抑制半潛式平臺垂蕩響應的方法研究

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(中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266555)

常用的深水平臺主要有TLP、Spar和半潛式平臺。相對于Spar平臺和TLP平臺，半潛式平臺有著顯著的優點，自20世紀60年代以來，半潛式平臺在海洋油氣資源的勘探開發中得到了廣泛的應用，隨著結構形式的不斷改進，目前半潛式平臺已經發展至第6代。但是相對于Spar和TLP平臺，半潛式平臺有一個明顯的不足，那就是垂向運動幅度比較大，大大增加了鉆采作業的升沉補償成本。因此，研究抑制半潛式平臺的垂向運動具有重大的理論價值和應用價值。

1 增加吃水深度對垂蕩幅值的影響

1.1 吃水深度對垂蕩響應幅值影響的理論分析

載荷作用下，半潛式平臺的運動方程[1]為

(1)

式中：M——質量矩陣；

C——阻尼矩陣；

D1，D2——線性阻尼和二次阻尼矩陣；

f——速度矢量函數；

K——剛度矩陣；

x——位移矩陣；

F——外力。

通過調節壓載水艙中壓載水的質量來控制平臺的吃水深度。壓載水的質量越大，平臺吃水深度越大，平臺整體質量就越大。由式(1)可知，在平臺所受垂向力不變的情況下，平臺的垂向加速度隨質量的增加而減小，從而使平臺的垂向運動幅值降低。

半潛式平臺的垂蕩響應運動固有周期靠近波浪的能量周期，所以垂蕩運動較其他自由度響應在常規海況下更容易發生共振。非線性動力學理論研究表明[2]，平臺的吃水深度對抑制縱搖有效果。在數值計算過程中獲得了抑制規律。

1.2 增加吃水深度對平臺穩性的影響

初穩定高度是衡量平臺穩定性的重要指標，已知

(2)

(3)

I——水線面慣性矩；

▽——平臺排水體積。

1.3 吃水深度對半潛式平臺垂蕩響應影響的數值計算

理論分析得到：一定范圍內增加平臺吃水深度可以在保證平臺穩性的基礎上抑制半潛式平臺垂蕩響應幅值。為了得到增加平臺吃水對垂向響應的抑制效果，運用SESAM/HydroD軟件對在1 000 m水深情況下的同一艘半潛式平臺在不同吃水條件下進行了動態響應計算，見圖1。

圖1 增加吃水前后垂蕩響應幅值

計算中所用的波浪周期為：5、8、11、14、17、20、23、25 s。波向為0°，即沿X軸方向(艏艉方向，向艏為正)。該波浪周期為一般海況條件下的波浪周期[3]。

由圖1可見：約在頻率0.3 rad/s(波浪周期21 s)時，平臺垂蕩響應達到最大值，該頻率下的響應為共振響應。比較圖1a)、b)可知，增加吃水后，垂蕩響應最大值減小了22.03%。

通過對平臺的縱搖頻域響應計算還得到，波向為0°時，增加吃水，半潛式平臺縱搖幅值也有比較明顯的降低，平臺穩性增加。

圖2a)為吃水6.23 m情況下半潛式平臺對于單位幅度激勵波幅對應的響應幅值，圖2b)為吃水6.23 m情況下的響應幅值。對比兩圖可以看出，吃水深度增加以后，在頻率大于0.35 rad/s(波浪周期小于18 s)時，半潛式平臺的縱搖幅值大幅度減小。

圖2 增加吃水前后縱搖的響應幅值

2 錨鏈剛度對垂蕩響應幅值的影響

2.1 配置質量塊的方法

錨纜的剛度與錨鏈端點的位移(也就是半潛式平臺的位移)有著很大的關系。本文采用配置質量塊的方法提高錨泊剛度。

配置的質量塊見圖3，在錨纜A處增加一質量塊。當平臺處于設計的下沉的最低時，質量塊在重力作用下坐在海床上，這樣不會對平臺儲備浮力造成影響。當平臺從設計的最低位置上升時，鏈線上移，配置的質量塊將對錨鏈施加一個向下的附加力，抑制平臺上升。平臺上升的幅度越大，質量塊向下施加的附加力也越大，但以質量塊的質量力為限。這樣一來，使錨纜垂向剛度增加，平臺升沉幅度減小。

圖3 增加錨纜負重示意

2.2 抑制效果分析

以某半潛式平臺為例進行數值計算。服役海域水深為1 000 m，錨泊線配置[4]見圖4。

在有配置質量塊的情況下，平臺采用全錨纜形式錨泊，質量塊重100t。利用SESAM/DeepC軟件對平臺響應情況進行時域分析，得到配置質量塊前后的平臺響應的結果，見圖5、6。

圖4 錨泊線分布情況

圖5 未配置質量塊時半潛式平臺的垂蕩響應

圖6 配置質量塊后半潛式平臺的垂蕩響應

比較圖5與圖6可知，配置的質量塊對半潛式平臺的垂蕩響應具有比較明顯的抑制效果，在950 s的時間歷程內，最大幅值由原來的1.2 m降低到1.0 m，減小幅度達20%。

2.3 質量塊的重量確定

為了經濟地配置質量塊，對不同質量下的抑制作用進行計算分析。圖7是質量塊大小對平臺升沉的抑制曲線。

圖7 質量塊大小對垂蕩響應幅值影響效果分析

由圖7可以看出，在一定的工程條件下，當質量塊質量達到一定大小時，對平臺升沉的抑制幅值趨于平穩。因此，配置質量塊的重量應取曲線開始趨于平緩處對應的重量，在本文的工程條件下，質量塊的重量定為40 t即可。

3 結論

1)在工程允許的條件下，增加平臺的吃水深度可以比較顯著地降低平臺的垂蕩幅值，增加平臺的穩性。

2)在錨泊情況下，通過在錨纜上配置質量塊可以降低平臺的垂蕩響應幅值。當質量塊的重量達到一定值時，抑制效果漸趨平穩。因此，在一定的工程條件下，配置的質量塊重量有一個最佳值，在工程實際中應通過計算確定。

[1] 李潤培，王志農.海洋平臺強度分析[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[2] 田凱強.船舶參數激勵-強迫激勵非線性運動研究[D].天津：天津大學，1999.

[3] RAN ZhiHuang.Coupled dynamic analysis of floating structures in waves and currents[D].Texas：Texas A&M University,2000.

[4] 韓志勇，陳建民.海上石油工程[M].東營：中國石油大學出版社,2005.