一種新型深水浮式平臺及其系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)分析

鄧小康，謝文會，李 陽，韓旭亮

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028)

0 引言

目前，世界范圍內(nèi)可用于深水域（300～1500m）和超深水域（1500m以上）油氣開發(fā)的浮式平臺類型主要包括浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)（FPSO）、張力腿平臺（TLP）、Spar平臺以及半潛式平臺（Sem i-FPS）。其中TLP和Spar平臺具有良好的運動性能，可采用干式采油樹，而FPSO和半潛式平臺因其垂蕩周期接近波浪周期，運動性能相對較差，只能采用濕式采油樹[1]。同時，TLP平臺對高頻波浪力較敏感，且其造價隨水深增加而急劇增加；Spar平臺則由于主體結(jié)構(gòu)較長，海上運輸和安裝難度較大，且平臺甲板空間較小，圓柱結(jié)構(gòu)也易引起渦激運動問題[2]。相較于其他3種浮式平臺，半潛式平臺的優(yōu)勢更加明顯：1）平臺造價較低，且對水深增加不敏感；2）平臺甲板面積大，裝載能力強；3）海上運輸和安裝更為簡單。因此，如何減小半潛式平臺的垂蕩運動以支持干式采油樹成為了國內(nèi)外學(xué)者和專家研究的熱點。

Haslum和Faltinsen通過研究發(fā)現(xiàn)減少運動響應(yīng)主要有3種方式：1）增加平臺阻尼；2）使平臺垂蕩固有周期遠(yuǎn)離波能范圍；3）減小垂蕩激勵力[3]。于是，眾多學(xué)者和專家通過增加平臺吃水[4]、安裝垂蕩板[5–6]、設(shè)置雙層下浮體等方法設(shè)計和研究了桁架式半潛平臺[7–8]、可伸展吃水半潛式平臺[7–9]、斜立柱半潛式平臺[10–11]和自由懸掛固體壓載艙半潛式平臺[12]。大量的研究表明，這些新型半潛式平臺的垂向附加質(zhì)量顯著增大，垂蕩固有周期顯著提高，垂蕩運動顯著減小，可滿足干式采油樹的使用要求。

為適應(yīng)南海深海海域油氣資源開發(fā)特點，提高我國深水浮式平臺自主設(shè)計能力，中海油研究總院研發(fā)團隊設(shè)計了一種新型深水浮式平臺–深水不倒翁平臺（DTP），該平臺在傳統(tǒng)深吃水半潛式平臺的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置帶有垂蕩板的下浮箱，提高了平臺的附加質(zhì)量和阻尼，從而提高了平臺的垂蕩固有周期并極大減少了平臺垂蕩運動，滿足了干式采油樹的使用要求[13 –14]。

本文以DTP平臺為研究對象，研究該平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力，并與試驗結(jié)果相對比，驗證數(shù)值方法的正確性。以百年一遇風(fēng)浪流組合工況為例，分析不同浪向角下，平臺運動響應(yīng)及錨鏈力變化特性。隨后，假設(shè)一根錨鏈發(fā)生斷裂，探討平臺各項性能參數(shù)變化，并研究伸縮立柱長度對平臺各項性能的影響。

1 基本理論

1.1 三維線性勢流理論

假定流體為均勻、不可壓縮、無粘、無旋，則流動的基本方程為關(guān)于速度勢的線性Laplace方程，其定解條件為自由液面條件、物面條件、海底條件、輻射條件以及初始條件。

速度勢φ可分解為入射勢φi、繞射勢φd和對應(yīng)于物體各運動模態(tài)的輻射勢 φm j：

1.2 頻域運動方程

平臺在波浪激勵力、附加質(zhì)量和阻尼等作用下的一階頻域運動方程可表述為：

式中：m為質(zhì)量矩陣；μ為附加質(zhì)量矩陣；λ為阻尼系數(shù)矩陣；c為回復(fù)力系數(shù)矩陣；f為結(jié)構(gòu)物所受到的一階波浪力。

1.3 低頻時域運動方程

半潛式平臺在風(fēng)浪流作用下的低頻運動方程為：

式中：m和I分別為半潛式平臺質(zhì)量和慣性矩；μi j為附加 質(zhì) 量；為 阻 尼 系 數(shù)；和分別為i方向上的風(fēng)力，流力，波浪力和錨泊線張力（i=1,2,6）。

1.4 波頻時域運動方程

基于線性流體動力理論的波頻時域運動方程可寫為：

式中：xj(t)為 波頻運動；Mij和Cij分別為質(zhì) 量 矩陣和靜恢復(fù)力矩陣；μij為頻域里 ω→∞時的附加質(zhì)量矩陣μij(∞)；Ki j(t)為時延函數(shù)，表征了由于自由面記憶效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

2 數(shù)值分析模型

2.1 DTP平臺模型

如圖1所示，DTP平臺由甲板、浮體結(jié)構(gòu)、系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)組成，表1詳細(xì)列出了平臺的各項主尺度參數(shù)。

圖1 DTP平臺Fig.1 DTPplatform

表1 DTP平臺主尺度參數(shù)Tab.1 The main parametersof DTP platform

2.2 系泊系統(tǒng)參數(shù)

如圖2所示，DTP平臺的深水系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成，每根系泊纜均采用典型的鏈-纜-鏈3段組合形式，表2給出了系泊纜具體參數(shù)。

圖2 DTP平臺系泊系統(tǒng)布置圖Fig.2 The mooring system of DTP platform

表2 DTP平臺系泊纜參數(shù)Tab.2 The mooring line parameters of DTP platform

2.3 環(huán)境工況參數(shù)

本文選取南海目標(biāo)油氣田一年一遇波浪工況、百年一遇波浪工況以及百年一遇風(fēng)浪流組合工況對平臺的運動性能和系泊性能進(jìn)行分析，具體環(huán)境工況參數(shù)詳見表3。應(yīng)注意，表3中的流速為自由液面處的流速，然而試驗中的流速隨水深變化而變化，具體參數(shù)詳見表4。

表3 環(huán)境工況參數(shù)Tab.3 The parameters of sea states

表4 流參數(shù)Tab.4 The parametersof current

3 頻域水動力分析

本文采用Sesam軟件對DTP平臺的水動力系數(shù)進(jìn)行頻域分析，主要通過GeniE模塊建立平臺的濕表面模型，并將該模型導(dǎo)入到HydroD模塊中以建立平臺的水動力模型（見圖3）。

圖 3 DTP平臺水動力模型Fig.3 The hydrodynamicmodel of DTP platform

3.1 附加質(zhì)量和勢流阻尼

本文分別選取附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)在主對角線上的6個數(shù)值以研究其隨波浪頻率的變化規(guī)律。圖4和圖5分別給出了DTP平臺附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)隨波浪頻率的變化規(guī)律。可以看出，平臺平動（縱蕩、橫蕩、垂蕩）附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平臺轉(zhuǎn)動（縱搖、橫搖、首搖）附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)，這一結(jié)論與梁寧等[15]的研究結(jié)果相一致。此外，由于DTP平臺關(guān)于X，Y軸對稱，因此平臺縱蕩與橫蕩的附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)相同，橫搖與縱搖的附加質(zhì)量系數(shù)及勢流阻尼系數(shù)也相同。

3.2 幅值響應(yīng)函數(shù)

圖6 展示了DTP平臺的運動響應(yīng)幅值算子（RAO）隨波浪周期的變化情況。可以看出，DTP平臺的垂蕩運動抵消周期為26 s，固有周期為32 s，而橫搖、縱搖運動的固有周期在28 s左右，均遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)半潛式平臺的相應(yīng)固有周期，且有效地避開了波浪能量集中的周期范圍。由于未考慮系泊系統(tǒng)，平臺橫蕩、縱蕩運動在經(jīng)歷了一小一大兩峰值后，隨波浪周期增大而持續(xù)增大。平臺首搖運動在波浪周期為7 s時達(dá)到最大值，隨后快速減小并趨于0。

圖4 DTP平臺附加質(zhì)量Fig.4 The added massof DTP platform

圖5 DTP平臺勢流阻尼Fig.5 The potential damping of DTP platform

4 時域水動力分析

4.1 數(shù)值方法驗證

在頻域分析的基礎(chǔ)上，將所得各項水動力系數(shù)導(dǎo)入到OrcFlex軟件中以進(jìn)行時域分析，耦合分析模型如圖7所示。圖中淺色網(wǎng)格代表自由液面，深色網(wǎng)格代表海底。

圖6 DTP平臺幅值響應(yīng)函數(shù)Fig.6 The RAO of DTP platform

圖7 DTP平臺耦合分析模型Fig.7 The coupling model of DTPplatform

與頻域分析相同，本文首先通過對比姜哲等[14]的試驗結(jié)果以驗證所采用的時域計算方法的正確性。具體通過模擬包括系泊系統(tǒng)的DTP平臺的靜水衰減試驗，得到平臺橫搖、縱搖和垂蕩運動固有周期的數(shù)值解并與試驗結(jié)果對比。在此基礎(chǔ)上，再對3種工況下平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力進(jìn)行模擬，并將數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，最終確認(rèn)本文所采用的時域計算方法的正確性。表5給出了包括系泊系統(tǒng)的DTP平臺橫搖、縱搖和垂蕩運動固有周期的試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果，3種運動的固有周期模擬誤差皆小于5%，說明本文所采用的時域計算方法可以準(zhǔn)確地模擬DTP平臺在靜水中的自由衰減運動。表6給出了在南海一年一遇波浪工況、百年一遇波浪工況以及百年一遇風(fēng)浪流組合工況下DTP平臺運動響應(yīng)及錨鏈力的試驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果。結(jié)果表明，除一年一遇波浪工況下平臺縱蕩模擬誤差較大外，其余參數(shù)的模擬誤差皆在合理范圍之內(nèi)。因此，可認(rèn)為本文所采用的時域計算方法能夠準(zhǔn)確地模擬DTP平臺在波浪中的運動。

表5 固有周期對比Tab.5 The comparison of natural periods

4.2 完整工況分析

本文以百年一遇風(fēng)浪流組合工況為研究重點，模擬了在浪向角為0°，45°，90°時DTP平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力，模擬時長為3 h，且偏保守考慮，假設(shè)風(fēng)、浪、流同向。

表7 為完整工況下DTP平臺運動的統(tǒng)計結(jié)果，其最大水平位移為69.20m（與水深之比為4.6%），最大轉(zhuǎn)動幅值為5.26°，最大垂蕩幅值為3.9 m，說明DTP平臺在百年一遇風(fēng)浪流組合工況下仍具有良好的運動性能。表8為完整工況下DTP平臺錨鏈力的統(tǒng)計結(jié)果，其最大錨鏈力為10103.70 kN，系泊安全系數(shù)為1.71，大于允許安全系數(shù)1.67，滿足安全要求。

表6 運動及錨鏈力對比Tab.6 The comparison of motion responsesand mooring forces

表7 完整工況下DTP平臺運動統(tǒng)計結(jié)果Tab. 7 The motion statistics of DTPplatform with full mooring lines

表8 完整工況下DTP平臺錨鏈力統(tǒng)計結(jié)果Tab.8 The mooring force statisticsof DTP platform w ith full mooring lines

4.3 破斷工況分析

本文在完整工況的基礎(chǔ)上，假設(shè)錨鏈7發(fā)生斷裂，模擬了破斷工況下DTP平臺的運動響應(yīng)及錨鏈力。

表9 和表10分別給出了破斷工況下DTP平臺運動和錨鏈力的統(tǒng)計結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，破斷工況下平臺最大水平位移為83.61m（與水深之比為5.6%），最大轉(zhuǎn)動幅值為4.89°，最大垂蕩幅值為3.94 m。破斷工況下，平臺最大錨鏈力為13368.35 kN，系泊安全系數(shù)為1.29，大于允許安全系數(shù)1.25，因此滿足安全要求。

與完整工況下平臺相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，7號錨鏈斷裂使得平臺水平運動及錨鏈力急速增大，水平位移增大20.8%，最大錨鏈力增大32.3%。相反，錨鏈斷裂對平臺垂蕩運動及轉(zhuǎn)動影響較小。

4.4 伸縮立柱長度影響

為更加全面地研究DTP平臺的各項性能，本文針對伸縮立柱長度做敏感性分析，分別取伸縮立柱長度為41m，46m和51m以研究伸縮立柱長度對平臺運動及錨鏈力的影響。同時，本文還模擬了相同主尺度的傳統(tǒng)半潛式平臺的各項性能以進(jìn)行對比研究。

表11 為C1工況下，傳統(tǒng)半潛式平臺和3種具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺運動及錨鏈力的統(tǒng)計結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)半潛式平臺的縱蕩運動和錨鏈力小于DTP平臺，這是因為下浮箱的存在增大了平臺的受力面積。相反，傳統(tǒng)半潛式平臺的垂蕩和縱搖運動則遠(yuǎn)大于DTP平臺，這是由于下浮箱和垂蕩板的存在極大地增加了平臺的附加質(zhì)量而導(dǎo)致的。

對比3種具有不同伸縮立柱長度DTP平臺的各項參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，平臺的縱蕩運動、縱搖運動和錨鏈力隨伸縮立柱長度增加而增大，而垂蕩運動則隨伸縮立柱長度增加而減小。圖8為3種具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺的垂蕩附加質(zhì)量，可以看出平臺的垂蕩附加質(zhì)量隨伸縮立柱長度增加而增大，說明伸縮立柱長度能夠影響平臺垂蕩運動的原因。

表9 破斷工況下DTP平臺運動統(tǒng)計結(jié)果Tab.9 The motion statistics of DTPplatform w ith a mooring lines broken

表10 破斷工況下DTP平臺錨鏈力統(tǒng)計結(jié)果Tab.10 The mooring force statisticsof DTP platform with a mooring lines broken

表11 具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺運動及錨鏈力統(tǒng)計結(jié)果Tab.11 The motion and mooring force statistics of DTP platform w ith different column lengths

圖8 具有不同伸縮立柱長度的DTP平臺垂蕩附加質(zhì)量Fig.8 The added massof DTP platform with different column lengths

5 結(jié) 語

本文針對DTP平臺，采用頻域和時域分析方法對平臺的水動力參數(shù)、運動響應(yīng)、錨鏈力等進(jìn)行研究，數(shù)值分析和試驗研究結(jié)果對比驗證，表明DTP平臺具有優(yōu)越的垂蕩運動性能，可支持干式采油樹，且適用于南海惡劣海況，具體結(jié)論如下：

1）在極端海況下，如若某一根錨鏈發(fā)生斷裂，會使得平臺水平運動及錨鏈力急速增大，而對平臺垂蕩運動及轉(zhuǎn)動影響較小；

2）與傳統(tǒng)半潛式平臺相比，DTP平臺下設(shè)下浮箱及垂蕩板，下浮箱及垂蕩板的存在極大地增大了平臺的垂蕩附加質(zhì)量，從而極大地減小了平臺的垂蕩運動；

3）平臺的縱蕩運動、縱搖運動和錨鏈力隨伸縮立柱長度增加而增大，而垂蕩運動則隨伸縮立柱長度增加而減小，平臺垂蕩運動的減小是因為伸縮立柱長度的增加，使得平臺垂蕩附加質(zhì)量增大，從而抑制了平臺的垂蕩運動。