南海張力腿平臺在位總體性能數值計算分析

張法富，高靜坤，楊小龍，蔡元浪

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067)

南海張力腿平臺在位總體性能數值計算分析

張法富1，高靜坤2，楊小龍1，蔡元浪1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518067)

系統闡述了張力腿平臺(TLP)在位總體性能分析的設計工況分類原則及數值計算流程，簡要介紹了頻域及時域分析方法。結合南海TLP前端設計，重點介紹了TLP數值建模遵循的原則以及平臺質量特性、張力筋腱和立管的剛度及外部阻尼的計算方法。最后通過實例計算給出南海環境條件下TLP在位總體性能計算結果。所用流程及方法可供南海深水浮式平臺設計參考。

張力腿平臺；在位總體性能；南海；數值計算；前端設計

0 引 言

隨著南海油氣勘探的發現及我國深水油氣開采技術能力的提升，南海深水油氣資源的開采已具備條件。與其他深水浮式平臺相比，張力腿平臺(TLP)適用作業水深300～1 500 m，具有耐波性能良好、可使用干式采油以及技術成熟、有良好的安全記錄等優點，雖然起步較晚，但發展迅速，已成為海上深水油氣田開發的重要裝備之一。目前全球在役的TLP平臺已有29座，按結構形式可分為傳統式、SeaStar系列、MOSES系列以及延伸式4種形式[1]。

TLP各階段設計采用循環設計理念[2]，TLP主尺度設計是漸次遞進、逐步優化的過程。我國南海環境條件惡劣，近年來超強臺風等極具破壞力的極端海況頻繁出現，對平臺安全性提出了嚴峻挑戰。TLP平臺總體性能分析為平臺設計提供計算依據，并為船體結構、上部組塊、張力筋腱、張力腿基礎及立管等設計提供輸入數據。本文主要對TLP在位總體性能工況定義、分析流程、涉及理論及數值建模方法進行了較為深入的研究，通過實例計算給出在位總體性能運動RAO及時域分析結果，相關方法可作為TLP在位總體性能分析的基礎或參考。

1 在位總體性能分析流程

TLP總體性能分析可分為服役前和在位兩個階段。服役前指平臺塢內建造至海上安裝的過程，在位階段主要指平臺在位條件下可能經歷的各種工況。本文對TLP在位總體性能分析進行探討。根據南海環境條件，TLP的設計工況可以分為以下幾類：設計操作條件，一年一遇臺風；設計極端條件，百年一遇臺風；設計生存條件，千年一遇臺風；鉆井作業條件，十年一遇非臺風。

設計工況的定義需考慮安全等級進行分類，安全等級A,B和S的定義同美國石油學會(API)規范[2]，A代表操作條件，B代表極端條件，S代表生存條件。TLP在位總體性能分析工況分類如表1所示。

表1 在位總體性能分析工況分類

表1中完整工況及艙室破損工況與一般定義相同，張力筋腱進水工況主要評估某一根張力筋腱進水后平臺的性能，進水原因包括碰撞，滲水等；張力筋腱移除工況為假定進行張力筋腱移除作業后，在張力筋腱尚未回接就位前，平臺遭遇風暴，此時需要對平臺在惡劣海況下的總體性能進行評估。在總體性能分析中，每一個作業工況都對應一個數值分析模型，模型中的重心位置、質量分布等需要考慮到作業類型、壓載方案的影響。另外，環境條件中還應包括潮位影響，以期得到平臺在最惡劣條件下的表現。

對于不同的設計階段以及不同的平臺結構形式和功能要求，設計工況存在很大差異。設計工況制定完成后，需要利用軟件工具對每個工況進行數值分析。通過軟件計算得到TLP平臺在所有設計工況的運動響應及張力筋腱/立管拉力響應、氣隙值和上部組塊加速度、船體及甲板結構設計所需的水動力載荷等。TLP在位總體性能數值分析流程如圖1所示。

2 分析方法

目前商用軟件對浮體總體響應的分析方法主要基于頻域分析與時域分析[3-4]。本文對三維勢流理論及速度勢求解、邊界條件等經典水動力學理論[5-7]不再展開討論，主要探討頻域及時域分析方法計算TLP在位總體性能時應考慮的問題。

2.1 頻域分析法

頻域分析法通過諧波分析或者拉普拉斯和傅立葉變換得到平臺運動方程的解。浮體頻域運動方程為

[-ω2(M+A(ω)+iω(B(ω)+Bv+Be)+C+Ce]X(ω,β)=F(ω,β),

(1)

式中：ω為波浪頻率；β為相位角；X(ω,β)為位移；M為質量矩陣；A(ω)為與頻率相關的附加質量矩陣；B(ω)為與頻率相關的勢流阻尼矩陣；Bv為線性化的黏性阻尼矩陣；Be為外部連續阻尼矩陣，例如來自系泊系統的阻尼矩陣；C為靜水回復剛度矩陣；Ce為外部連續剛度矩陣，例如來自張力腿的線性變化剛度；F(ω,β)為波浪激勵力[8-9]。

頻域分析法是用于TLP在位性能評估的首要方法，包括評估總體運動、加速度和上部組塊/船體/甲板設計以及立管和張力腿系統設計需要的水動力載荷。對于船體結構設計，作用于船體水下部分水動壓力/載荷以及船體附近局部節點處的水質點運動也需要通過頻域分析獲得。一般來說，時域分析需要用到頻域分析的計算結果。

2.2 時域分析法

時域分析是對運動方程直接時間積分，能夠包含波浪和運動變量的非線性因素。浮體時域運動方程為

(2)

式中:[aij]為浮體的慣性質量陣；[mij(t)]為浮體的附加質量陣；[Kij(t)]為遲滯函數陣；[Cij]為靜水回復力陣；[Fi(t)]為波浪激勵力陣；[xi(t)]為浮體位移陣[5]。

式(2)中方程可以加入非線性回復力，非線性阻尼力以及系泊力的影響。TLP時域耦合分析同時對船體運行響應及張力腿/立管動態響應進行求解，作用于張力腿和立管的動態拖曳力和慣性效應可以模擬為由環境載荷引起的總體響應之一部分。非線性耦合分析要考慮TLP一些非線性連接部件，例如非線性液壓張緊器、張力腿斷裂瞬態效應等。TLP時域分析流程如下：

(1) 確定環境條件，如風速、流速、有義波高和周期、方向及風暴持續時間；

(2) 確定TLP的風流力系數和TLP水動力模型；

(3) 確定張力腿和系泊布置、質量特性和預張力；

(4) 準備時域分析輸入文件；

(5) 輸出文件進行后處理；

(6) 運用修正因子對運動、加速度、氣隙和張力腿張力等進行修正。

表2 典型南海環境條件

3 實例計算

海洋石油工程股份有限公司對TLP的研究[10-11]已經有十余年的技術積累。在此基礎上，本文依托工信部科研課題，以南海某油田TLP前端設計為例，采用數值計算方法，對TLP在位總體性能進行實例計算。

3.1 環境條件

典型南海環境條件如表2所示，表中各工況對應的環境重現期與表1中相同。從表2可以看出南海環境條件非常惡劣，對TLP設計構成嚴峻的挑戰。

3.2 TLP主尺度

南海某油田前端設計提出TLP+浮式生產儲卸裝置(FPSO)方案，油田水深404 m，TLP采用傳統結構形式，TLP主尺度如表3所示。

表3 TLP主尺度

3.3計算模型

3.3.1船體濕表面模型建模原則

TLP船體部分幾何模型(水下濕表面模型)用于進行水動力分析。對于有限元建模，需遵循以下原則：(1)網格對角線長度需小于最小波長的1/7；(2)幾何形狀突變區域(邊緣、拐角)網格需精細劃分；(3)水線附近網格需精細劃分，以確保計算波浪漂移力及短周期波浪的精確度。

除以上原則外，搭建一系列網格尺寸逐步縮小的模型，對每個模型進行快速水動力分析，直到對比結果收斂，也是確定水動力分析模型的重要手段。

3.3.2質量特性

TLP質量特性的準確性關系到靜態平衡位置和動態運動計算結果。船體和上部組塊重量在每個操作工況是不同的，所以需要建立對應于不同工況的質量矩陣。在頻域水動力分析中，張力腿和立管的有效質量需要考慮，本文取張力腿和立管干重的1/3為垂向有效質量和水平有效質量。TLP平臺質量矩陣計算公式為

(3)

式中：m為結構質量;xcg,ycg和zcg為重心坐標;Iij為慣性矩，rij為相對于坐標i和j的慣性半徑。

在時域耦合分析中，張力腿和立管需要建立詳細的有限元模型，其質量影響軟件會自動考慮。

3.3.3張力腿和立管剛度計算

頻域分析時，張力腿和立管剛度對船體結構的影響不可忽略。對于張力腿和立管，剛度計算公式如下：

K=TTKcT+

(4)

(5)

式中：EA,T,L,(cosα,cosβ,cosγ)分別為張力腿或立管的軸向剛度、預張力、長度和方向余弦;(xp,yp,zp)和(Fx,Fy,Fz)分別表示導纜孔坐標和管線預張力；從船體管線連接點到隨體坐標系原點的剛度轉移矩陣為

(6)

時域分析中，軟件會根據有限元模型自動計算張力腿和立管剛度。同時，頂部張緊式立管的張緊器剛度在頻域分析和時域分析中都需要考慮。

3.3.4TLP外部阻尼

除波浪輻射阻尼外，還需要考慮用于總體性能分析的外部阻尼。頻域分析時，基于工程項目經驗或者模型試驗數據，每個自由度的臨界阻尼可用于計算外部阻尼。阻尼矩陣通過TLP的質量矩陣、靜水剛度矩陣和附加剛度矩陣運用假定的阻尼比率進行計算。

在時域分析中，非線性阻尼主要源于TLP船體念性阻尼、TLP船體氣動阻尼以及張力腿和立管阻尼。

綜合考慮以上因素建立船體濕表面模型及時域耦合模型，如圖2、圖3所示。利用勢流軟件SesamWadam，采用二階非線性方法，對平臺進行水動力分析，利用SesamDeepC對平臺進行時域分析。

圖2 濕表面模型Fig.2 Wet surface model

圖3 時域耦合分析模型Fig.3 Time domain coupled model

3.4 計算結果

根據圖1計算流程，在位總體性能分析結果涉及運動、加速度、張力筋腱拉力及轉角、氣隙等，這體現了TLP設計的復雜性。TLP運動RAO如圖4所示。

采用雙參數韋伯爾分布對時域計算結果進行后處理，結果如表4所示。由于TLP在位總體性能分析工況復雜，本文僅列出各項計算結果的極值。

表4 在位總體性能分析結果

通過圖4 TLP運動RAO及表4中結果可以看出：(1)平臺在垂蕩、縱搖和橫搖三個自由度存在明顯的高頻響應，這是張力腿平臺區別于其他浮式平臺的顯著特征；(2)最大水平位移、最大垂向位移、張力筋腱底部/頂部最大轉角均在千年一遇環境條件完整工況下出現；(3)百年一遇環境條件，氣隙滿足要求，千年一遇環境條件局部出現負值氣隙；(4)對于張力筋腱最大張力，百年一遇環境條件，在有壓載補償的情況下移除一根張力筋腱為危險工況。

圖4 TLP運動RAOFig.4 TLP motion RAOs

4 結 語

本文TLP在位總體性能分析完整地計算了TLP主尺度設計關心的設計數據，計算結果表明表3中TLP主尺度方案能夠滿足南海環境條件要求。高頻波浪載荷對船體和張力筋腱的強度和疲勞設計有較大影響，在設計時應重點關注。在工程實踐中，生存工況允許一定程度的負值氣隙，對下甲板進行局部加強可能是比較實際的做法。由于數值計算不能準確模擬TLP設計過程中波浪爬升等非線性因素，本文計算結果需經模型試驗修正。

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In-PlaceGlobalPerformanceNumericalAnalysisforTLPatSouthChinaSea

ZHANG Fa-fu1, GAO Jing-kun2, YANG Xiao-long1, CAI Yuan-lang1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 2. CNOOC China Ltd. Shenzhen, Shenzhen， Guangdong 518067, China)

The load case category and numerical calculation procedure of tension leg platform (TLP) in-place global performance analysis are systematically stated. Meanwhile, the frequency domain method and time domain method are simply introduced. According to a TLP front end engineering design project at South China Sea, modeling principles related to panel meshing, calculation methods of TLP mass properties, stiffness introduced by tendons and risers, and TLP external damping are introduced. At last, the main results of in-place global performance analysis are listed. The procedure and methods used could be a reference for other analogous projects at South China Sea.

tension leg platform; in-place global performance; South China Sea; numerical calculation; front end engineering design

2016-04-03

工信部科研課題“500米水深油田生產裝備TLP自主研發”

張法富(1984—)，男，工程師，主要從事浮式結構物總體性能、動力定位等設計研究工作。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)02-0105-06