中國南海張力腿平臺的波浪水池模型試驗與數(shù)值分析對比

王 飚， 楊小龍， 秦立成， 王 磊

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2. 上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)， 上海 200240)

0 引 言

我國南海蘊藏著豐富的深海油氣資源，發(fā)展適合南海深水油氣開發(fā)的平臺結(jié)構(gòu)成為近年來的研究熱點。張力腿平臺(Tension Leg Platform， TLP)由于其具備適用水深范圍廣，耐波性能優(yōu)良，可干式采油等優(yōu)點，在國外得到了廣泛應(yīng)用。近2年，國內(nèi)對TLP的研究逐漸從科研走向生產(chǎn)，未來幾年，極有可能采用TLP進行南海油氣的開發(fā)。TLP的波浪響應(yīng)本身具有強非線性，在淺水中則表現(xiàn)更加明顯，這使得對其進行準(zhǔn)確的數(shù)值預(yù)報更為困難，工程上通過水池模型試驗對數(shù)值模擬的結(jié)果進行修正[1-13]。

颶風(fēng)卡特里娜和麗塔襲擊了墨西哥灣以后，API [API RP 2T]對工程設(shè)計推薦了新的環(huán)境準(zhǔn)則和更為嚴(yán)格的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[14]，海洋工程的參與者也有機會可以回顧審查過去的設(shè)計原則并關(guān)注未來的項目[15]。受益于DeepStar JIP，對包括TLP在內(nèi)的浮式結(jié)構(gòu)物的分析和模型試驗都進行了進一步的研究[16]。為準(zhǔn)確預(yù)報TLP的高階波浪響應(yīng)，本文在上海交通大學(xué)海洋工程深水國家重點實驗室進行了相關(guān)的水池模型試驗研究，水池長50 m，寬40 m，最深處水深10 m，設(shè)有可移動的假底來模擬不同的水深。采用1∶60的縮尺模型。本文描述了TLP船體模型的建模，環(huán)境校準(zhǔn)及試驗準(zhǔn)備的過程，對試驗結(jié)果進行分析并與數(shù)值預(yù)報進行對比，最后提出了一套滿足工程實際的響應(yīng)數(shù)值預(yù)報方法。

1 模型試驗準(zhǔn)備

1.1 船體建模

TLP船體包括4個立柱，立柱底部通過4個旁通相連接。平臺由8根張力腿筋腱系泊，每個立柱上各連接2根。在原型比尺下，筋腱連接在船體靠近立柱底部的位置，距離基線約4 m。

TLP的主尺度和質(zhì)量分布見表1和表2。圖1展示了制作完成的下浮體模型。

表1 TLP原型和模型的主尺度 m

表2 TLP原型和模型的質(zhì)量信息

圖1 帶附屬結(jié)構(gòu)物的試驗?zāi)Ｐ?/p>

1.2 腿筋腱和TTR建模

每根筋腱的模型包括上下兩部分的鋁管和中間的彈簧。鋁管的直徑和壁厚需要計算保證模型相似，模型外徑和原型外徑需要保證幾何相似，而中空鋁管內(nèi)部需要進行配載來保證質(zhì)量相似。鋁管內(nèi)部使用了平均分布的鋼絲進行配載來保證張力腿筋腱在水中的濕重相似。鋁管的各個部分需要在模型試驗期間保證水密性。

考慮到模型試驗中相對較淺的水深，筋腱模型的模型精度會對張力腿張力響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，因此筋腱模型的相關(guān)特性需要在水池試驗前仔細校準(zhǔn)標(biāo)定，如濕重、軸線剛度等，同時要對其進行水密性試驗以避免試驗過程中鋁管發(fā)生滲水。

圖2 鋁管及中間的連接彈簧

波浪水池模型試驗中，原型的12根立管簡化模擬為4根，簡化模型中考慮了立管張緊器的影響。和張力腿筋腱模型類似，等效的TTR模型進行了全尺度模擬，沒有進行截斷。同樣使用合適直徑及壁厚的鋁管進行模擬。這些鋁管進行了水密處理以保證在試驗中浮力不發(fā)生變化。配載重量置于鋁管內(nèi)部以保證濕重相似。張力彈簧布置在兩段鋁管中間以模擬立管的軸向剛度(見圖2)。立管模型的特征參數(shù)，包括濕重，軸向剛度等需要在試驗前進行校準(zhǔn)標(biāo)定。

1.3 環(huán)境模擬和校準(zhǔn)

TLP平臺原型所處水深為404.69 m，折合模型水深為6.745 m, 試驗中用到的海況見表3(Jonswap 譜 gamma值 = 2.4)。海況條件包括一年一遇，百年一遇，千年一遇，分別對應(yīng)平臺的操作工況，極限工況和生存工況。

模型試驗所需的大量波浪都在試驗前進行了無流狀態(tài)下的標(biāo)定。對于隨機的波浪現(xiàn)象，校準(zhǔn)的參數(shù)以下：有義波高Hs，譜峰周期Tp，波譜密度曲線，最大波高，最大波峰高度。

表3 試驗中用到的環(huán)境條件

風(fēng)的模擬是通過對平臺施加風(fēng)載荷時歷曲線實現(xiàn)的，并沒有采用風(fēng)扇陣列造風(fēng)，而是通過電腦控制的動態(tài)伺服絞車直接施加風(fēng)載。風(fēng)力的時間曲線和對應(yīng)的風(fēng)譜都在試驗前進行了校準(zhǔn)。流載荷是通過施加重塊實現(xiàn)的。力的作用點等效考慮了流載荷對船體，張力腿筋腱以及TTR的作用。

1.4 氣隙波高儀的設(shè)置

為了在波浪試驗中得到準(zhǔn)確的氣隙結(jié)果，試驗中設(shè)置了22個氣隙波高儀。波高儀的布置位置經(jīng)過了仔細考慮以能綜合評估試驗的氣隙結(jié)果。圖3顯示了斜浪時波高儀的布置情況。

圖3 斜浪氣隙波高儀布置圖(紅點代表波高儀)

2 試驗結(jié)果和對比

試驗過程進行了大量的工況并對其進行了深入的研究，限于篇幅，本文只列出了千年一遇斜浪工況的部分關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果。模型試驗的結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進行了對比。在耦合分析中，通過非線性的時域豐度進行了動力分析，求解了整個系統(tǒng)的完整方程，同時考慮了浮體的剛體運動以及柔性桿件(立管和張力腿筋腱)。每個時間步都滿足了動態(tài)平衡，保證了浮體和柔性體的耦合效果。

2.1 自由衰減試驗

圖4～圖6顯示了典型的縱蕩、升沉和橫搖的衰減試驗結(jié)果。每個自由度的衰減試驗都進行2次，對升沉和橫搖，2次試驗的初始位移是一致的；但是對縱蕩，兩次的初始位移分別是5 m和10 m。表4列出了固有周期和系統(tǒng)阻尼占臨界阻尼的百分比?？梢钥闯?，模型試驗的周期結(jié)果和數(shù)值預(yù)報的結(jié)果吻合良好。對于系統(tǒng)阻尼，縱蕩和橫蕩的阻尼出現(xiàn)了一些差別，試驗中增加的阻尼來自于結(jié)構(gòu)附屬物的流體力學(xué)阻尼及張力腿筋腱立管等的結(jié)構(gòu)阻尼。

圖4 縱蕩自由衰減試驗

圖5 升沉自由衰減試驗

圖6 橫搖自由衰減試驗

2.2 極限工況位移結(jié)果

圖7顯示了TLP平臺的位移對比結(jié)果，A602-R1～R6代表千年一遇海況的6個種子的結(jié)果，包含數(shù)值分析得到的預(yù)報值和模型試驗的導(dǎo)出值。可以看出，兩者最大位移的結(jié)果相當(dāng)接近，差別小于5%。

表4 固有周期和臨界阻尼的百分比

圖7 千年一遇海況最大位移

2.3 筋腱張力

圖8和圖9顯示了千年一遇海況下迎浪處張力腿筋腱的張力?？梢钥闯?，平均值和極值都相當(dāng)接近。數(shù)值分析的波頻標(biāo)準(zhǔn)差(STD)有所高估，而高頻標(biāo)準(zhǔn)差有所低估，這可能是由于張力腿筋腱在惡劣海況下的高階響應(yīng)造成的。

圖8 千年一遇最大迎浪筋腱張力

2.4 氣隙和上浪

研究多立柱式平臺的上浪氣隙響應(yīng)是最近的研究熱點之一，這對于油氣開發(fā)的安全操作而言非常重要。氣隙A(t)的定義如下：

A(t)=S-[η(t)-σ(t)]

R(t)=η(t)-σ(t)

σ(t)=ξ3(t)+yξ4(t)-xξ5(t)

其中：S代表甲板底部和平均海平面之間的初始靜間隙；η(t)代表波面高度；σ(t)代表甲板指定參考點垂向運動；R(t)代表相對于甲板參考點的波面高度；ξ3(t)，ξ4(t)，ξ5(t)分別為甲板的升沉、橫搖和縱搖運動。

圖9 千年一遇最大筋腱張力標(biāo)準(zhǔn)差

圖10顯示了一個極值氣隙出現(xiàn)時的模型試驗截圖，最惡劣的情況發(fā)生在背浪處的立柱前沿。由圖11可以看出，數(shù)值分析的氣隙結(jié)果可能是低估的。這主要是由于立柱附近的波浪爬升是強非線性的，很難被數(shù)值模擬準(zhǔn)確捕捉。同樣可以看出，不同種子數(shù)下的模型試驗氣隙結(jié)果有明顯差異(超過2 m)。因此建議，如果氣隙是工程關(guān)心的參數(shù)，則應(yīng)該進行足夠多的種子數(shù)以便準(zhǔn)確捕捉試驗結(jié)果的差異。

圖10 負氣隙截圖

圖11 21號氣隙波高儀處的相對波面高度(氣隙)

2.5 張力腿筋腱彈振和鳴振

模型試驗中，觀察并記錄了張力腿平臺高頻響應(yīng)如彈振和鳴振現(xiàn)象。彈振是由于二階和頻激勵在高頻固有周期處產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，這種響應(yīng)可以在商業(yè)軟件中捕捉到，而鳴振是由于極限波浪的沖擊載荷在高頻固有周期附近產(chǎn)生的瞬間的自由振動。這種強非線性現(xiàn)象現(xiàn)有的計算流體力學(xué)應(yīng)用尚存在理論難度，工程上多通過水池模型試驗的方法解決。圖12給出了千年一遇海況下迎浪筋腱的彈振和鳴振的響應(yīng)幅度。

圖12 千年一遇海況下筋腱彈振鳴振響應(yīng)的幅度

3 試驗數(shù)據(jù)修正

3.1 方 法

基于模型試驗的測得結(jié)果，為了有效地指導(dǎo)工程實際，本文給出了工程上的修正方法。位移和張力的設(shè)計值通過下式進行校準(zhǔn)：

2α(THFmaxTWFmax+TWFmaxTLFmax+

THFmaxTLFmax)]1/2

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Tmax和Tmean代表設(shè)計參數(shù)的最大值和平均值；WFcorr,HFcorr,LFcorr分別代表模型試驗和數(shù)值模擬模型試驗結(jié)果間的波頻，高頻和低頻標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)；α為波頻，高頻和低頻最大值之間的耦合系數(shù)；腳標(biāo)model和prediction分別表示數(shù)據(jù)來自于模型試驗和數(shù)值模擬。

3.2 最大位移和筋腱張力

千年一遇工況的修正系數(shù)見表5，這些系數(shù)會應(yīng)用到數(shù)值校準(zhǔn)分析。

3.3 氣 隙

同樣應(yīng)用上文提到的修正方法，氣隙的千年一遇標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)和極值修正系數(shù)分別為1.059和5.067。這些系數(shù)會修正數(shù)值分析的結(jié)果，修正后的氣隙等值線圖見圖13。最惡劣的氣隙(-1.24 m)出現(xiàn)在背浪立柱的前沿，21號氣隙波高儀位置處。這表示這個位置的局部結(jié)構(gòu)可能需要加強。

表5 位移和筋腱張力的修正系數(shù)結(jié)果

圖13 千年一遇斜浪下氣隙等值線圖

4 結(jié) 語

相對較淺的水深加之惡劣的環(huán)境對南海近海張力腿平臺的設(shè)計應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。本文的模型試驗結(jié)果可以為類似的工程提供很有意義的參考。

(1) 對于平臺位移而言，主要由低頻運動和波頻響應(yīng)構(gòu)成，商業(yè)軟件進行的耦合分析可以對此進行相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)報；

(2) 在500 m水深以淺的TLP系統(tǒng)顯示出了很強的非線性特質(zhì)，特別是張力腿筋腱的高階響應(yīng)。試驗中捕捉到明顯彈振和鳴振現(xiàn)象；

(3) 氣隙的測量也表明了響應(yīng)的強非線性，惡劣海況下，可以清晰地觀測到迎浪測立柱的波浪爬升現(xiàn)象；

(4) 本文對張力腿平臺的強非線性響應(yīng)數(shù)值預(yù)報提出了一種滿足工程實際的修正方法，該方法綜合考慮了高頻、波頻和低頻修正，可供今后類似工程項目參考。