推進器輔助錨泊模式下半潛式平臺錨地抗臺風(fēng)能力分析

余承龍 孫 青 董鐵軍 吳義濤 周健偉 劉君偉

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300459； 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 廣東湛江 524057;3. 深圳中海油服深水技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

推進器輔助錨泊模式下半潛式平臺錨地抗臺風(fēng)能力分析

余承龍1孫 青1董鐵軍2吳義濤1周健偉1劉君偉3

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部 天津 300459； 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部 廣東湛江 524057;3. 深圳中海油服深水技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067)

針對半潛式鉆井平臺在錨地防臺風(fēng)這一特定工況，選取我國南海港外錨地典型海洋環(huán)境條件，采用錨泊分析配合平均載荷縮減法，并考慮動力定位系統(tǒng)推進器性能的影響，建立了平臺-錨泊系統(tǒng)耦合時域動態(tài)分析模型，分析了半潛式鉆井平臺在淺水海域惡劣海況條件下有無動力定位系統(tǒng)輔助時的錨泊狀態(tài)，并依據(jù)API RP 2SK規(guī)范對其綜合抗臺風(fēng)能力進行了評價與分析，結(jié)果表明推進器輔助錨泊模式可以有效改善錨泊系統(tǒng)受力狀況，并顯著增強平臺綜合抗臺風(fēng)能力。本文研究方法及結(jié)論可為同時具備錨泊及動力定位系統(tǒng)的浮式結(jié)構(gòu)物在抗臺風(fēng)時的工程設(shè)計及實際作業(yè)提供參考。

半潛式平臺；推進器輔助錨泊；南海港外錨地；抗臺風(fēng)能力；錨泊分析；平均載荷縮減法

由于受到地理位置、地形環(huán)境、水文格局以及季風(fēng)環(huán)流等影響，中國南海熱帶氣旋頻發(fā)且變化多端，生成發(fā)展迅速，難以預(yù)測，嚴重影響海洋工程作業(yè)安全[1-4]。半潛式鉆井平臺在該海域錨地防臺風(fēng)過程中，若遭受的海況較為惡劣，極易因錨泊能力不足而發(fā)生走錨[5]，甚至于出現(xiàn)擱淺、碰撞等嚴重安全事故。目前深水半潛式鉆井平臺基本都配備動力定位(Dynamic Positioning,DP)系統(tǒng)[6]，因此，半潛式鉆井平臺在錨地防臺設(shè)計時不僅要考慮其錨泊系統(tǒng)的定位能力，還要綜合考慮DP系統(tǒng)輔助動力定位時的最大抗臺風(fēng)能力，從而確定最佳防臺風(fēng)應(yīng)急措施。由于推進器輔助錨泊(Thruster Assisted Mooring,TAM)工作模式較為復(fù)雜，國內(nèi)外只有少量的理論和試驗研究，且主要針對半潛式鉆井平臺在1500～3000 m深水海域以錨泊輔助動力定位工作模式，主要探討其分析方法、失效模式、布置方式、控制策略以及設(shè)計方法等[7-14]，雖然也有相對成熟的產(chǎn)品應(yīng)用方案[15]，但其解決現(xiàn)場能力不足，實際生產(chǎn)應(yīng)用較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對半潛式鉆井平臺在錨地防臺風(fēng)這一特定工況，考慮我國南海港外錨地典型海洋環(huán)境條件，采用平均載荷縮減法配合動力學(xué)分析，得到了同時具備錨泊與DP系統(tǒng)的半潛式平臺在抗臺風(fēng)時的綜合定位能力，從而為其在錨地防臺方案設(shè)計及實際作業(yè)中提供參考依據(jù)。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及幾何模型

1.1 平臺主體數(shù)據(jù)

本次分析所采用的半潛式鉆井平臺模型總長度為114.07 m，總體寬度為78.68 m，重心高度(距離龍骨基線)為25.20 m，橫搖回轉(zhuǎn)半徑33.30 m，縱搖回轉(zhuǎn)半徑32.40 m，艏搖回轉(zhuǎn)半徑35.00 m。2個下部浮體尺寸均為117.04 m×20.12 m×8.54 m，4根立柱高17.39 m、頂部和底部寬度為15.86 m、中部寬度17.39 m，其中心縱向和橫向間距均為58.56 m，上部甲板尺寸為77.47 m×74.42 m×8.60 m。平臺生存吃水16.00 m，排水量為4.81×107kg。

1.2 錨泊及推進器配置

平臺配備84 mm R5級錨鏈主輔各4根，其干重為1.52×103kg/m，濕重為1.31×103kg/m，最小破斷力為8.42×103kN，拉伸剛度為7.13×105kN。錨爪采用的是Stevpris MK5型錨，質(zhì)量為1.5×104kg，其極限錨固能力可根據(jù)Vryhof Anchor B.V.公司所提供的試驗結(jié)果查詢[16]。錨泊系統(tǒng)布置如圖1所示，其中錨鏈頂部預(yù)張力為686 kN。DP系統(tǒng)采用8臺全回轉(zhuǎn)推進器，每臺推進器在靜水中最大系樁拉力為784 kN，其布置方式如圖2所示。

圖1 某半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)布置示意圖Fig .1 Mooring configuration of one semi-submersible drilling platform

圖2 某半潛式鉆井平臺推進器分布示意圖Fig .2 Thruster arrangement of one semi-submersible drilling platform

錨泊系統(tǒng)及推進器系統(tǒng)最終布置方案如表1所示。其中錨泊線方位角為錨鏈與平臺艏向之間順時針方向上的夾角，錨泊半徑為錨爪與導(dǎo)纜器之間的水平距離，出鏈長度為錨鏈從主甲板到錨爪之間的長度。預(yù)張緊力為686.42 kN。

表1 某半潛式鉆井平臺錨泊及推進器布置情況Table 1 Thruster assisted mooring configuration of one semi-submersible drilling platform

1.3 推進器性能

DP系統(tǒng)推進器效率與推進器類型、布置方式、來流速度以及旋轉(zhuǎn)方向等相關(guān)，并且推進器之間以及推進器與船體之間還存在相互干擾；此外，DP系統(tǒng)推進器在錨地淺水區(qū)域作業(yè)時，還會因淺水效應(yīng)而存在一定的推力減額。推進器敞水性能曲線如圖3所示，推進器在不同旋轉(zhuǎn)方向(推力方向與船艏向順時針的夾角)上的效率如圖4所示。

圖3 某半潛式鉆井平臺推進器敞水性能曲線Fig .3 One semi-submersible drilling platform propeller performance curve vs. inflow velocity

圖4 某半潛式鉆井平臺推進器在不同旋轉(zhuǎn)方向上的效率Fig .4 One semi-submersible drilling platform thruster efficiency vs.different thruster headings

1.4 環(huán)境條件

港外錨地平均水深30 m，海床平坦，底質(zhì)以淤泥質(zhì)為主，表層海流最大流速0.77 m/s，考慮7級以上的風(fēng)力載荷[17]。淺水海域臺風(fēng)波浪計算較為復(fù)雜，本文采用文獻[18]根據(jù)部分統(tǒng)計資料所得到的經(jīng)驗公式來計算錨地處臺風(fēng)所對應(yīng)的波浪，并采用JONSWAP譜進行模擬[19]。

2 理論模型

2.1 時域動態(tài)分析模型

半潛式鉆井平臺及其錨泊系統(tǒng)總體運動方程為[20]

(1)

式(1)中:M、Ma分別為平臺質(zhì)量矩陣及附加質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為平臺系泊剛度矩陣；Fm、Ft、Fw分別表示靜態(tài)載荷(或平均載荷，包括推進器推力)矩陣、低頻載荷矩陣及波頻載荷矩陣；x表示系統(tǒng)在t時刻的響應(yīng)。

平臺的波頻運動由RAO(幅值響應(yīng)算子)定義

(2)

式(2)中:X為平臺響應(yīng)(縱蕩、橫蕩、垂蕩3個自由度方向上的位移以及橫搖、縱搖、艏搖3個自由度方向上的轉(zhuǎn)角);R為RAO幅值;A為波浪幅值;ω為波浪頻率;φ為RAO相位;t為時間。

平臺所受風(fēng)力和海流力采用OCIMF公式計算

(3)

(4)

(5)

式(3)～(5)中:Fx、Fy分別為縱蕩、橫蕩方向受力；Mxy為繞垂向軸的艏搖力矩；Ax、Ay、Axy分別為縱蕩、橫蕩方向上受力面積及艏搖面積矩;Cx、Cy、Cxy分別為平臺縱蕩、橫蕩方向上受力系數(shù)及艏搖力矩系數(shù);ρ為海水或空氣密度;V為海流流速或風(fēng)速。

海流對錨鏈的作用力采用Morison方程計算，其拖曳力系數(shù)取2.4，慣性力系數(shù)取2.0。海床與觸地鏈之間的摩擦力采用庫倫摩擦計算，摩擦力系數(shù)取0.5[21]。

2.2 推進器有效推力計算

平臺DP系統(tǒng)所提供的推力由8臺推進器共同作用而組成，主要用于抵消穩(wěn)態(tài)荷載，其有效推力及力矩計算公式為

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中:FTx、FTy、MT分別為縱蕩、橫蕩方向上的合推力及傾覆力矩；β為推進器性能修正系數(shù)；Fi為推進器系樁拉力；α為推力方向；n為推進器數(shù)目；i為推進器編號，i=1,2,3,…,8;l為推進器與平臺穩(wěn)心之間的垂向距離。

2.3 分析方法及校核準則

假設(shè)半潛式鉆井平臺錨地抗臺風(fēng)期間其錨泊系統(tǒng)及DP系統(tǒng)均完好無損，保持平臺艏向不變，時域動態(tài)模擬過程中風(fēng)、浪、流同向，推進器推力方向與之相反。

平臺抗臺風(fēng)能力最終由其錨泊系統(tǒng)的錨鏈張力安全因子FOS(Factor of Safety)、錨爪錨固能力FOS以及觸地鏈長度共同確定。API RP 2SK[8]要求錨鏈張力FOS≥1.67、錨爪錨固能力FOS≥0.80，且工程中要求大抓力錨不允許承受垂向載荷，即認為觸地鏈長度須大于零。推進器輔助錨泊系統(tǒng)抗臺風(fēng)能力校核準則也與此一致[9]，低于極限值即認為發(fā)生定位失效。另外，由于臺風(fēng)路徑復(fù)雜多變，可能發(fā)生順流、轉(zhuǎn)向、原地打轉(zhuǎn)停滯、擺動、回旋跳躍等運動，無法根據(jù)臺風(fēng)來向布置平臺艏向，因此認為平臺實際抵抗臺風(fēng)能力為其定位能力最弱方向的值。

3 錨地抗臺風(fēng)能力分析

3.1 不考慮推進器輔助作用

不考慮DP系統(tǒng)，只有平臺錨泊系統(tǒng)單獨作用時，該半潛式鉆井平臺在不同環(huán)境載荷方向下的抵抗臺風(fēng)能力如圖5所示。由圖5a可知，該平臺錨泊系統(tǒng)錨鏈張力FOS在13級臺風(fēng)下部分方向已經(jīng)低于其極限值，即可認為發(fā)生失效；而圖5b、c中顯示錨爪錨固能力FOS及觸地鏈長度在13級臺風(fēng)下各方向均大于其極限值，超過14級臺風(fēng)時才部分發(fā)生失效。由于平臺的抗臺風(fēng)能力由錨泊系統(tǒng)最薄弱部分決定，因此認為該錨泊配置下的平臺所能抵抗的最大臺風(fēng)等級不超過12級。

通過上述分析可知,該配置下的平臺錨泊系統(tǒng)最薄弱部分為錨鏈，在惡劣海況條件下平臺錨泊系統(tǒng)的錨鏈最先發(fā)生失效，因此推進器輔助錨泊分析只需校核錨鏈張力FOS即可確定平臺綜合抵抗臺風(fēng)的能力。

圖5 某半潛式鉆井平臺在不同環(huán)境載荷方向下 抵抗臺風(fēng)的能力Fig .5 Anti-typhoon capacity of semi-submersible drilling platform in different environmental heading

3.2 考慮推進器輔助作用

3.2.1 推進器許用推力

通常認為相對水深(水深與船體吃水之比)小于3時，須考慮淺水效應(yīng)的影響[22]。該處錨地相對水深為1.88，淺水效應(yīng)影響比較顯著，依據(jù)楊鹽生[23]所提出的修正公式，可以計算得出DP系統(tǒng)推進器推力減額系數(shù)約為9%。

根據(jù)推進器性能以及在各方向的效率，并結(jié)合錨地淺水效應(yīng)，最終計算得到DP系統(tǒng)在各方向上的許用推力如圖6所示，可見該配置下的DP系統(tǒng)在橫浪方向所能提供的推力最小，在稍微偏離迎浪方向所提供的推力最大，這主要是由于推進器之間的相互干擾引起的。

圖6 某半潛式鉆井平臺DP系統(tǒng)在不同方向上的許用推力Fig .6 Available thrust of DP system under different directions of one semi-submersible drilling platform

3.2.2 最大推力下平臺抗臺風(fēng)能力

在TAM模式下，考慮不同環(huán)境載荷方向時對應(yīng)的最大許用推力，繪制平臺錨泊系統(tǒng)在不同風(fēng)力等級時其錨鏈張力FOS的變化如圖7所示。由圖7可知,在TAM模式下，平臺錨泊系統(tǒng)錨鏈張力FOS在16級臺風(fēng)時部分方向上已小于其極限值，即可認為平臺錨泊系統(tǒng)錨鏈發(fā)生失效，因此該平臺在TAM模式下所能抵抗最大臺風(fēng)不超過15級。

圖7 某半潛式鉆井平臺在不同環(huán)境載荷方向下 抵抗臺風(fēng)能力(TAM)Fig .7 Anti-typhoon capacity of one semi-submersible drilling platform (TAM) in different environmental heading

平臺結(jié)構(gòu)以及錨泊、推進器布置基本呈軸對稱結(jié)構(gòu)，且圖5及圖7也顯示平臺的抗臺風(fēng)能力在迎浪和橫浪方向上基本對稱，故選取典型環(huán)境載荷方向0°、30°、45°、60°及90°和相應(yīng)方向推進器最大作用推力，分析有無TAM時錨鏈張力FOS及平臺偏移隨風(fēng)力等級變化情況，具體結(jié)果如圖8、9所示?？梢钥闯?，無TAM作用時，隨著風(fēng)力從7級增至15級，在各環(huán)境載荷方向上平臺錨泊系統(tǒng)錨鏈張力FOS減小，平臺偏移增大。而考察DP系統(tǒng)輸出最大許用推力輔助定位時，為安全起見，從10級臺風(fēng)開始啟動DP系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在較小風(fēng)力等級下錨鏈張力FOS隨風(fēng)力等級增大而增大，超過一定界限后又隨風(fēng)力等級增大而減小，但平臺偏移變化規(guī)律正好與之相反。分析認為，這主要是由于在較小風(fēng)力等級下DP系統(tǒng)所輸出的輔助推力相對于環(huán)境載荷過大，從而出現(xiàn)過推現(xiàn)象。對比圖8可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)力等級較小時(≤12級)，錨泊系統(tǒng)即滿足平臺抗臺風(fēng)能力要求；而在10～15級臺風(fēng)中，TAM作用可以有效地改善平臺的抗臺風(fēng)性能。

圖8 有無推進器輔助時某半潛式鉆井平臺 抵抗臺風(fēng)能力對比Fig .8 Anti-typhoon capacity of one semi-submersible drilling platform(TAM or none)

圖9 有無推進器輔助時某半潛式鉆井平臺偏移對比Fig .9 One semi-submersible drilling platform (TAM or none) offset comparison in typhoon

3.2.3 推進器輔助錨泊效果

根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)及錨泊、推進器布置，選取典型環(huán)境載荷方向0°、45°及90°和相應(yīng)方向推進器最大許用推力，分析不同風(fēng)力等級下TAM輔助效果，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，除較小臺風(fēng)外，平臺抵抗臺風(fēng)能力均隨DP系統(tǒng)輸出輔助推力的增大而增大，并且不同等級臺風(fēng)所需的最小輔助推力不同。風(fēng)力等級較小時，TAM輔助效果顯著；而風(fēng)力等級越大，TAM輔助能力越弱，直至16級臺風(fēng)時超出平臺綜合抵抗能力，TAM輔助失效。 另外，圖11顯示了在不同環(huán)境載荷方向下相同大小的DP輔助推力對TAM輔助效果的影響(以14級臺風(fēng)為例)，盡管在橫浪方向上DP所能提供的最大許用推力相對其他方向上較小，但是在相同大小的DP輔助推力下，其TAM輔助效果要較其他方向顯著。

圖10 不同環(huán)境載荷方向下不同臺風(fēng)等級下某半潛式 鉆井平臺TAM效果Fig .10 Effect of TAM under different heading directions and different wind scale of one semi-submersible drilling platform

圖11 不同環(huán)境載荷方向下某半潛式鉆井平臺DP輔助 推力對TAM輔助效果的影響(以14級臺風(fēng)為例)Fig .11 One semi-submersible drilling platform with DP auriliary force influence on the TAM effect (force 14) in different environmental headings

3.3 平臺綜合抗臺風(fēng)能力

圖12為該平臺有無TAM輔助作用時在不同環(huán)境載荷方向上的綜合抗臺風(fēng)能力，這是根據(jù)平臺各方向最小抗臺風(fēng)定位能力定義的綜合抗臺風(fēng)能力?？梢钥闯?，無TAM輔助時平臺在錨地最大抗臺風(fēng)能力不超過12級，而在TAM輔助時其綜合抗臺風(fēng)能力增至15級，這表明在TAM輔助作用下平臺錨地綜合抗臺風(fēng)能力有了顯著提高。

圖12 某半潛式鉆井平臺有無TAM輔助作用時在不同 載荷方向上的綜合抗臺風(fēng)能力Fig .12 Anti-typhoon capacity of one semi-submersible platform with TAM or not in different enuironment neadings

4 結(jié)論及建議

1) TAM工作模式可以有效改善半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)錨鏈受力情況，大大提高平臺綜合抗臺風(fēng)能力。在該目標平臺錨泊配置下考慮DP系統(tǒng)推進器輔助作用時，其在錨地所能抵抗臺風(fēng)由最大12級提高至15級，平臺綜合抗臺風(fēng)能力顯著增加。

2) 選擇TAM工作模式時，須合理配置DP系統(tǒng)推力，以避免推力過小達不到平臺抗臺風(fēng)要求，或者推力過大造成不必要的燃料浪費。

3) 本文TAM輔助分析過程只簡單考慮了DP系統(tǒng)恒定推力作用，后續(xù)研究建議考慮DP系統(tǒng)與錨泊系統(tǒng)之間的耦合作用，同時考慮臺風(fēng)中風(fēng)、浪、流方向的多變性、DP系統(tǒng)穩(wěn)定性等多種危險因素，從而更加符合實際情況。

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(編輯：呂歡歡)

Analysis of the anti-typhoon capacity for semi-submersible platforms with thruster assisted mooring in anchorages

YU Chenglong1SUN Qing1DONG Tiejun2WU Yitao1ZHOU Jianwei1LIU Junwei3

(1.COSLGeophysicalDivision,Tianjin300459,China; 2.COSLDrillingDivision,Zhanjiang,Guangdong524057,China; 3.ShenzhenCOSLDeepwaterTechnologyCo.Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Based on mooring analysis with a simple mean load reduction method and considering the influence of thruster performance in DP (dynamic positioning) systems, a platform-mooring coupled dynamic response model was established for the specific scenario-typhoon loading of semi-submersible platforms in the typical environmental conditions in outer anchorages of South China Sea. The mooring status of semi-submersible platforms with and without thruster assistance in shallow waters with extreme weather conditions were analyzed, and furthermore, the anti-typhoon capability was evaluated based on API RP 2SK requirements. It was found that the TAM(thruster assisted mooring) could improve the mooring line tension effectively and enhance the anti-typhoon capacity of platforms significantly. The methods proposed here and some conclusions can provide a reference for the anti-typhoon design and operation of floating structures with both a mooring system and a DP system.

semi-submersible platform; thruster assisted mooring; outer anchorage of South China Sea; anti-typhoon capacity; mooring analysis; mean load reduction method

余承龍，男，工程師，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事海洋結(jié)構(gòu)物安全分析與評價工作。地址：天津市濱海新區(qū)塘沽海洋高新區(qū)海川路1581號(郵編:300459)。E-mail:yuchl9@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0131-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.021

TH137

A

2016-12-12 改回日期：2017-02-10

余承龍,孫青,董鐵軍，等.推進器輔助錨泊模式下半潛式平臺錨地抗臺風(fēng)能力分析[J].中國海上油氣，2017,29(3)：131-138.

YU Chenglong,SUN Qing,DONG Tiejun,et al.Analysis of the anti-typhoon capacity for semi-submersible platforms with thruster assisted mooring in anchorages[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):131-138.