張力腿平臺拖航阻力分析及試驗研究

王火平， 張廣磊， 高靜坤， 楊小龍， 劉旭平

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

張力腿平臺拖航阻力分析及試驗研究

王火平1， 張廣磊2， 高靜坤2， 楊小龍2， 劉旭平2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

以流花16-2 張力腿平臺工程前端設計方案為例，TLP平臺拖航具有浮體結構形式特殊、深吃水拖航、拖航距離長等特點，對其拖航阻力計算分別采用規(guī)范經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬方法和風洞試驗方法進行了對比分析，為平臺拖航確定合適的拖帶船只提供了準確依據(jù)，并得出對于張力腿平臺拖航阻力預報宜采用數(shù)值模擬分析方法的結論。研究結果可為南海今后TLP平臺拖航方案設計提供參考。

張力腿平臺； 拖航阻力； 規(guī)范經(jīng)驗公式； 數(shù)值模擬； 風洞試驗

0 引言

張力腿平臺(tension leg platform，TLP)是目前世界上應用較廣泛的深水開發(fā)浮式裝備之一，一般作為永久式生產(chǎn)平臺使用，目前應用水深最深為1 580 m，最淺為147 m。近年來，隨著我國南海深水油氣開發(fā)的逐步深入，中海油2015年首次以流花區(qū)域油田群為目標完成了張力腿平臺技術應用研究工作，為建成我國首座深水張力腿平臺邁出了實質(zhì)性的一步。

該文以流花16-2張力腿平臺工程前端設計方案為例，此平臺擬在我國北方某船廠建造合攏后以整體濕拖方式拖帶至流花16-2油田與預安裝的張力腿系統(tǒng)進行最后連接，拖航距離約1 300海里(1海里=1.85 千米)。該平臺拖航具有浮體結構形式特殊、拖航距離長、深吃水拖航等特點，為了確保長距離的拖航作業(yè)安全，需要準確確定張力腿平臺在拖航過程中受到的阻力，為選擇合適的拖帶船只提供依據(jù)。

1 流花16-2張力腿平臺主尺度

流花16-2張力腿平臺主要由上部組塊、鉆井模塊、船體、張力腿及樁基系統(tǒng)、頂張式立管系統(tǒng)等組成，如圖1所示，流花16-2張力腿平臺主尺度見表1，其中船體采用傳統(tǒng)型TLP結構形式，具有自由漂浮穩(wěn)性，主要包括4個垂直的圓形立柱和4個首尾連接的方形浮箱，張力腿頂部則直接連接于船體底部的支撐錨固結構。

圖1 流花16-2張力腿平臺示意圖

表1 流花16-2張力腿平臺主尺度

2 流花16-2張力腿平臺拖航阻力分析

大型海洋結構物的拖航阻力計算通?？梢圆捎靡?guī)范經(jīng)驗公式或數(shù)值模擬計算方法，并通過試驗作進一步驗證[1]。下面對各種計算方法進行說明，并對計算結果進行對比分析。

2.1 規(guī)范公式計算

(1) 中國船級社(CCS)規(guī)范計算

根據(jù)CCS的《海上拖航指南》推薦的阻力估算方法，對于受風面積特別龐大的TLP，其拖航阻力應按下式計算[2]：

式中：Rf為被拖船的摩擦阻力；RB為被拖船的剩余阻力；A1為船舶或水上建筑物的水下濕表面積，m2；V為拖航速度，m/s；δ為方形系數(shù)；A2為浸水部分的船中橫剖面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3，按1.22 kg/m3計算；V為風速，m/s，取20.6 m/s； Ai為受風面積，m2，按頂風計算； Cs為受風面積Ai的形狀系數(shù)，按本指南所列數(shù)值選取。

其中：濕表面A1如無詳細資料，可按如下方法求得：

正常船舶：

運輸駁船、首尾有線性變化的箱型船：

沒有任何載重線型變化的箱型船及水下結構：

式中：L，B，d分別為船長、船寬和拖航吃水，m；δ為方形系數(shù)。

(2) 英國規(guī)范的經(jīng)驗公式計算

參照英國OPL出版社出版的油田海船第四卷《Towing》一書，其推薦了拖航阻力的估算方法，介紹如下：

(a) 摩擦阻力估算方法：

除了考慮被拖物在水中的濕表面積A1和拖航速度外，還引入了船舶污底系數(shù)F1，比較客觀地反映了船體水下濕表面的真實情況。對被拖物濕表面生長有不同海生物的情況進行分類，選擇合適系數(shù)，估算得到的摩擦阻力和實際比較吻合。被拖物污底系數(shù)F1的取值，見表2。

表2 被拖物污底系數(shù)

(b) 剩余阻力估算方法

式中:A2為船中橫剖面積；V為航速；F2為被拖物艏部形狀系數(shù)，形狀系數(shù)的選取如圖2所示。

圖2 被拖物艏部系數(shù)F2

(c) 空氣阻力估算方法

式中：VW為風速；V為航速；Cs為受風面積形狀系數(shù)；Ai為受風面積；CH為高度系數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬計算

使用WINDOS軟件進行拖航阻力的計算，該軟件是用來計算海洋工程結構物風載荷和流載荷的一款常用軟件，其計算方法是船級社風載荷和流載荷計算公式和模型試驗的經(jīng)驗系數(shù)相結合預報風載荷和流載荷。WINDOS程序通過建立模型和參數(shù)輸入預報TLP水下浮體結構風力和流力，WINDOS模型如圖3所示。

圖3 WINDOS計算模型

2.3 拖航阻力風洞試驗

使用1∶150的模型進行風洞模型試驗，試驗包括水上部分的風力計算和水下部分的流力計算，圖4、圖5是模型試驗使用的模型圖。

圖4 風洞試驗水上部分模型

圖5 風洞試驗水下部分模型

2.4 計算結果對比

列出了上文提出的四種方法的計算結果，四種算法中實際環(huán)境條件中的流速為0，流載荷的產(chǎn)生是由于航速引起的，風速則是按照CCS中的20.6 m/s進行計算風力。Rc為流力，在規(guī)范中分成了摩擦阻力和剩余阻力；CCS規(guī)范中的Ra為風力，方便和其他方法計算的風力進行對比，用Rw表示。在Towing的計算中，污底系數(shù)取值為0.5，形狀系數(shù)取值為1。四種方法的計算結果如見表3、表4，在圖6中分別對比了風力、流力和總的阻力。

表3 規(guī)范計算結果

表4 數(shù)值分析和風洞試驗計算結果

圖6 不同計算方式下拖航速度-載荷對比圖

通過表3、表4和圖6對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值分析和風洞試驗的結果比較接近，在總阻力對比的圖形中只有CCS的總阻力和其他三種方式的計算結果差距較大，主要原因是由于CCS的流載荷計算結果偏差太大所導致。下面對CCS的流載荷偏差的原因進行分析。

規(guī)范中流載荷包括有摩擦阻力和剩余阻力，參考Towing中關于摩擦阻力和剩余阻力的計算公式，兩者分別和被拖物的污底系數(shù)和形狀系數(shù)相關。若按照Towing的規(guī)范公式計算，污底系數(shù)和形狀系數(shù)取的越小越接近CCS公式計算的結果，可以簡單推測CCS的計算公式適合計算被拖物濕表面干凈且艏部更接近船型的結構物。

拖航阻力計算的目的是為了拖輪的選型，現(xiàn)有規(guī)范中對拖輪的選型主要從兩個方面考慮[3]：

(1) 在以下環(huán)境條件下應確保拖帶航行穩(wěn)定，一般以作用在同一方向的下列氣象與海況環(huán)境條件進行衡定：風速20 m/s；有義波高5 m；流速0.5 m/s。

(2) 拖船在靜水中拖航速度一般應滿足如下要求：自升式鉆井平臺及其他水上建筑不小于4 kn。

張力腿平臺可歸為其他水上建筑，按照上面的兩個要求進行計算，選擇結果較大的作為拖輪選型的依據(jù)。以此次的張力腿平臺拖航為例，按照數(shù)值分析進行計算，計算結果見表5。

表5 實例計算結果

拖輪需要同時滿足上面的兩個要求，即拖輪的選型需要滿足372 t的拖航阻力的要求。

3 結論

通過以上對不同方法計算張力腿平臺航阻力的對比分析，其主要結論如下：

(1) 對張力腿平臺的拖航阻力，用規(guī)范的經(jīng)驗公式計算出來的結果與試驗結果有較大偏差，主要是其下浮體的結構型式與具有流線型的船舶、半潛式鉆井平臺等不同，導致剩余阻力很大。

(2) 對于張力腿平臺的拖航阻力，建議采用較為先進的數(shù)值模擬分析方法，并采用風洞試驗作進一步驗證，才能為選擇合適的拖帶船只提供準確的依據(jù)，并確保平臺拖航作業(yè)安全。

[1] GL Nobel Denton.Guidelines for Marine Transportations: 0030/ND[S]. 2013.

[2] 中國船級社.海上拖航指南[M]. 2011.

[3] 沈浦根.談拖航阻力的估算[M]. 航海技術, 2011(5):9-12.

TLP Towing Force Analysis and Test Study

WANG Huo-ping1, ZHANG Guang-lei2, GAO Jing-kun2, YANG Xiao-long2, LIU Xu-ping2

(1.CNOOC China Ltd Shenzhen Branch, Guangdong Shenzhen 518067, China; 2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianiin 300451, China)

Take Liuhua 16-2 TLP FEED design as example, the TLP towing design are with features such as unique hull configuration with square pontoon, deep towing draft, long towing distance. A comparison and analysis of the TLP towing forces is performed with code formula, numerical simulation and wind tunnel test respectively to provide accurate basis for proper TLP towing tug selection, and it can be concluded that the TLP towing force prediction of the floating installation is more credible. This study results can be used as reference for future TLP towing design in the South China Sea.

TLP; towing force； code formula； numerical simulation； wind tunnel test

1001-4500(2016)06-0078-06

2016-01-12

王火平(1980-)，男，工程師。

P75

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