建立精細模型，在頻域內計算了結構的波浪載荷，得到運動響應的傳遞函數，并對平臺運動響應進行了短期統(tǒng)計預報，確定了平臺可能發(fā)生觸底的樁腿下放高度及海洋環(huán)境參數[1]。Soy lemez和Atlar通過數值模擬與試驗結果的對比分析，發(fā)現在主要頻率范圍內二者符合良好[2]。Clauss等考慮非線性波浪情況，證明時域計算結果與試驗結果有更好的吻合特性[3]。

AQWA是計算三維流體動力學的重要工具，廣泛應用于船舶海洋結構的流體動力學性能評估及分析[4]。吳瀾等針對深水半潛式平臺，建立了三維水動力模型，使用AQWA軟件進行數值模擬，研究了水動力系數變化特征并進行了運動響應預報[5]。許津豪等以某自升式鉆井平臺的系泊定位系統(tǒng)為例，應用ANSYS軟件中的水動力模塊，進行了數值模擬和分析，研究了在給定的風、浪、流聯合載荷的極端工況作用下，平臺和系泊纜繩耦合狀態(tài)下的時域運動響應分析，得到了系泊纜繩的系泊力以及平臺位移的時歷曲線[6]。

該文以新型半潛式海洋鉆井平臺為對象，運用AQWA軟件對目標平臺進行頻域下的水動力分析與錨泊系統(tǒng)的時域耦合分析，利用分析結果，實現平臺的實時穩(wěn)定性。

1新型半潛式平臺三維模型設計

圖1　新型半潛式平臺三維模型

半潛式平臺在深海鉆井作業(yè)過程中，平臺的鉆頭設備必須始終接觸井底，否則會造成油氣泄漏等海洋安全事故，所以必須對風浪流作用產生的升沉落差進行補償，目前主要采用天車補償、游車補償以及絞車補償等方法。這些方法的本質是通過氣動彈簧的充放氣來補償，屬于隨動補償或半主動補償。它們有如下缺點：(1) 補償精度低，滯后較大，補償性能不穩(wěn)定；(2) 只解決了鉆頭的補償問題，而沒有解決上平臺的穩(wěn)定問題。在現有半潛式平臺的基礎上，將平臺的剛性立柱斷開，采用液壓缸連接，提高整個系統(tǒng)的柔性。新型半潛式平臺主要由上平臺、液壓缸及下船體構成，上平臺通過銷軸與液壓缸連接，下船體通過剛性立柱與液壓缸采用球鉸連接，將傳統(tǒng)的四立柱改為六立柱結構，建立三維模型，如圖1所示。

2新型半潛式平臺的數值模型

新型半潛式平臺作業(yè)水深為3 500 m,由雙浮體、六立柱、箱型封閉式上平臺構成。三維模型完成后，導入ANSYS/Workbench的衍射分析模塊構建目標平臺的數值模型，如圖2所示，目標平臺幾何參數見表1。

圖2　目標平臺數值模型

部位參數/m部位參數/m總長114立柱高11總寬80立柱截面16×16總高112可調立柱直徑5浮體長度114立柱縱、橫向間距36×14浮體寬度20甲板長80浮體高度8.5甲板寬68兩浮體間距40甲板高8.5

3新型半潛式平臺的水動力響應分析

通過ANSYS/Workbench的衍射分析得到目標平臺的運動響應(RAO)，如圖3所示。在波浪方向為X軸正向、頻率0.264 Hz、波浪幅值2 m時，目標平臺的最大位移為6.794 2 m，出現于平臺迎浪方向的波峰處，平臺整體的位移略小，平臺背向波浪方向的波浪比較平靜。

圖3　目標平臺運動響應

圖4所示為目標平臺的波浪應力云圖，可知平臺受到的最大波浪應力為6.794 2 N/m2，作用在平臺與海平面相交處。該應力云圖可為平臺結構設計與強度校核提供數據支持，由此分析結果可知平臺的強度滿足設計要求。

圖4　目標平臺波浪應力云圖

通常海洋平臺要進行氣隙設計，氣隙值取決于平臺垂向運動特性與最大設計波高的疊加，目標平臺的氣隙云圖如圖5所示，平臺最大高度位于海平面以上51.566 m，最低點位于海平面以下9.486 m。

圖5　目標平臺氣隙云圖

4錨泊系統(tǒng)設計

該文采用張緊式定位系統(tǒng)，研究系統(tǒng)在風、浪、流綜合作用下的水動力響應。將系泊纜自身的慣性特性以及系泊纜所受到的各項流體力(流體法向、切向阻力、流體附加質量力等)計入模型的影響因素，根據海洋平臺相關規(guī)范，對新型半潛式海洋鉆井平臺施加風、浪、流等環(huán)境載荷譜，并充分考慮系泊纜之間的相互耦合作用，建立深水錨泊系統(tǒng)的動力學模型。

4.1系泊纜的布置

以工作水深3 500 m的新型半潛式海洋鉆井平臺為基礎，設計錨泊系統(tǒng)并建立目標平臺的水動力模型,如圖6所示。該文根據API-RP-2SK“浮式結構定位系統(tǒng)的設計與分析規(guī)范”、DNV-OS-E301“系泊定位規(guī)范等設計錨泊系統(tǒng)”，采用4纜系泊，系泊纜的布置信息見表2，圖7為4根系泊纜的布置示意圖，其中兩兩系泊纜間的夾角為90°。

表2　系泊纜的布置信息

圖6　水動力模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　系泊纜布置示意圖

4.2系泊纜材料屬性

該文選用的系泊纜采用組合錨索，分為上下兩段，全長3 600 m，材料為鋼絲纜繩，表3為系泊纜各段材料屬性，取附加質量系數和橫向拖拽力系數為1。

表3　系泊纜配置及材料屬性

5海洋環(huán)境載荷

新型半潛式平臺所受的載荷以及載荷的產生因素見表4。

表4　載荷的組成

目標平臺所受的環(huán)境條件及作業(yè)參數見表5。

表5　環(huán)境條件及參數

6新型半潛式平臺重心垂蕩方向運動分析

充分考慮風、浪、流等環(huán)境載荷的綜合作用和波譜的影響[9]，對平臺進行了耦合時域分析(含系泊纜)，模擬時間為1 000 s，步長為0.01 s，通過運算求出了平臺在垂蕩方向各項水動力參數，其中包括重心位置隨時間的變化規(guī)律，重心加速度隨時間的變化規(guī)律，重心隨速度隨時間的變化規(guī)律。

6.1平臺垂蕩方向重心位置分析

由于現役半潛式海洋平臺在風、浪、流載荷的作用下其它方向的位移變化較小，所以應重點研究垂蕩方向的位移變化，其中以平臺在靜水中的重心位置為基準。圖8為船體在垂蕩方向重心的時間歷程位移曲線，根據計算結果可知，重心的最高垂蕩方向位移高于重心基準8.711 m，最低垂蕩方向位移低于重心基準-16.51 m。

6.2平臺垂蕩方向重心速度分析

新型半潛式平臺垂蕩方向的速度和加速度是影響平臺的穩(wěn)定性和工作人員舒適性的決定因素，所以研究目標平臺垂蕩方向的重心速度與加速度，以及垂蕩方向基于目標平臺運動響應的速度與加速度尤為重要。圖9為船體垂蕩方向上重心時間歷程速度曲線，計算結果顯示，平臺在垂蕩方向的速度最大值約為7.375 m/s。

圖8　平臺重心的時間歷程位移曲線(垂蕩方向)

圖9　船體重心時間歷程速度曲線(垂蕩方向)

6.3平臺垂蕩方向重心加速度分析

加速度也是影響半潛式平臺穩(wěn)定性的一個重要因素，圖10為船體重心時間歷程加速度曲線。根據計算結果可知，平臺垂蕩方向加速度的最大值約為5.441 m/s2。

圖10　船體重心時間歷程加速度曲線(垂蕩方向)

7結論

(1) 依據現役半潛式平臺，并參照規(guī)范，設計了一種可調立柱半潛式平臺，該平臺系統(tǒng)具有良好的柔性，實現了平臺的主動補償，減小了因風浪而產生的垂蕩影響，保障深海鉆井作業(yè)過程中鉆頭與井底的恒定接觸。

(2) 建立目標平臺數值模型，根據三維勢流理論，運用頻域和與定位系統(tǒng)時域耦合的分析方法，得到目標平臺重心在垂蕩方向的位移、速度、加速度的最值，利用計算結果，對可調式立柱(液壓系統(tǒng))進行控制，補償升沉誤差，減少上平臺的動態(tài)效應，提高平臺的生產作業(yè)能力和作業(yè)人員舒適度。

參考文獻

[1]何堃. 自升式鉆井平臺就位過程樁腿觸底分析[J]. 中國海洋平臺，2012，27(2):41-42.

[2]Soyl M A .Comparative Study of Two Practical Methods for Estimating the Hydrodynamic Loads and Motions of a Semi-Submersible[J].Journal of Offshore Mechanics and ArcticEnginecring,2000,122(5):57-65.

[3]Clauss G F,Schmittner C E,Stutz K.Freak Wave impact on Semisubmersibles Time-domainAnalysis of Motions and Forces[C].Proceedings of the Thirteenth International Offshore and Polar Engineering Conference,2003.

[4]胡毅，胡紫劍，劉元丹,等.基于AQWA的大型LNG船碼頭系泊分析[J].艦船科學與技術，2012，34(2):70-73.

[5]吳瀾. 基于AQWA的半潛式平臺水動力特性研究[J].中國海洋平臺，2014，29(5)：29-30.

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[7]中國船級社. 海上移動平臺入級與建造規(guī)范[S]. 2012.

[8]美國石油學會. 浮式結構定位系統(tǒng)的設計與分析規(guī)范[S]. 1996.

[9]陳矗立.深海浮式結構物及其錨泊系統(tǒng)的動力特性研究[D].上海：上海交通大學,2007.

A Study on the Hydrodynamic Characteristics of a New

Semi-submersible Based on AQWA

LI Xiu-juan, GAO Ze, ZHANG Ke-ke, TANG Wen-xian

(Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

Abstract：Firstly, in order to make the compensation for the active deepwater semi-submersible platform, which produce heave error in the deep flow and storms. A new type of semi-submersible platform is designed and the three-dimensional hydrodynamic model is made; Secondly, the water dynamic analysis of the target platform is carried out in the frequency domain depending on the AQWA, and the motion response of the platform is obtained; Finally, according to the code for design of a new type of semi submersible platform mooring system, on the platform and mooring system are time domain coupled analysis, providing a precise prediction for the control of the target platform to ensure real-time stability, and to improve operators’ comfort.

Keywords：new semi-submersible platform; AQWA; hydrodynamic analysis; time- domain analysis

中圖分類號:P75

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2015)06-0091-08

作者簡介：李秀娟(1994-)，女，助理工程師。

收稿日期：2015-07-21