半潛式支持平臺靠泊Spar的雙體水動力特性分析

2022-08-25 07:40:56隋海波陳國龍

船舶與海洋工程 2022年3期

隋海波，楊旭，康莊，陳國龍

（1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

半潛式支持平臺在多浮體輔助鉆井系統（Tender Assisted Drilling，TAD）中具有重要作用，不僅能為鉆井平臺提供鉆井設備和物資補給，而且能存儲和轉運鉆井平臺生產的原油，有效解決鉆井平臺的甲板空間緊張的問題，更經濟合理地改善其載重量，從而增加平臺的作業水深。此外，支持平臺能為鉆井工作人員提供更加安全舒適的工作和生活環境，當鉆井平臺出現緊急情況時，通過平臺之間的舷橋為該平臺上的工作人員提供撤離通道，遠離危險區域，降低風險和損失。在輔助鉆井系統開展鉆井作業期間，由于支持平臺與鉆井平臺之間的距離較小，會產生復雜的水動力干擾現象，對平臺的水動力參數產生一定的影響，從而對平臺的運動性能乃至鉆井作業產生相應的干擾。因此，有必要對這2 個平臺之間的水動力干擾現象進行研究，分析其對各浮體的水動力參數的影響程度。

HONG等采用高階邊界元法對LNG-FPSO（Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage and Offloading）和LNGC（Liquefied Natural Gas Carrier）與穿梭油船在波浪中的運動響應和平均漂移力進行了分析，并對數值計算結果與模型試驗結果進行了對比分析。KASHIWAGI 等采用基于壓力積分的近場法計算了波浪中并靠兩船的平均漂移力，并與試驗結果進行了對比，發現二者的吻合度效果較好。付強等對旁靠系泊穿梭油船與FPSO進行了頻域水動力干擾分析，發現平均波浪漂移力在高頻段受水動力相互作用的影響較為明顯，而附加質量、勢流阻尼和船體響應的RAO受到的影響較小。丁凱等對2 個并靠的半潛式平臺進行了水動力載荷特性分析，重點研究了平臺間距、浪向和水動力相互作用對各平臺水動力載荷的影響。

本文基于三維勢流理論，對半潛式支持平臺靠泊Spar平臺進行鉆井作業時兩平臺的附加質量、勢流阻尼和一階波浪力等進行計算，并采用近場法計算平臺的平均漂移力，得到兩平臺在不同狀態下的水動力參數，對比單體狀態與雙體狀態下水動力相互作用對兩平臺的影響。

1 計算理論

1.1 坐標系定義

對于波浪中的浮體，其坐標系O-xyz和O-xyz通常位于浮體中心處，z 軸豎直向上，x 軸沿浮體長度方向指向艏部，y軸沿浮體寬度方向指向左舷。此外，為描述浮體的相對位置，還需引入總體坐標系O-XYZ，見圖1。

圖1 坐標系與浪向角定義

圖1中標明了浪向角的定義，浪向角與坐標系x 軸的正向夾角一致，即在迎浪狀態下，浪向為180°。

1.2 計算方法

多體系統中的附加質量、勢流阻尼和一階波浪力等水動力系數可采用源匯分布法求解，水動力相互作用問題可認為是各浮體的輻射勢的疊加。將入射波、輻射波和繞射波疊加，可得到多浮體系統周圍的流場表達式為

式（2）中，ρ為海水密度。

由式（2）可得到一階水動力與力矩的廣義表達式為

式（3）中：S為浮體的濕表面積；n為第j自由度運動的法向量。由式（3）可求得弗勞德-克雷洛夫力F和繞射力F為

浮體運動的第k項單位振幅產生的輻射波引起的輻射力F為

式（1）中的輻射勢φ的實部（Re）和虛部（Im）可表示浮體的附加質量A和阻尼系數C，即

二階波浪漂移力采用浮體濕表面的壓力積分法（即近場法）求解，在勢流假設下，流體的運動可用速度勢描述，即

式（9）中：ε為接近于0 的擾動參數。假設浮體圍繞靜態平衡位置作小幅度的振動，則浮體上的任意一點的一階壓力分布p和二階壓力分布p可表示為

式（10）和式（11）中：X和X分別為線性運動向量和點在豎直方向上的坐標；?為哈密爾頓算子。在濕表面S上對p進行積分，得到二階波浪漂移力為

2 研究對象概述

在商業軟件SESAM的GeniE模塊中對半潛式支持平臺和Spar平臺的水動力模型進行建模和網格劃分，并將其導入水動力計算模塊HydroD中進行頻域計算。半潛式支持平臺由六立柱、雙浮箱和三橫撐組成，其浮箱的艏艉結構形式為非對稱型，艏部為方形；Spar平臺為傳統式結構，即主體部分為柱體與中心井的組合。兩平臺的有限元計算模型見圖2。

對圖2 中各平臺單體的有限元計算模型進行水動力計算，可得到單體狀態下各浮體的水動力系數，此時再對兩平臺進行水動力耦合計算，其計算模型見圖3。該模型的左側為半潛式支持平臺，右側為Spar 平臺，兩平臺的中心線在同一水平線上，半潛平臺的艏部指向Spar平臺。在兩平臺進行鉆井作業時，浮體的水下部分結構的外緣相距22 m。值得注意的是，雙體耦合計算有限元模型中的網格劃分與單浮體狀態完全相同，兩平臺之間增加了一個用于抑制共振頻率出現的阻尼面網格，是自由表面的一部分。

圖2 半潛式支持平臺與Spar平臺的有限元計算模型

圖3 雙體水動力耦合計算模型

半潛式支持平臺與Spar平臺的主尺度參數見表1，其中：半潛式支持平臺由于其下浮體為非對稱結構，重心偏向艏部1.04 m，靠近艏部和艉部的立柱與中間立柱的尺寸有所不同，中間立柱的長度相對前后立柱較小；Spar平臺的中心井為方形結構。

表1 半潛式支持平臺與Spar平臺的主尺度參數

3 計算結果與分析

半潛式支持平臺和Spar平臺的雙體頻域水動力計算主要通過SESAM軟件中的HydroD模塊完成，其求解器為Wadam，主要基于三維勢流理論對兩平臺的運動RAO、附加質量、一階波浪力和平均波浪漂移力等進行計算。本文對兩平臺在單體狀態與雙體狀態下的計算結果進行對比分析，結果如下。

3.1 運動RAO

為探索水動力干擾對平臺運動RAO 的影響程度，重點關注兩平臺在單體狀態和雙體靠泊狀態下的縱蕩、垂蕩和縱搖RAO計算結果，對比分析結果見圖4。可知：半潛式支持平臺的運動RAO受到一定程度的水動力干擾的影響，其中縱蕩RAO在單體狀態和雙體靠泊狀態下的變化曲線吻合良好，水動力干擾的影響程度較小；在垂蕩自由度下，半潛式支持平臺在0.39 ～0.78 rad/s的波頻區間內受到水動力相互作用的影響，雙體靠泊狀態下的運動RAO幅值相比單體狀態有所增大；縱搖RAO表現出了相似的規律，即在0.31 ～0.80 rad/s的波頻區間內受到水動力的干擾，且縱搖RAO變化曲線峰值對應的波浪頻率因水動力相互作用而有所改變。Spar平臺的運動RAO計算結果表明，水動力干擾對其影響程度較小。

圖4 半潛式支持平臺與Spar平臺運動RAO

3.2 附加質量

由半潛式支持平臺與Spar平臺的相對位置（見圖1）可知，兩平臺的水動力相互影響主要發生在縱蕩方向上，作用方式主要是間隙水體的振動，二者在單體狀態與雙體狀態下的附加質量對比見圖5。可知：半潛式支持平臺的附加質量在波浪頻率為0.31 ～1.04 rad/s的區間內受到水動力的干擾，在靠泊狀態下得到的附加質量變化曲線相比單體狀態，峰值增加，谷值減小，說明水動力干擾使平臺的縱蕩附加質量的變化更劇烈；Spar平臺的附加質量在波浪頻率約為0.63 rad/s之后的波浪頻率區間內受到水動力的干擾，靠泊時的附加質量有相對減小的部分，其幅值約減小4%。對比分析可知，水動力相互作用對半潛式支持平臺附加質量的影響更加明顯。

圖5 半潛式支持平臺與Spar平臺附加質量

3.3 一階波浪力

計算半潛式支持平臺和Spar平臺在090°、135°和180°等3 個波浪方向上的一階波浪力，并對比各平臺在單體狀態與雙體靠泊狀態下的計算結果，具體見圖6。

圖6 半潛式支持平臺與Spar平臺一階波浪力

由圖6 可知，半潛式支持平臺縱蕩方向的一階波浪力F在波浪頻率大于約0.31 rad/s的區間內受到了復雜的水動力的干擾，在180°浪向和135°浪向下，雙體靠泊時的一階波浪力相比單體時有所減小，而在90°浪向下，雙體靠泊時的一階波浪力相比單體時有所增加；半潛式支持平臺橫蕩方向的一階波浪力F受水動力干擾的影響較小；半潛式支持平臺的艏搖一階波浪力矩M受到了一定程度的水動力干擾，在波浪頻率大于約0.78 rad/s的波浪頻率區間內，耦合靠泊時的計算結果相比單體時有所減小，而90°浪向下的計算結果整體上比單體時大。Spar平臺受水動力干擾的影響程度較小，主要集中在艏搖一階波浪力矩的計算結果中，耦合靠泊時的計算結果在波浪頻率大于約0.78 rad/s之后比單體時增加很多；縱蕩和橫蕩自由度的一階波浪力受水動力干擾的程度較小。

3.4 平均波浪漂移力

平均波浪漂移力是使浮體產生大幅度縱蕩運動的主要原因，當兩平臺進行靠泊作業時，其平均波浪漂移力受水動力的影響同樣不容忽視，本文對90°、135°和180°浪向下兩平臺的平均波浪漂移力進行分析，計算結果見圖7。由圖7 可知：半潛式支持平臺的的平均波浪力受到水動力干擾的影響較大，在耦合靠泊狀態下，縱蕩方向的平均波浪漂移力F在波浪頻率約為0.52 rad/s時相比單體狀態出現了新的峰值，且由峰值后的變化曲線對比可知，水動力干擾使得平均漂移力的數值發生了很大變化；橫蕩方向的平均波浪漂移力F在各浪向下的變化曲線的變化趨勢一致，但峰值的數值有所差異；半潛式支持平臺的平均波浪漂移力矩M在135°浪向下靠泊時的幅值相較單體狀態有較大的增量。對比而言，平均波浪漂移力F與平均波浪漂移力矩M受到水動力干擾的影響比較大。Spar平臺的平均波浪漂移力F、F及其平均波浪漂移力矩M在各浪向下的計算結果表明，在單體狀態與雙體狀態下，水動力的相互影響已對上述參數產生較大的影響，上述參數變化曲線的變化趨勢和峰值均已發生較大的變化。