半潛式海洋平臺的水動力分析及波浪載荷預報

陳明璐，嵇春艷，劉 珍

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

半潛式海洋平臺的水動力分析及波浪載荷預報

陳明璐，嵇春艷，劉 珍

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，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，對一深水半潛式鉆井平臺進行了水動力分析，并進行了基于三維水動力分析的設(shè)計波方法的波浪載荷預報，為平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要參數(shù)。同時，對半潛式海洋平臺的水動力分析及波浪載荷預報的方法和流程進行了歸納總結(jié)。

半潛平臺；水動力分析；設(shè)計波

當陸上油氣資源經(jīng)過長期、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，傳統(tǒng)的導管架平臺和重力式平臺由于其自重和工程造價的限制，已不能適應深水油氣資源開發(fā)的需要。另一方面，從我國的現(xiàn)狀來看，目前我國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，開展深水平臺特別是主流設(shè)備——半潛式鉆井平臺的研究和開發(fā)是非常必要的。

1 研究方法及現(xiàn)狀

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

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

2 基于三維水動力理論的設(shè)計波方法

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

基于三維水動力理論的設(shè)計波方法主要有確定性及隨機性方法，其中，隨機性方法通過系統(tǒng)特征波浪載荷響應短期統(tǒng)計預報的極值得到設(shè)計規(guī)則波波高，考慮了波浪的隨機性和不規(guī)則性，因而更加科學、合理。采用隨機性設(shè)計波法，確定設(shè)計規(guī)則波參數(shù)：

（1）根據(jù)平臺尺度確定各典型波浪工況下的浪向和特征波長；

（2）計算單位波幅的特征響應，即響應幅算子(RAOs)；

（3）計算并設(shè)計有義波高Hs；

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

（5）計算每個海況下的短期預報極值，計算該浪向的最大規(guī)則波波幅。

3 數(shù)值計算

3.1 海洋平臺結(jié)構(gòu)概況及坐標系統(tǒng)

建立一新型深水半潛式海洋平臺（第六代）的有限元模型，平臺作業(yè)水深為3 000 m，最大鉆井深度可達10 000 m。平臺采用南海惡劣海況作為設(shè)計參數(shù)，可在南海、西非等深水海域工作。海洋平臺的主船體由兩個下浮體、四個立柱、四根橫撐及兩個下浮體組成。兩個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)由四個立柱與下浮體相連。采用SESAM/GeniE模塊建立海洋平臺模型，并根據(jù)重量報告調(diào)整結(jié)構(gòu)重量中心位置。坐標系按照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。海洋平臺的有限元模型見圖1所示。

圖1 半潛平臺有限元模型

圖2 海洋平臺水動力模型

3.2 位移邊界條件

海洋平臺結(jié)構(gòu)有限元計算時需消除6個自由度的剛體運動，選取3個不共線的節(jié)點約束剛體位移，節(jié)點取在下浮體的一個與水平面平行的平面內(nèi)。

3.3 水動力分析

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

圖3給出了半潛平臺在16 m吃水下垂蕩運動幅值響應函數(shù)，垂蕩運動對波浪比較敏感的區(qū)域頻率一般在0.25～0.31 rad/s，頻率為0.28 rad/s時響應最大。

圖3 半潛平臺六自由度響應RAO

3.4 設(shè)計波方法

3.4.1 設(shè)計海況

由風、流引起的環(huán)境荷載較穩(wěn)定，不會對海洋平臺總體結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生明顯影響，而且在采用設(shè)計波方法進行海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以不考慮風、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。本文選取海洋平臺設(shè)計工作區(qū)域海況的海浪譜，采用JONSWAP譜，參數(shù)如表1所列。

表1 設(shè)計海況參數(shù)

表2 自存工況下設(shè)計波參數(shù)

表3 作業(yè)工況下設(shè)計波參數(shù)

3.4.2 設(shè)計波參數(shù)的確定

根據(jù)海洋平臺自存和作業(yè)工況下的設(shè)計海況，基于ABS規(guī)范[6]確定設(shè)計波參數(shù)要求，計算波浪誘導的最大典型剖面載荷，進而確定自存工況和作業(yè)工況下的設(shè)計波，根據(jù)規(guī)范要求與工程實踐經(jīng)驗，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)計波參數(shù)見表2～表3。

4 結(jié)論

本文結(jié)合分析實例，研究了一半潛式鉆井平臺的水動力性能及波浪載荷預報的分析方法和流程。通過理論研究和數(shù)值分析可以得到以下結(jié)論：

（1）海洋工程結(jié)構(gòu)中，對于大型半潛式平臺根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點采取Morison方程和繞射理論相結(jié)合的方法進行水動力分析。基于這一理論方法進行粘性修正，采用SESAM／WADAM計算大型半潛式平臺的水動力數(shù)值預報，結(jié)果可行、可信。

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

（3）本文對一深水半潛式平臺的六自由度運動進行了理論預報，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，所以需進一步進行模型試驗，結(jié)合模型試驗進行局部修正。

[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.半潛式平臺結(jié)構(gòu)強度分析中的波浪載荷計算[J].中國海洋平臺，2003,18(2)∶1-4.

[3]李輝,任慧龍,陳北燕,等.深水半潛式平臺波浪載荷計算方法研究[J].華中科技大學學報(自然科學版)，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運動特性和波浪載荷的計算[J].中國海上油氣，2008,20(5)∶349-352.

[5]錢昆.浮體在大幅波浪中的運動和荷載計算研究[D].大連∶大連理工大學，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

國家自然科學基金資助項目（51209107）

陳明璐（1986-），女，碩士，研究方向為海上結(jié)構(gòu)物性能。Email：chenminglu0119@163.com