深水半潛式生產平臺耦合動力特性對比研究

趙晶瑞，范 模，段夢蘭

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.中國石油大學(北京)，北京 102249)

深水半潛式生產平臺耦合動力特性對比研究

趙晶瑞1，2，范 模1，段夢蘭2

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.中國石油大學(北京)，北京 102249)

應用數值模擬與模型試驗相結合的方法研究半潛式生產平臺系泊狀態下的耦合動力特性。建立耦合分析模型，時域內計算求解平臺的動力響應，選取縮尺比為1∶60，采用等效截斷模型方法對數值模擬結果進行驗證。通過對比模型試驗與數值模擬結果發現:等效截斷系泊系統可以較好地模擬平臺的位移響應，但在系泊張力方面卻差異較大，此外極端海況下平臺的甲板上浪問題也必須得到充分重視。

半潛式生產平臺;耦合動力分析;等效截斷;模型試驗;數值模擬

半潛式生產平臺是一種新型的深水順應式生產平臺，由于具有較大的甲板面積和相對較低的建造難度，以及抗風浪能力強等特點，是目前數量最多，更新換代最快的一類深水浮式平臺，被廣泛應用于世界各地的深水油氣開發項目［1］。生產平臺長期固定于無遮蔽的深水海域，承受極端的環境載荷，其運動響應、纜繩張力以及甲板上浪等技術指標是立管系統安裝乃至整體油田開發方案制定的重要依據。一直以來，業界通常采用數值模擬與模型試驗相結合的方法來獲得以上數據［2］。

在數值模擬方面，隨著水深的不斷增加，系泊纜繩與平臺主體間的耦合動力特性已達到必須考慮的程度［3］，必須將平臺主體與系泊系統的動力響應作為一個整體求解，其中主體的水動力系數、一階波浪力以及二階波浪力首先在頻域中計算，然后將其轉換到時域內，聯立求解方程得到耦合系統的整體運動響應［4-6］。而在模型試驗方面，考慮到平臺實際作業水深不斷加大和試驗水池水深有限的矛盾，國內外學者提出了混合截斷式模型試驗技術解決這一難題［7-10］，其基本思想［11］是采用數值模擬方法計算平臺在實際海洋環境下的運動響應與纜繩張力，在進行模型試驗之前，根據給定比例尺將纜繩截斷，其截斷處纜繩運動與張力根據計算結果進行數值重構，從而保證模型實驗結果能夠較為準確地模擬實際情況。等效設計的難點在于:1)纜繩垂向與水平向恢復特性的準確模擬，即截斷水深系泊纜與水面夾角、纜繩周向角等隨水平位移的變化率將大于全水深系泊纜;2)非均勻材質與特殊裝置的使用產生摩擦阻尼難以量化;3)纜繩本身的質量動力特性與粘性阻尼的準確模擬。因此該領域的科研工作也成為海洋工程界的熱點問題之一。

以兩類目前最流行的半潛式生產平臺作為研究對象，結合南海某油氣田特定的環境條件，首先采用數值模擬方法計算平臺極端載荷下的運動響應與系泊張力，之后在上海交通大學海洋深水試驗池中，采用被動等效截斷模型試驗技術進行平臺模型試驗，從而對之前的數值模擬結果進行驗證，分析等效截斷系泊系統與全水深系泊系統的性能差異，最終對于兩類半潛式生產平臺能否與多點系泊系統相配合，在我國南海深水海區作為井口生產平臺的方案可行性進行前期論證。

1 平臺主尺度與設計環境條件

兩座半潛式生產主體采用了最流行的深吃水設計理念，具有雙浮箱與雙橫梁船體，立柱部分分別為對心傾斜四立柱式與垂直六立柱式，其主尺度參數如表1所示。

表1 兩類半潛式平臺主尺度參數Tab.1 Main scale particulars of two semi platforms

兩座半潛式生產平臺均采用4×4共16根鋼質懸鏈線系泊纜進行定位，鋼纜直徑為180 mm，破斷張力為21 300 kN;錨鏈直徑為152 mm，破斷張力為20 157 kN，系泊系統設計參數如表2所示。

表2 兩類半潛式平臺系泊系統參數Tab.2 Main parameters of mooring system of two semi platforms

以四立柱半潛式平臺為例，圖1、2是該平臺多點系泊系統的總體布置圖與耦合計算模型圖。

圖1 四立柱平臺系泊系統總體布置Fig.1 The general arrangement of mooring system of 4-leg semi platforms

圖2 四立柱平臺耦合計算模型示意Fig.2 The coupled calculation model of 4-leg semi platforms

半潛式生產平臺的假想作業海區選取為南海某油氣田，最大作業水深為1 500 m，擬懸掛SCR剛性立管，根據國外工程經驗，須保證平臺在設計環境條件下的最大水平偏移小于8%的作業水深。此次試驗中對于平臺在該海區不同重現期的環境條件下的運動特性進行了時域模擬，分別包括一年一遇，百年一遇與五百年一遇等，其多點擴展式系泊系統的設計載荷強度取為百年一遇環境條件，具體參數如表3所示。

表3 海洋環境主要參數Tab.3 Main parameters of environment condition

2 數值模擬方法

采用挪威船級社(DNV)出品的SESAM軟件與美國Ultramarine公司出品的MOSES軟件數值分析半潛式平臺的系泊耦合動力特性，根據主尺度圖紙建立兩座平臺的水動力計算模型如圖3、4所示。

圖3 四立柱半潛式平臺水動力模型示意Fig.3 Hydrodynamic model of 4-leg semi platform

圖4 六立柱半潛式平臺水動力模型示意Fig.4 Hydrodynamic model of 6-leg semi platform

在依據三維勢流理論計算得到平臺船體的附加質量、阻尼系數及波浪激勵力等數據之后，采用耦合時域方法計算平臺與系泊系統耦合動力響應，半潛式平臺船體6自由度時域運動方程可表示:

式中:M為平臺船體質量矩陣，A(ω)為頻域內附加質量矩陣，C為頻域內勢流阻尼矩陣，D2為平方項粘性阻尼矩陣，K(x)為非線性恢復剛度矩陣，q為外力矢量，可展開表示為

其中，qwind為風力為一階波浪力為二階波浪力，qcur為海流力，qmoor為由系泊系統以及立管系統所產生的耦合作用力。

之后根據Cummins脈沖理論對于耦合系統進行時域求解計算，其中平臺與系泊系統的運動響應在每個時間步中聯合求解，完全考慮了兩者的全耦合動力特性，動力平衡方程可表示為

其中，RI、RD和RS分別表示整體慣性力、整體阻尼力與相互作用力為平臺船體與系泊系統整體的位移、速度與加速度矢量;RE表示外部激勵力矢量，主要包括重浮力、與平臺位移相關的回復力，系泊纜繩水動力載荷與特定集中力等。

3 模型試驗

模型試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行，其海洋深水試驗池最大水深為10 m，配有先進的造波、造流、造風系統，可以模擬各種實際海洋環境條件，通過大面積可升降假底，可根據試驗要求改變水深。本次試驗按照1∶60海洋工程常規比例尺設計，其系泊系統由上海交通大學深水工程試驗室進行設計，系泊等效截斷設計時主要考慮以下因素:1)系泊系統水平/垂向回復力特性一致;2)保證系泊系統垂向回復力/位移特性一致;3)保證具有代表性的系泊纜張力特性一致。以四立柱平臺180°方向為例，圖5、6是該平臺全水深系泊系統截斷水深系泊系統的整體水平回復力與最大纜繩張力隨平臺水平偏移量的變化對比曲線。

通過圖5與圖6發現，當平臺出現100 m左右的水平偏移時，數值模擬與模型試驗的結果極為接近，即在小位移情況下，截斷式系泊系統基本上可以模擬全水深條件下系泊系統的整體剛度與靜態纜繩張力。模型試驗包括靜水自由衰減試驗與風、浪、流組合下的加載試驗。在加載試驗中，假設各類環境載荷入射方向相同，考慮3種典型角度(180°迎浪方向，225°首斜浪方向與270°橫浪方向)，以及不同作業狀態，對兩座平臺以下數據進行了測量和處理:1)平臺6個自由度的運動，即縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖及首搖;2)每根纜繩導纜孔處纜繩張力;3)平臺主甲板下緣各處的氣隙高度值。

圖5 四立柱平臺水平回復剛度曲線Fig.5 Horizontal stiffness curves of 4-leg semi platform

圖6 四立柱平臺纜繩張力變化曲線Fig.6 The maximum tension of 4-leg semi platform

4 數值模擬與模型試驗結果的對比與分析

以下是兩種方法得到的平臺運動響應與纜繩張力對比結果。以四立柱半潛式平臺為例，表4是該平臺不同方向百年一遇環境載荷作用下的各自由度運動響應最大值情況;表5為此時最大系泊纜繩張力情況。圖7為四立柱平臺縱蕩、縱搖與纜繩張力譜情況。

表4 四立柱平臺生存狀態運動響應最大值情況Tab.4 The maximum motion responses of 4-leg semi platform in survival condition

表5 四立柱平臺系泊系統最大纜繩張力情況Tab.5 The maximum tension of 4-leg semi platform mooring system

通過表4與表5中數據結果進行對比并結合圖7可以發現:

1)平臺6自由度運動響應方面，兩種方法得到的結果吻合較好，特別是水平向運動響應，最大幅值的相對誤差僅在5%以內，其中低頻與定常頻率成分占主導地位，數值模擬與模型試驗結果均小于8%的作業水深，滿足生產平臺懸掛SCR立管的設計要求;垂蕩響應方面，運動幅值在180°方向達到最大，響應的譜峰周期與波浪譜峰周期接近，實驗值略大于計算值;而縱橫搖響應方面，波頻成分與低頻成分所占比重較為接近，現象表明，極端載荷下平臺可能出現低頻共振搖擺現象。數值模擬方法得到的計算結果可以較為準確地模擬半潛式平臺惡劣海況下的運動響應。

2)纜繩張力方面，數值模擬與模型試驗結果顯示，當環境載荷呈225°入射時，系泊纜繩將出現最大張力，兩種方法得到的結果相差較大，其中試驗結果比計算結果大17%左右，通過對于張力時間歷程的譜分析發現，兩者在除波頻與定常段符合較好，而在低頻段差異較為明顯，因此導致如此大的誤差，其可能原因:被動截斷式系泊系統基于靜力等效原則進行設計，系泊纜繩的質量動力與粘性阻尼特性與全水深系泊系統相差較大，此外，大比例尺模型試驗時流體的粘性作用被放大無疑會加劇這一現象。

圖7 四立柱平臺生存狀態運動響應譜與最大系泊張力譜Fig.7 The motion and maximum tension spectra of 4-leg semi platform in survival condition

3)在最小氣隙值方面，采用頻域法計算得到的平臺最小氣隙值大于3 m，滿足規范要求，而采用模型試驗方法得到的氣隙值小于零，表明此時平臺已經出現甲板上浪。通過現場觀測發現，極端環境載荷下半潛式生產平臺產生了較大的定常傾角，瞬時波面與平臺各自由度運動間也會出現較大的相位差，以及波浪沿立柱表面的局部爬升現象等非線性問題，都使上浪問題變得更為復雜和難以預測，因此采用數值模擬方法計算甲板上浪較為困難，須結合模型試驗才能得出較為可信的結果(見圖8)。

圖8 百年一遇環境條件下兩座平臺的甲板上浪情況Fig.8 The green water condition of two semi platforms in a hundred years condition

表6為兩座半潛式平臺百年一遇環境載荷下最大水平位移與最大纜繩張力的對比情況。

表6 兩座平臺最大水平偏移與最大纜繩張力對比Tab.6 The comparison of horizontal offsets and mooring line tension between two platforms

通過對比發現，相對于六立柱平臺中，四立柱平臺水平向的最大偏移量與纜繩張力較小，由此可見，盡量減小平臺的水線面面積，能有效降低平臺所承受的水平方向流體載荷，增大纜繩的安全裕度，有助于提高深水浮式平臺極端環境下的操作安全性。

5 結語

以兩座預想安裝在我國南海，作業水深為1 500 m的半潛式生產平臺為研究對象，采用數值模擬與模型試驗相結合方法對平臺的運動響應特性進行對比研究，得到結論如下:

兩座半潛式生產平臺在該油汽田百年一遇環境條件下的最大水平偏移量小于8%的作業水深，滿足設計要求，由于四立柱平臺受到的水平環境載荷更低，纜繩的安全裕度也更大，采用兩種方法得到的結果吻合校核;當極端環境載荷呈斜45°角入射時，纜繩出現最大系泊張力，是系泊系統的最危險狀態。截斷式系泊系統難以準確模擬纜繩的質量動力與粘性阻尼特性，導致最大系泊張力的試驗結果與計算結果相差較大，此外數值模擬方法不能準確評估深水平臺的甲板上浪問題，需結合模型試驗才能得出較為可信的結果。

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Comparative study of coupled dynamic characteristics for deepwater semi-submerged production platforms

ZHAO Jing-rui1，2，FAN Mo1，DUAN Meng-lan2
(1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China;2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The characteristics of coupled dynamic response for the moored semi-submerged production platforms are studied by the model experimental approach and the numerical simulation method in this paper.The coupled analysis models are established and the dynamic responses are obtained in time domain.An equivalent truncated model test is adopted，with the model scale 1:60，and the 6 DOF motion of the two platforms and the mooring line tensions are recorded in order to validate the numerical results.By comparing the full-depth numerical results，it is concluded that the dynamic response of the platform can be modeled quite well，but the difference of the mooring line tension is significant.In addition，enough attention should be paid to the green water problem in rough sea.

semi-submerged production platform;coupled dynamic analysis;equivalent truncated;model test;numerical simulation

P751

A

1005-9865(2012)04-0049-06

2011-11-25

中海油總公司綜合科研課題“南海深水浮式平臺水動力模型試驗研究”資助項目

趙晶瑞(1983－)，男，山西大同人，博士后，從事深水浮體系泊定位及設計方法研究。E-mail:zhaojr2@cnooc.com.cn