特征參數對延伸式張力腿平臺運動性能影響

陳孝建，劉玉卿，楊樹耕，張振宇，劉小燕，孫華峰

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300459） ①

特征參數對延伸式張力腿平臺運動性能影響

陳孝建1，劉玉卿1，楊樹耕1，張振宇1，劉小燕1，孫華峰2

（1.天津大學建筑工程學院，天津300072；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300459）①

在深水平臺的設計與分析中，調整平臺某種參數以提高某一性能時，經常受到其他功能或性能的約束。應用SESAM軟件建立延伸式張力腿平臺的三維水動力模型，采用勢流理論進行計算分析，獲得延伸式張力腿平臺運動響應的傳遞函數。在此基礎上研究各特征參數對平臺水動力性能的影響。研究結果對延伸式張力腿平臺初期設計時各特征參數的確定具有指導意義。

延伸式張力腿平臺；特征參數；運動性能；傳遞函數

在深海作業中，張力腿平臺具有運動性能良好、抗惡劣環境作用能力強、造價比固定式平臺低等優點，因此是今后一段時間內深水石油平臺的主要形式之一。通過對傳統張力腿平臺的主體結構進行一定的改良設計，得到延伸式張力腿平臺。與傳統類型張力腿平臺比較，延伸式張力腿平臺具有更大的承載能力、更優良的運動性能、更高效更低風險的項目運行計劃。以前學者對我國南海深水油田浮式鉆采平臺的選型建議為：在＜1 500m水深時應以張力腿平臺為首選［1］；根據后來學者的進一步研究表明，在張力腿平臺中又以延伸式張力腿平臺為首選［2］。當前，我國的海上油氣開發事業正處在由淺海向深海的過渡階段，對深水平臺的研究和設計已經迫在眉睫，延伸式張力腿平臺在我國深水石油的開發中將發揮重要作用。

本文應用三維勢流理論，以挪威船級社（DNV）的SESAM程序系統作為主要分析工具，對延伸式張力腿平臺各特征參數（例如，立柱間距、重力配置、平臺上體質量（吃水深度）、張力腿的預張力、剛度等）與平臺運動性能之間的關系進行了研究，對延伸式張力腿平臺初期研究和設計具有一定的參考價值。

1 理論基礎

1.1 規則波中的平臺運動響應計算原理

延伸式張力腿平臺的下體結構是由立柱和浮筒組成，屬于大型結構物。對于在波浪場中小振幅運動的大型結構物，波浪對結構的作用可以分解為2個方面，即，繞射作用和輻射作用［3］。

應用SESAM程序的HydroD／Wadam模塊進行計算，由Newtons定律以及包含附加質量、阻尼和作用在動力模型中的板單元以及莫里森單元上的激振力而形成運動方程［4］為

式中，M為6×6階質量矩陣；A（ω）為6×6階波浪附加質量矩陣；B（ω）p為6×6階勢流阻尼矩陣；Bv為6×6階線性粘性阻尼矩陣；C為靜力回復矩陣；Ce為外部回復矩陣；X（ω，β）為運動矢量；F（ω，β）為波浪外部激振力矩陣（i為虛數單位）。

1.2 傳遞函數

傳遞函數是浮體在單位規則波幅的簡諧波作用下的浮體響應。隨時間變化的響應量R（ω，β，t）與傳遞函數H（ω，β）的關系為［5］

R（ω，β，t）＝ARe［｜H（ω，β）｜ei（ωt＋）］

式中，A為入射波的幅值，ω為入射波的角頻率，β為入射波的方向，t為時間，為相位角（e為自然常數；Re表示復數的實部）。

2 特征參數對平臺運動性能影響

張力腿平臺在風、浪、流力作用下會產生水平位移（縱蕩和橫蕩），并且是往復變動的，因而不利于作業，因此這一運動性能成為張力腿平臺的一個重要技術指標。對于采用干式采油樹的張力腿平臺，垂蕩運動性能也顯得尤為重要。對于張力腿平臺，縱搖、橫搖和艏搖運動相比于縱蕩、橫蕩和垂蕩運動要小很多［6］。為突出主要矛盾，簡化問題，并結合結構形式的對稱性，本文主要考慮縱蕩與垂蕩運動性能。

用于分析的ETLP的主尺寸是以ABB公司為東南亞海域設計的一座延伸式張力腿平臺為母型而確定的，主要尺寸為：采用2層甲板，間距9m，甲板寬度66m×66m，甲板間采用桁架連接；立柱直徑16m，浮筒寬8m、高8m，懸臂浮筒長10m、寬11.31m、高8m。在HydroD中建立的典型的水動力模型如圖1所示。

研究的環境條件選用南海某海域一年一遇海況：有義波高6m，譜峰周期11.2s，水深1 500m，波浪譜為Bretschneider譜。波浪入射方向取0°，計算波浪頻率為0.2～2.0rad／s，步長取0.2，共10個波浪頻率。

圖1 ETLP水動力模型

2.1 立柱間距敏感性

立柱間距分別取為48、56、64m?？v蕩和垂蕩傳遞函數幅值比較如圖2～3。

圖2 不同立柱間距時縱蕩RAO幅值比較

圖3 不同立柱間距時垂蕩RAO幅值比較

由圖2～3可以看出，隨著立柱間距的改變，ETLP在低頻波浪和高頻波浪區的運動響應表現出不一樣的規律。在低頻區，縱蕩和垂蕩運動是隨著立柱間距的加大而減小的，但是在中高頻區表現出極大的不規律性。

2.2 重力布置敏感性

結構總重力為216 741kN，在允許范圍內通過調整平臺質量分布來改變重力的布置，縱蕩和垂蕩傳遞函數幅值比較如圖4～5。

圖4 不同重力布置時縱蕩RAO幅值比較

圖5 不同重力布置時垂蕩RAO幅值比較

由圖4～5可以看出：對于不同的重力布置，縱蕩和垂蕩運動的RAO幅值曲線在整個波頻范圍內都分別重合，即ETLP的運動響應不會隨著重力布置的變化而改變，平臺的運動響應對重力配置的變化不敏感。

2.3 上體重力敏感性分析（吃水變化）

重力的變化必然引起吃水的變化，減小平臺上體質量并調整結構吃水。調整后結構重力分別為216 741、187 889、159 037kN，對應吃水分別為29.5、26.0、22.5m。縱蕩和垂蕩傳遞函數幅值比較如圖6～7。

圖6 不同吃水深度時縱蕩RAO幅值比較

圖7 不同吃水深度時垂蕩RAO幅值比較

由圖6～7看以得出：在整個波頻范圍內，隨著上體質量的減小，吃水減小，平臺的運動響應是逐漸增大的。垂蕩運動性能對于吃水的變化更敏感。

2.4 系索剛度敏感性

系索剛度分別取為60 500、50 500、40 500 kN／m時，縱蕩和垂蕩傳遞函數幅值比較如圖8～9。系索剛度的變化不宜過大，太大的剛度對平臺的運動響應影響較?。?－8］，因此所選用于比較的剛度變化幅度不應過大。

圖8 不同系索鋼度時縱蕩RAO幅值比較

圖9 不同系索鋼度時垂蕩RAO幅值比較

圖8表明：在不同的系索剛度下，整個波頻范圍內，平臺縱蕩RAO幅值曲線都是重合的，因此系索剛度的變化不會引起縱蕩運動性能的變化。圖9則表明，垂蕩會隨著剛度的減小產生更大的運動幅值。

2.5 系索預張力敏感性

系索預張力分別取為占總排水量的25%、 30%、35%時，縱蕩和垂蕩傳遞函數幅值比較如圖10～11。

圖10 不同系索預張力時縱蕩RAO幅值比較

圖11 不同系索預張力時垂蕩RAO幅值比較

圖10表明：隨著系索預張力的增大，結構縱蕩運動響應有所增加，但低頻區要比高頻區敏感。圖11表明，垂蕩運動響應不會隨著系索預張力的增大而改變，其RAO幅值曲線在整個波頻范圍內重合。

2.6 結果比較

1） 入射波方向相同時，雖然各特征參數有所改變，但同一運動模態的傳遞函數曲線形狀十分相似。傳遞函數表征了波浪譜與平臺運動響應之間的關系，因此它是對平臺自身性質的一種反映。只要不出現浮體出水或者顯著上浪等極端情況，平臺運動的響應傳遞函數隨頻率的變化趨勢都應基本保持一致。

2） 因為垂蕩運動與縱蕩運動的耦合作用非常明顯，因此二者的響應傳遞函數隨頻率的變化趨勢基本一致。通常情況下，因為平臺上體中縱剖面所受彎矩隨立柱間距的增大而增大，考慮到結構的安全性和可靠性，要求在良好穩性的條件下盡量減小立柱間距，以保證結構在強度上的要求，且可以降低平臺造價。

3） 平臺總重力不變的情況下，其重心位置的變化不會引起平臺運動性能的變化，因而可以使平臺的總布置設計具有更大的靈活性，以達到工藝布置與結構強度的最優化配置。

4） 平臺吃水減小，平臺氣隙則增加，平臺的縱蕩和垂蕩響應均增大，因此增加平臺的氣隙是以損失結構的運動性能為代價的。

5） 雖然剛度的減小會帶來垂蕩運動的幅值有所增加，但也使得結構具有更好的順應性，從而可以使垂蕩所帶來的系索張力的變化很小。在保證系索強度和平臺運動性能在允許范圍的條件下，可以適當降低系索剛度，這樣不僅有利于增大垂蕩運動固有周期，使上部人員更加舒適，而且可以降低系索的造價。

6） 雖然系索預張力的減小有助于減小平臺的縱蕩運動幅值，但是出于整體安全性的要求，考慮破艙和潮差等因素的影響，系索預張力不應過小。根據API的規定，要求25%～45%的浮力用于提供系索張力。

3 結語

目前，隨著陸上和近海石油資源開發漸近枯竭，我國對于南海深水油氣資源的勘探開發已經到了刻不容緩的地步。本文研究了各特征參數對延伸式張力腿平臺運動性能的影響，其結果不僅可以應用于延伸式張力腿平臺的研究和設計中，而且可以將其應用到一般張力腿平臺的設計與分析中。另外，可以更好地協調平臺的功能和運動性能之間的關系，使平臺各項功能與性能之間達到一個相對最優平衡，對我國張力腿平臺平臺的研發和設計具有重要意義。

［1］ 謝 彬，張愛霞，段夢蘭.中國南海深水油氣田開發工程模式及平臺選型［J］.石油學報，2007（1）：1－2.

［2］ 李 牧.南海張力腿平臺優化選型研究［D］.天津：天津大學，2009.

［3］ 胡志敏，董艷秋，張建民.張力腿平臺波浪載荷計算［J］.中國海洋平臺，2002，17（3）：6－11.

［4］ DNV.SESAM User Manual HydroD Version 4.2［K］.2008.

［5］ DNV.SESAM User Manual Postresp Version 6.2［K］.2007.

［6］ 董艷秋.深海采油平臺波浪載荷及響應［M］.天津：天津大學出版社，2005.

［7］ 任順利，陳建民，梁艷霞.張力腿剛度對平臺運動響應影響分析［J］.石油礦場機械，2008，37（5）：28－31.

［8］ 張彥廷，劉振東，姜 浩，等.浮式鉆井平臺升沉補償系統主動力研究［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：1－4.

Influence of Characteristic Parameters on ETLP’s Motion Performance

CHEN Xiao－jian1，LIU Yu－qing1，YANG Shu－geng1，ZHANG Zhen－yu1，LIU Xiao－yan1，SUN Hua－feng2
（1.College of Architectural Engineering，Tianjin University，Tianjin300072，China；2.Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin300459，China）

In the design and analysis of deep－water platform，it is often affected by constraints of other functional or performance while adjusting aparameter to improve the platform performance.The SASEM procedure was used to build the 3Dhydrodynamic finite element model of ETLP.Then the transfer functions were calculated for motion performance of ETLP by the way of utilizing potential flow theory.The influence of characteristic parameters on ETLP’s hydrodynamic performance was studied on the basis of calculations.The research results are valuable for determining the characteristic parameters in the early design of ETLP.

ETLP；characteristic parameters；motion performance；transfer function

1001－3482（2012）04－0021－04

TE951

A

2011－10－26

陳孝建（1986－），男，江西南昌人，碩士研究生，主要從事海洋工程結構物設計與制造工作，E－mail：figochen＠tju.edu.cn。