AQWA和HARP在TLP整體性能分析中的應(yīng)用對(duì)比

高靜坤，梁園華，劉浩，韋斯俊，楊清峽

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中國船級(jí)社海工技術(shù)中心，北京 100007)

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AQWA和HARP在TLP整體性能分析中的應(yīng)用對(duì)比

高靜坤1，梁園華2，劉浩1，韋斯俊2，楊清峽2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中國船級(jí)社海工技術(shù)中心，北京 100007)

利用水動(dòng)力分析軟件AQWA和HARP分別對(duì)中國南海水深400 m左右的某潛在開發(fā)油田擬采用的張力腿平臺(tái)進(jìn)行波浪繞射/輻射、靜態(tài)偏移和自由衰減分析，與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比結(jié)果表明，AQWA和HARP都能用于張力腿平臺(tái)的波浪繞射/輻射分析、靜態(tài)偏移和自由衰減分析，但是在進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析時(shí)，HARP軟件對(duì)于二階波浪載荷的預(yù)報(bào)比AQWA軟件更為準(zhǔn)確。

張力腿平臺(tái)；整體性能分析；AQWA；HARP

隨著海洋油氣開發(fā)不斷向深水挺進(jìn)，適用于深海的新型浮式平臺(tái)逐漸成為深海油氣開發(fā)的首選。其中張力腿平臺(tái)(tension leg platform,TLP)作為一種典型的浮式平臺(tái)，具有半剛性半順應(yīng)的特點(diǎn)。TLP垂向升沉、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)小，具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，成為目前深水油氣開發(fā)中最常用的平臺(tái)形式之一[1]。TLP包括4大部分：①平臺(tái)主體(Hull)，提供浮力和結(jié)構(gòu)預(yù)張力并支撐上部甲板和設(shè)備載荷；②系泊系統(tǒng)(Tendon)，稱為張力腿筋腱，將平臺(tái)主體與海底地基連接起來；③基礎(chǔ)(Foundation)，提供張力腿筋腱強(qiáng)大的抗拔力并為整體結(jié)構(gòu)提供良好穩(wěn)定性、安全性；④立管系統(tǒng)[2]。

目前，工業(yè)界采用時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析方法對(duì)TLP整體性能進(jìn)行分析，考慮整個(gè)系統(tǒng)的幾何、載荷等非線性。

AQWA軟件是通用有限元軟件ANSYS中的一套集成模塊，主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)水動(dòng)力學(xué)特性的評(píng)估及相關(guān)分析需求，包括小型艦艇、大型船舶、FPSO、TLP和半潛平臺(tái)等。

以我國南海水深400 m左右的某潛在開發(fā)油田為例，利用AQWA和HARP對(duì)擬采用的TLP進(jìn)行整體性能分析，對(duì)該TLP進(jìn)行頻域繞射/輻射分析、靜態(tài)偏移分析、自由衰減分析和時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析，對(duì)該TLP整體性能進(jìn)行全面的評(píng)估。對(duì)比兩個(gè)軟件計(jì)算得到的該TLP整體性能結(jié)果，結(jié)合模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析AQWA和HARP在TLP整體性能分析的應(yīng)用。

1 計(jì)算原理

1.1 基本原理

TLP整體性能分析采用時(shí)域的方法進(jìn)行模擬，首先使用頻域方法計(jì)算TLP水動(dòng)力系數(shù)和波浪激勵(lì)力，然后與張力腿筋腱和立管系統(tǒng)耦合進(jìn)行時(shí)域動(dòng)態(tài)求解，步驟如下。

1)頻域水動(dòng)力計(jì)算。根據(jù)三維頻域勢(shì)流理論計(jì)算得到浮體的水動(dòng)力參數(shù)。

2)水動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)換。將計(jì)算得到的頻域水動(dòng)力參數(shù)和波浪激勵(lì)力通過傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為時(shí)域中的無窮頻率附加質(zhì)量、延遲函數(shù)和波激力脈沖函數(shù)。

3)靜平衡計(jì)算。考慮定常環(huán)境載荷，計(jì)算浮體的初始平衡位置，作為時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析的初始條件。

4)動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算。考慮變化的環(huán)境載荷以及筋腱、立管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，求解平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和筋腱張力。

1.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制方程

平臺(tái)的一、二階波浪激勵(lì)力、附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)都可以在頻域內(nèi)求解，整個(gè)TLP系統(tǒng)的耦合動(dòng)力計(jì)算在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行。TLP系統(tǒng)的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：M為廣義質(zhì)量矩陣；A∞為無窮頻率附加質(zhì)量矩陣；X為平臺(tái)位移矢量；K(t)為延遲函數(shù)矩陣；D為線性阻尼系數(shù)矩陣；C為平臺(tái)回復(fù)力系數(shù)矩陣。方程右邊的外力Fexternel(t)可以寫為

(2)

式中:F1st(t)和F2nd(t)分別為一、二階波激力；Fwind(t)為風(fēng)力；Fcurrent(t)為流力；Fmoor(t)為筋腱、立管系統(tǒng)的回復(fù)力。

方程(1)中的附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)，以及波浪激勵(lì)力、漂移力等可以根據(jù)三維勢(shì)流理論求得，再通過傅里葉逆變換得到時(shí)域的結(jié)果，求解時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程即可得到TLP系統(tǒng)的整體性能。

AQWA和HARP的波浪繞射/輻射分析都是基于三維勢(shì)流理論的面元法。但是，2個(gè)軟件求解二階波浪載荷的方法不一樣。AQWA通過Newman近似理論計(jì)算波浪二階載荷，HARP通過對(duì)自由液面網(wǎng)格進(jìn)行積分來計(jì)算二階波浪載荷。Newman近似方法可以大幅減少計(jì)算時(shí)間。Newman近似方法在解決水平慢漂運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠得到令人滿意的結(jié)果，但是對(duì)于TLP非常重要的垂向高頻運(yùn)動(dòng)的求解則不太準(zhǔn)確，所以需要通過計(jì)算完整二階波浪載荷傳遞函數(shù)(Full QTFs)得到更為精確的結(jié)果。

2 數(shù)值計(jì)算模型

利用AQWA和HARP對(duì)該TLP進(jìn)行波浪繞射/輻射分析，圖1和圖2分別為AQWA和HARP軟件中TLP的濕表面網(wǎng)格模型，AQWA中平臺(tái)濕表面網(wǎng)格數(shù)是4 012；HARP中平臺(tái)濕表面網(wǎng)格數(shù)是10 624，HARP在計(jì)算二階波浪載荷時(shí)需要在自由液面進(jìn)行積分，所以還需劃分自由液面網(wǎng)格。

圖1 AQWA中濕表面網(wǎng)格

圖2 HARP中濕表面網(wǎng)格

完成TLP頻域水動(dòng)力計(jì)算后，需要建立平臺(tái)與張力腿筋腱、立管系統(tǒng)的耦合模型。在AQWA軟件中，需要通過TETHER模塊建立筋腱、立管系統(tǒng)。在DECK14中通過引用TETHER模塊中的TELM、TSPA、TSPV和TETH命令，設(shè)定筋腱和立管的連接坐標(biāo)、連接剛度等參數(shù)，即可完成筋腱和立管模型的建立，見圖3。

圖3 AQWA耦合模型

在HARP軟件的Flex Module模塊里建立筋腱和立管模型，通過設(shè)定筋腱和立管各分段的參數(shù)和坐標(biāo)，完成耦合模型建立，見圖4。

圖4 HARP耦合模型

AQWA和HARP軟件在計(jì)算流力和風(fēng)力時(shí)采用的方法不一樣。在AQWA中通過流力系數(shù)和風(fēng)力系數(shù)來計(jì)算作用在平臺(tái)上的流力和風(fēng)力。在HARP中，通過風(fēng)力作用面積和風(fēng)壓中心坐標(biāo)計(jì)算風(fēng)力；流力通過莫里森方程計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)

在進(jìn)行TLP動(dòng)態(tài)耦合分析前，需要進(jìn)行波浪繞射/輻射分析。波浪繞射/輻射分析分別在AQWA-LINE模塊和HARP-Hydrodynamic Module模塊中進(jìn)行。因?yàn)門LP關(guān)于X軸和Y軸對(duì)稱，所以計(jì)算時(shí)只考慮0°～90°浪向，計(jì)算周期由2～40 s?？紤]到平臺(tái)對(duì)稱性，選取具有代表性的自由度(縱蕩、垂蕩、橫搖)運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比，見圖5?？梢钥吹?，2個(gè)軟件計(jì)算得到的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)RAO結(jié)果是一致的。

3.2 靜態(tài)偏移分析

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合分析前，利用AQWA和HARP軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)偏移分析，得到筋腱系統(tǒng)的回復(fù)剛度。靜態(tài)偏移分析計(jì)算得到TLP“水平偏移vs筋腱水平回復(fù)力”、“水平偏移vs平臺(tái)下沉距離”，與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。

由表1可見，AQWA和HARP軟件靜態(tài)偏移分析結(jié)果基本是一樣的，與模型試驗(yàn)結(jié)果也一致，說明2款軟件計(jì)算TLP耦合模型的回復(fù)剛度結(jié)果都是合理的[3-4]。

圖5 TLP運(yùn)動(dòng)RAO對(duì)比

表1 TLP回復(fù)剛度結(jié)果

3.3 自由衰減分析

在AQWA和HARP中，對(duì)耦合模型進(jìn)行自由衰減分析，得到平臺(tái)臨界阻尼比和各自由度運(yùn)動(dòng)固有周期，見表2。

表2 TLP自由衰減分析結(jié)果

圖6 TLP自由衰減曲線

選取平臺(tái)縱蕩和橫搖分別代表水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，AQWA和HARP自由衰減曲線對(duì)比見圖6，2個(gè)軟件的自由衰減曲線基本重合。表2中2個(gè)軟件自由衰減分析得到平臺(tái)臨界阻尼比和固有周期與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)固有周期較大，縱蕩和橫蕩固有周期約為81～83 s，艏搖約為56～57 s；垂直面內(nèi)的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的固有周期約為2 s[5-6]。

3.4 時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析

在對(duì)千年一遇海況中TLP進(jìn)行模擬時(shí)，忽略風(fēng)和流載荷，只考慮波浪載荷對(duì)平臺(tái)的作用。千年一遇海況的有義波高為16.5 m，譜峰周期為17.2 s。采用JONSWAP譜描述不規(guī)則海況，譜峰升高因子α為2.4。模擬時(shí)長為3 h。本次整體性能分析中4～40 s屬于波頻范圍，大于40 s屬于高頻，小于4 s屬于低頻。

3.5 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)果

TLP縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷結(jié)果對(duì)比見圖7和圖8。水平面內(nèi)的縱蕩、橫蕩和艏搖屬于低頻響應(yīng)，受二階低頻波浪載荷影響較大；垂直面內(nèi)的垂蕩、橫搖和縱搖屬于高頻響應(yīng)，受高頻波浪載荷的影響較大。由圖7可以看到，縱蕩的時(shí)歷曲線在峰值和谷值處不會(huì)出現(xiàn)“鋸齒”，即不存在高頻的縱蕩運(yùn)動(dòng)。由圖8可以看到HARP的垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線峰值和谷值處會(huì)出現(xiàn)“鋸齒”——高頻垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(springing，彈振)，而AQWA的垂蕩時(shí)歷曲線沒有出現(xiàn)“彈振”響應(yīng)現(xiàn)象。

圖7 TLP重心縱蕩時(shí)歷結(jié)果對(duì)比

圖8 TLP重心垂蕩時(shí)歷結(jié)果對(duì)比

縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)譜見圖9和圖10。對(duì)響應(yīng)譜進(jìn)行積分，可以得到各頻段運(yùn)動(dòng)響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差，見表3。對(duì)于縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，HARP低頻和波頻段的要遠(yuǎn)大于高頻段，AQWA的波頻段要大于低頻和高頻段；響應(yīng)譜低頻峰值對(duì)應(yīng)頻率是0.011 Hz(89.5 s)，接近于縱蕩固有周期82 s；波頻峰值對(duì)于的頻率0.045 Hz(22.4 s)，接近于常見波浪周期15～25 s，由此可知波頻載荷也是縱蕩響應(yīng)的重要激勵(lì)。對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，AQWA和HARP響應(yīng)譜在低頻和波頻段都很大，HARP響應(yīng)譜高頻段在0.45 Hz時(shí)出現(xiàn)一個(gè)明顯峰值，而AQWA則沒有。HARP高頻段峰值出現(xiàn)頻率0.45 Hz(2.22 s)，與平臺(tái)垂蕩固有周期2.2 s一致。在波浪頻率范圍內(nèi)，TLP不會(huì)出現(xiàn)垂蕩高頻共振，但在實(shí)際海況中，存在二階波浪載荷，TLP會(huì)出現(xiàn)垂蕩高頻共振。AQWA的計(jì)算結(jié)果沒捕捉到TLP高頻響應(yīng)，HARP的時(shí)歷和頻譜結(jié)果捕捉到了高頻振蕩現(xiàn)象。

圖9 TLP縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜

圖10 TLP垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜

表3 縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比 m

3.6 筋腱張力結(jié)果

整體性能分析得到張力時(shí)歷結(jié)果，#5號(hào)筋腱的張力時(shí)歷結(jié)果見圖11?？梢钥吹紿ARP的時(shí)歷曲線峰值和谷值處會(huì)出現(xiàn)很多“鋸齒”——張力高頻的振蕩響應(yīng)，而AQWA的時(shí)歷曲線沒有這一現(xiàn)象。

圖11 Tendon#5頂部張力時(shí)歷結(jié)果對(duì)比

張力響應(yīng)譜見圖12。各頻段張力的標(biāo)準(zhǔn)差見表4。由圖12可見，AQWA和HARP的波頻段筋腱張力響應(yīng)是主要的，HARP的張力響應(yīng)譜在高頻段0.45 Hz時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，而AQWA則沒有。峰值出現(xiàn)的0.45 Hz(2.22 s)與自由衰減分析時(shí)垂蕩、橫搖、縱搖固有周期(2 s)一致。由表4可見，低頻和波頻段標(biāo)準(zhǔn)差基本一致，高頻段差別稍大，HARP的高頻標(biāo)準(zhǔn)差約為AQWA的2倍。

圖12 Tendon#5頂部張力響應(yīng)譜

表4 Tendon #5張力響應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比 mT

4 結(jié)論

1)2款軟件都適用于TLP的繞射/輻射、靜態(tài)偏移和自由衰減分析，都能與模型試驗(yàn)結(jié)果較為吻合；

2)HARP軟件比AQWA軟件更為適合于該TLP時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析。因?yàn)镠ARP軟件通過劃分自由液面網(wǎng)格來求解二階波浪載荷，其結(jié)果相較于AQWA更為準(zhǔn)確。在時(shí)域動(dòng)態(tài)耦合分析中，HARP軟件結(jié)果能夠很好地模擬垂蕩響應(yīng)中的高頻現(xiàn)象(彈振)和筋腱張力響應(yīng)中的高頻現(xiàn)象。而在只考慮波浪載荷情況下，AQWA的耦合分析無法模擬TLP的高頻響應(yīng)現(xiàn)象。

[1] “典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組.張力腿平臺(tái)水動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中國造船,2005,46(增刊1):477-489.

[2] 余建星,張中華,于皓.張力腿平臺(tái)總體響應(yīng)分析方法研究[J].海洋通報(bào),2008,27(2):97-102.

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On Application of AQWA and HARP in Global Performance Analysis of TLP

GAO Jing-kun1, LIANG Yuan-hua2, LIU Hao1, WEI Sijun2, YANG Qing-xia2

(1.Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen Guangdong 518000, China;2.CCS Ocean Engineering Technology Research and Development Center, Beijing 100007, China)

A global performance of tension leg platform (TLP), which is potentially applied in China South sea, was analyzed by using hydrodynamic analysis software AQWA and HARP. The analysis on wave diffraction and radiation, static offset and free decay was performed by using these two software and the results were compared to the model test results. Coupled dynamic analysis in time domain was performed to predict the TLP motion in 1000-years sea state. The results showed that AQWA and HARP can both be used in analysis on wave diffraction and radiation, static offset and free decay of TLP, while HARP is more suitable in coupled dynamic analysis for TLP in time domain than AQWA.

tension leg platform; global performance; AQWA; HARP; application

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.036

2016-10-20

工信部科研(工信部聯(lián)裝[2014]503號(hào))；工信部“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

高靜坤(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)及工程管理

U674.38

A

1671-7953(2017)04-0156-05

修回日期：2016-11-10