半潛式海洋平臺(tái)的水動(dòng)力分析及波浪載荷預(yù)報(bào)

陳明璐，嵇春艷，劉 珍

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

半潛式海洋平臺(tái)的水動(dòng)力分析及波浪載荷預(yù)報(bào)

陳明璐，嵇春艷，劉 珍

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于Morison方程與三維繞射理論相結(jié)合的方法，對(duì)一深水半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行了水動(dòng)力分析，并進(jìn)行了基于三維水動(dòng)力分析的設(shè)計(jì)波方法的波浪載荷預(yù)報(bào)，為平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要參數(shù)。同時(shí)，對(duì)半潛式海洋平臺(tái)的水動(dòng)力分析及波浪載荷預(yù)報(bào)的方法和流程進(jìn)行了歸納總結(jié)。

半潛平臺(tái)；水動(dòng)力分析；設(shè)計(jì)波

當(dāng)陸上油氣資源經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期、大規(guī)模開發(fā)之后，世界范圍內(nèi)的油氣勘探與開發(fā)已轉(zhuǎn)向了廣袤的海洋。隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向深海推進(jìn)，傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)和重力式平臺(tái)由于其自重和工程造價(jià)的限制，已不能適應(yīng)深水油氣資源開發(fā)的需要。另一方面，從我國(guó)的現(xiàn)狀來(lái)看，目前我國(guó)南海深水已有了重大的油氣發(fā)現(xiàn)，而深海鉆采設(shè)備的開發(fā)還處于前期研究階段，開展深水平臺(tái)特別是主流設(shè)備——半潛式鉆井平臺(tái)的研究和開發(fā)是非常必要的。

1 研究方法及現(xiàn)狀

Hooft[1]假設(shè)半潛式平臺(tái)可以分為幾部分，其尺寸相對(duì)于波長(zhǎng)足夠小，各部分之間的水動(dòng)力載荷互不影響。半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力性能研究的方法主要有3種：基于Morison公式計(jì)算、基于二維勢(shì)流理論和基于三維勢(shì)流理論。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)半潛式平臺(tái)波浪荷載計(jì)算方法進(jìn)行了研究。劉海霞[2]等提出大型半潛式平臺(tái)的波浪載荷計(jì)算采取Morison公式和勢(shì)流理論相結(jié)合的方法，對(duì)于小結(jié)構(gòu)物，波浪載荷采用Morison公式計(jì)算；對(duì)于大結(jié)構(gòu)物，波浪載荷用線性繞射理論計(jì)算。李輝[3]等對(duì)深水半潛式平臺(tái)波浪載荷計(jì)算的確定性和隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法進(jìn)行了研究，并以兩艘不同形式的半潛式平臺(tái)作為實(shí)際算例進(jìn)行了對(duì)比分析。王世圣[4]等利用三維水動(dòng)力模型，對(duì)具有不同橫撐結(jié)構(gòu)形式的兩種典型深水半潛式鉆井平臺(tái)的波浪載荷進(jìn)行了分析研究。對(duì)于半潛式平臺(tái)這種大型結(jié)構(gòu)物，三維方法理論上講要比二維方法更為準(zhǔn)確，但是三維問(wèn)題在具體求解計(jì)算上還存在較大困難，尚無(wú)完整統(tǒng)一的計(jì)算方法[5]。

2 基于三維水動(dòng)力理論的設(shè)計(jì)波方法

世界上各主要深水油田的海洋環(huán)境通常都較為惡劣，并且半潛式平臺(tái)與一般航行船舶不同，在遇到惡劣海況時(shí)不能規(guī)避，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段必須要考慮其在生命期內(nèi)可能要遭遇的極限海況，要具備足夠的強(qiáng)度抵御“百年一遇”的惡劣海況，以保障人身及財(cái)產(chǎn)的安全。目前，各大船級(jí)社規(guī)范均要求半潛式平臺(tái)的波浪載荷預(yù)報(bào)采用直接計(jì)算方法，其中波浪載荷預(yù)報(bào)推薦采用。

基于三維水動(dòng)力理論的設(shè)計(jì)波方法主要有確定性及隨機(jī)性方法，其中，隨機(jī)性方法通過(guò)系統(tǒng)特征波浪載荷響應(yīng)短期統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的極值得到設(shè)計(jì)規(guī)則波波高，考慮了波浪的隨機(jī)性和不規(guī)則性，因而更加科學(xué)、合理。采用隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法，確定設(shè)計(jì)規(guī)則波參數(shù)：

（1）根據(jù)平臺(tái)尺度確定各典型波浪工況下的浪向和特征波長(zhǎng)；

（2）計(jì)算單位波幅的特征響應(yīng)，即響應(yīng)幅算子(RAOs)；

（3）計(jì)算并設(shè)計(jì)有義波高Hs；

（4）選擇適合海浪譜，采用譜分析的方法計(jì)算不規(guī)則波中波浪載荷的響應(yīng)譜；

（5）計(jì)算每個(gè)海況下的短期預(yù)報(bào)極值，計(jì)算該浪向的最大規(guī)則波波幅。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)概況及坐標(biāo)系統(tǒng)

建立一新型深水半潛式海洋平臺(tái)（第六代）的有限元模型，平臺(tái)作業(yè)水深為3 000 m，最大鉆井深度可達(dá)10 000 m。平臺(tái)采用南海惡劣海況作為設(shè)計(jì)參數(shù)，可在南海、西非等深水海域工作。海洋平臺(tái)的主船體由兩個(gè)下浮體、四個(gè)立柱、四根橫撐及兩個(gè)下浮體組成。兩個(gè)下浮體由位于立柱下部的四根橫撐連接，上部箱體結(jié)構(gòu)由四個(gè)立柱與下浮體相連。采用SESAM/GeniE模塊建立海洋平臺(tái)模型，并根據(jù)重量報(bào)告調(diào)整結(jié)構(gòu)重量中心位置。坐標(biāo)系按照X軸為縱向軸，尾部指向首部為正；Y軸為橫向軸，中心線指向左舷為正；Z軸為垂向軸，基面向上為正。海洋平臺(tái)的有限元模型見圖1所示。

圖1 半潛平臺(tái)有限元模型

圖2 海洋平臺(tái)水動(dòng)力模型

3.2 位移邊界條件

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算時(shí)需消除6個(gè)自由度的剛體運(yùn)動(dòng)，選取3個(gè)不共線的節(jié)點(diǎn)約束剛體位移，節(jié)點(diǎn)取在下浮體的一個(gè)與水平面平行的平面內(nèi)。

3.3 水動(dòng)力分析

建立半潛式海洋平臺(tái)在2 400 m工作水深時(shí)的水動(dòng)力模型（如圖2），包括采用三維繞射理論計(jì)算的濕表面模型和Morison理論計(jì)算的Morison模型，以及模擬平臺(tái)質(zhì)量的質(zhì)量模型。

圖3給出了半潛平臺(tái)在16 m吃水下垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)函數(shù)，垂蕩運(yùn)動(dòng)對(duì)波浪比較敏感的區(qū)域頻率一般在0.25～0.31 rad/s，頻率為0.28 rad/s時(shí)響應(yīng)最大。

圖3 半潛平臺(tái)六自由度響應(yīng)RAO

3.4 設(shè)計(jì)波方法

3.4.1 設(shè)計(jì)海況

由風(fēng)、流引起的環(huán)境荷載較穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)海洋平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響，而且在采用設(shè)計(jì)波方法進(jìn)行海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮風(fēng)、流荷載的影響，這在ABS及DNV等規(guī)范中均有描述，故這部分荷載在本文分析中不予考慮。本文選取海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)工作區(qū)域海況的海浪譜，采用JONSWAP譜，參數(shù)如表1所列。

表1 設(shè)計(jì)海況參數(shù)

表2 自存工況下設(shè)計(jì)波參數(shù)

表3 作業(yè)工況下設(shè)計(jì)波參數(shù)

3.4.2 設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定

根據(jù)海洋平臺(tái)自存和作業(yè)工況下的設(shè)計(jì)海況，基于ABS規(guī)范[6]確定設(shè)計(jì)波參數(shù)要求，計(jì)算波浪誘導(dǎo)的最大典型剖面載荷，進(jìn)而確定自存工況和作業(yè)工況下的設(shè)計(jì)波，根據(jù)規(guī)范要求與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文選取最大水平分離力、最大縱向剪切、最大扭矩及最大垂向彎矩4種典型荷載確定的設(shè)計(jì)波參數(shù)見表2～表3。

4 結(jié)論

本文結(jié)合分析實(shí)例，研究了一半潛式鉆井平臺(tái)的水動(dòng)力性能及波浪載荷預(yù)報(bào)的分析方法和流程。通過(guò)理論研究和數(shù)值分析可以得到以下結(jié)論：

（1）海洋工程結(jié)構(gòu)中，對(duì)于大型半潛式平臺(tái)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取Morison方程和繞射理論相結(jié)合的方法進(jìn)行水動(dòng)力分析?；谶@一理論方法進(jìn)行粘性修正，采用SESAM／WADAM計(jì)算大型半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力數(shù)值預(yù)報(bào)，結(jié)果可行、可信。

（2）斜浪情況下，縱向剪切和關(guān)于橫軸的扭矩響應(yīng)最大，這時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的撐桿及平臺(tái)主甲板的影響較大，對(duì)撐桿抵抗縱向剪切及平臺(tái)甲板的抗扭強(qiáng)度要求較高；橫浪情況下，水平分離力響應(yīng)較大，此時(shí)對(duì)水平撐桿、主甲板及立柱與上部箱體的連接處強(qiáng)度要求較高；迎浪情況下，垂向波浪彎矩響應(yīng)最大，此時(shí)波峰或波谷位于下浮體中部，對(duì)下浮體及平臺(tái)總體的抗彎能力要求較高。

（3）本文對(duì)一深水半潛式平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了理論預(yù)報(bào)，基本上得到了令人滿意的結(jié)果。但該結(jié)果仍有未考慮的影響因素，如臨界阻尼等的影響，所以需進(jìn)一步進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)合模型試驗(yàn)進(jìn)行局部修正。

[1]HOOFT J P.A Mathematical Method of Determining Hydrodynamic Induced Forces on a Semisubmersible[J].Transaction-Society of Naval Architects and Marine Engineers,1971,79∶28-70.

[2]劉海霞,肖熙.半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的波浪載荷計(jì)算[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2003,18(2)∶1-4.

[3]李輝,任慧龍,陳北燕,等.深水半潛式平臺(tái)波浪載荷計(jì)算方法研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,37(3)∶122-125.

[4]王世圣,謝彬,馮瑋,等.兩種典型深水半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性和波浪載荷的計(jì)算[J].中國(guó)海上油氣，2008,20(5)∶349-352.

[5]錢昆.浮體在大幅波浪中的運(yùn)動(dòng)和荷載計(jì)算研究[D].大連∶大連理工大學(xué)，2004.

[6]ABS.ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[M]，2008.

Hydrodynamic Analysis and Wave Load Forecast of Semi-submersible Platform

CHEN Ming-lu,JI Chun-yan，LIU Zhen
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Combining the Morison equation and 3D diffraction theory,the hydrodynamic analysis of a deep-water semi-submersible drilling unit was carried out,and wave load calculation was also completed with method of design wave based on 3D diffraction theory.The results provide necessary parameters for structural design of deep-water semi-submersible drilling unit.Meanwhile,the method and procedure of hydrodynamic analysis and wave load calculation for semi-submersible drilling unit were summarized.

semi-submersible platform;hydrodynamic analysis;design wave

P75

A

1003-2029（2012）04-0068-04

2012-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51209107）

陳明璐（1986-），女，碩士，研究方向?yàn)楹Ｉ辖Y(jié)構(gòu)物性能。Email：chenminglu0119@163.com