屈 衍，杜 宇，武文華，時(shí)忠民，岳前進(jìn)

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116023)

浮式平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以為結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境作用下的響應(yīng)提供重要的評(píng)估與校核依據(jù)，也是提高結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行水平、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要手段［1-2］。在墨西哥灣以及亞太海域，很多深水浮式結(jié)構(gòu)都安裝了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)在颶風(fēng)條件下的響應(yīng)測(cè)量［3-4］。Igor Prislin［5-6］等在Oryx Neptune Spar上開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，在測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)中采用的TDSIM軟件時(shí)域分析結(jié)果進(jìn)行了校核。在Horn Mountain SPAR上，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)也記錄了平臺(tái)在颶風(fēng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，John Halkyard［7-8］等人介紹了測(cè)量結(jié)果與頻域及時(shí)域分析結(jié)果的比較情況。Xu Qi［9］，Steve Perryman［10］等對(duì) Holstein Spar在 Rita、Ike 和 IVAN 颶風(fēng)中的響應(yīng)進(jìn)行了分析。在TLP平臺(tái)上，Per Tigen等［11］對(duì)北海Heidrun TLP上的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了介紹，對(duì)數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行了校核與比較。R N Perego，G Li等［12］比較了IVAN臺(tái)風(fēng)中Marlin TLP的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與全耦合數(shù)值分析的結(jié)果。在Marco Polo TLP現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中［13］，平臺(tái)裝備了用于測(cè)量海洋環(huán)境、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、張力腿和結(jié)構(gòu)應(yīng)變的測(cè)量裝置，從2004年到2009年進(jìn)行了連續(xù)的大規(guī)模測(cè)量。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)該TLP的設(shè)計(jì)、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了校核。上述實(shí)測(cè)結(jié)果介紹中，多數(shù)結(jié)論認(rèn)為目前的分析方法對(duì)平臺(tái)在颶風(fēng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)可以達(dá)到一定精度。但對(duì)某些極端情況分析，如SPAR的垂蕩運(yùn)動(dòng)等，仍存在計(jì)算中難以準(zhǔn)確分析的問(wèn)題。其原因在于設(shè)計(jì)中水動(dòng)力阻尼、附加質(zhì)量等難以準(zhǔn)確模擬，系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響仍難以精確考慮。

為了更好的了解浮式結(jié)構(gòu)在南海的使用情況，在LH11-1油田的“南海挑戰(zhàn)號(hào)”半潛式平臺(tái)上安裝了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)平臺(tái)的海洋環(huán)境、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以及系泊系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量，獲得了平臺(tái)在幾個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的響應(yīng)數(shù)據(jù)。這里對(duì)平臺(tái)上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作以及監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了介紹，并與平臺(tái)、系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 LH11-1半潛式平臺(tái)簡(jiǎn)介

LH11-1油田位于中國(guó)南海距離香港215 km處，水深約260～300 m，油田采用FPSO-半潛式平臺(tái)-水下中央管匯的開(kāi)發(fā)模式［14］。油氣田開(kāi)發(fā)模式如圖1所示。

用于LH11-1油田的半潛式平臺(tái)前身為West Stadrill鉆井平臺(tái)，是一艘Sedco 700型平臺(tái)。平臺(tái)1993年購(gòu)入并在1995年完成改造，作為浮式生產(chǎn)平臺(tái)在LH11-1海域使用(見(jiàn)圖2)。南海挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)是一艘雙浮筒、八立柱結(jié)構(gòu)，平臺(tái)有橫撐、斜撐作為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件。

圖1 LH11-1油氣田開(kāi)發(fā)模式示意Fig.1 LH11-1 Oil Field development

圖2 LH11-1海域的南海挑戰(zhàn)號(hào)半潛式平臺(tái)Fig.2 Nanhai Tiaozhan semisubmersible at LH11-1 Oil Field

平臺(tái)設(shè)計(jì)為11點(diǎn)系泊的系泊系統(tǒng)布置形式。該布置形式與平臺(tái)所在海域的海洋環(huán)境相對(duì)應(yīng)。針對(duì)平臺(tái)所在位置臺(tái)風(fēng)的主要路徑為NE到E方向，在平臺(tái)的側(cè)舷布置了6根系泊纜。系泊系統(tǒng)布置以及平臺(tái)的方位如圖3所示。單根系泊鏈布置為懸鏈線模式，采用錨鏈-錨纜-錨鏈的組成模式，具體系泊系統(tǒng)布置位置參數(shù)如表1所示。

表1 LH11-1平臺(tái)系泊系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Mooring system component of LH11-1 SEMI

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

布置在挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)上的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由風(fēng)、浪、流環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。其中風(fēng)速測(cè)量裝置有兩套，分別為機(jī)械螺旋槳式和超聲波式。兩套裝置互為備份使用。風(fēng)速測(cè)量?jī)x布置在平臺(tái)頂層甲板設(shè)備間的屋頂高處。波浪測(cè)量分別采用了放置在水中的壓力式測(cè)量裝備和安裝在平臺(tái)甲板向下發(fā)射信號(hào)，測(cè)量甲板與海面之間距離的測(cè)波雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量。為了避免平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，雷達(dá)測(cè)量裝置處加裝了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置。波浪測(cè)量裝置如圖4所示。

流速的測(cè)量通過(guò)ADCP進(jìn)行。測(cè)量中采用了兩套ADCP，由錨鏈懸掛于水深20m處分別向上和向下發(fā)送信號(hào)，測(cè)量表層流速以及全剖面流速。浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量分別采用差分GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng)。由于平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)在一般海況下并不顯著，差分GPS在測(cè)量平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)中，精度可能達(dá)不到要求。因此為了補(bǔ)充垂蕩測(cè)量結(jié)果，可以采用低頻加速度傳感器對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)量。本項(xiàng)目測(cè)量中，差分GPS，慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在頂層甲板工具間屋頂，與風(fēng)速傳感器在同一高度?，F(xiàn)場(chǎng)安裝效果如圖5所示。

圖3 LH11-1挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)布置Fig.3 Mooring system arrangement of Nanhai Tiaozhan FPS

圖4 安裝與甲板位置的波浪測(cè)量雷達(dá)Fig.4 Downward looking wave height radar sensors and heave motion compensation device

在平臺(tái)上有預(yù)先安裝在止鏈器上的壓力測(cè)量裝置對(duì)錨鏈的張力進(jìn)行間接測(cè)量。為了與張力數(shù)據(jù)相比較，設(shè)計(jì)了利用對(duì)錨鏈姿態(tài)直接測(cè)量，進(jìn)而反算系泊力的測(cè)量方法。水下傾角傳感器分別布置在水下20 m、50 m深度。傳感器設(shè)計(jì)為自容式，自帶能源和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，運(yùn)行結(jié)束由水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)行回收。圖6分別展示了水下傾角，加速度傳感器及水下安裝情況。

為了觀測(cè)波浪對(duì)平臺(tái)的作用情況，在平臺(tái)外舷安裝了4組攝像頭，分別記錄波浪與平臺(tái)各個(gè)立柱間作用情況以及甲板氣隙。同時(shí)，攝像頭記錄的波浪在立柱位置的作用情況，也是對(duì)波高測(cè)量結(jié)果的補(bǔ)充驗(yàn)證。圖7顯示為臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，攝像頭記錄的波浪與立柱作用情況的視頻截圖。

圖5 安裝在半潛式平臺(tái)上的差分GPS，慣導(dǎo)系統(tǒng)和風(fēng)速測(cè)量傳感器Fig.5 DGPS，INS and wind sensor installed on the SEMI

圖6 水下自容式傾角，加速度傳感器及潛水員安裝Fig.6 Subsea inclinometer and accelerometer sensor

3 洛坦臺(tái)風(fēng)中平臺(tái)測(cè)量結(jié)果

圖7 攝像頭記錄的臺(tái)風(fēng)過(guò)程中波浪作用在挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)立柱上視頻截圖Fig.7 Pictures of wave acting on the FPS captured by the video cameras installed on the SEMI

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量期間南海經(jīng)歷了多次臺(tái)風(fēng)過(guò)程。其中多數(shù)臺(tái)風(fēng)路徑不在LH11-1海域附近，因此平臺(tái)并未經(jīng)歷極端海況。2011年7月28日左右路過(guò)平臺(tái)周邊海域的洛坦臺(tái)風(fēng)是其中一次典型的臺(tái)風(fēng)過(guò)程。這里選取該臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行分析與比較。洛坦臺(tái)風(fēng)過(guò)程中風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的風(fēng)速、風(fēng)向結(jié)果如圖8和圖9所示。圖中可見(jiàn)28日全天陣風(fēng)風(fēng)速?gòu)?0 m/s增加到20 m/s水平。隨著臺(tái)風(fēng)中心與平臺(tái)位置的相對(duì)變化，風(fēng)向從70°變化到120°左右。風(fēng)向的變化在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)數(shù)值分析中需要進(jìn)行考慮。

圖8 洛坦臺(tái)風(fēng)過(guò)程中風(fēng)速變化情況Fig.8 Wind velocity of Nock-Ten typhoon measured on the Nanhai Tiaozhan FPS on July 28，2011

臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的波浪結(jié)果如圖10所示。結(jié)果顯示臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，平臺(tái)所在海域有效波高在3.0 m左右，在晚上增加到3.5 m左右。譜峰周期在7～9 s之間。浪向在100°左右方向。

由于平臺(tái)不在洛坦臺(tái)風(fēng)的路徑上，環(huán)境條件基本在一年一遇設(shè)計(jì)水平。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小。圖11分別顯示了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在平臺(tái)上測(cè)量得到的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況。在風(fēng)、浪、流的作用下，平臺(tái)橫蕩、縱蕩位移約為3 m左右。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向在下午16點(diǎn)左右發(fā)生了改變，其原因?yàn)轱L(fēng)向、浪向在下午發(fā)生了改變。

慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況實(shí)現(xiàn)了較好的測(cè)量。在臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，平臺(tái)的橫搖，縱搖角度都在0.5°左右。在28日下午，由于風(fēng)向，浪向的變化，縱搖增加到-1.5°，如圖11(c)所示。

圖10 洛坦臺(tái)風(fēng)過(guò)程中波浪要素Fig.10 Wave direction of Nock-Ten typhoon measured on the Nanhai Tiaozhan SEMI on July 28，2011

圖11 洛坦臺(tái)風(fēng)過(guò)程中挑戰(zhàn)號(hào)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況Fig.11 Heave of Nanhai Tiaozhan SEMI on July 28，2011

4 半潛平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的數(shù)值分析

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，可以對(duì)平臺(tái)在實(shí)際海洋環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而對(duì)數(shù)值分析結(jié)果，水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于分析工具的限制，目前對(duì)整個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析重現(xiàn)尚有較大難度，其主要原因是在實(shí)際臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，風(fēng)、波浪的作用方向和強(qiáng)度都是隨著時(shí)間變化的，而目前的數(shù)學(xué)分析工具均不能直接模擬這種非穩(wěn)態(tài)的物理過(guò)程。因此，數(shù)值分析只能對(duì)其中選取的片段進(jìn)行模擬驗(yàn)證。選取了7月28日上午10:00到15:00之間的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了平臺(tái)/系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)分析比對(duì)。該時(shí)間段環(huán)境參數(shù)如表2所示。

表2 洛坦臺(tái)風(fēng)中的海洋環(huán)境參數(shù)Tab.2 Environmental condition of Nock-Ten

平臺(tái)的耦合運(yùn)動(dòng)分析通過(guò)船體立管系泊系統(tǒng)耦合分析軟件Harp進(jìn)行。該軟件由美國(guó)TAMU大學(xué)開(kāi)發(fā)，專門(mén)用于浮式結(jié)構(gòu)及其系泊立管系統(tǒng)在風(fēng)浪流作用下的時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)分析［16］。軟件的水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算部分，由集成的WAMIT(Wave Analysis Mit)完成。WAMIT基于三維勢(shì)流理論，利用內(nèi)部集成的POTEN和FORCE子程序?qū)λ俣葎?shì)和水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。浮體立柱自由表面邊界條件為線性，采用自由表面格林函數(shù)法對(duì)波浪與平臺(tái)間作用進(jìn)行計(jì)算。船體運(yùn)動(dòng)時(shí)域部分由有限元模塊Charm3D進(jìn)行，分析中對(duì)系泊和浮體立柱的拖曳力、自由表面效應(yīng)，錨鏈的幾何非線性等非線性問(wèn)題都進(jìn)行了考慮。圖12中顯示為挑戰(zhàn)號(hào)的計(jì)算模型，表3為平臺(tái)模型參數(shù)，表4中列出了系泊系統(tǒng)計(jì)算的水動(dòng)力系數(shù)。

表3 挑戰(zhàn)號(hào)平臺(tái)模型參數(shù)Tab.3 FPS principal dimensions

表4 系泊系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)Tab.4 Hydrodynamic coefficients for mooring line

圖12 南海挑戰(zhàn)號(hào)船體、系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)分析模型Fig.12 Hull and mooring coupled analysis model of the Nanhai Tiaozhan SEMI

以表2中洛坦臺(tái)風(fēng)中的典型海洋環(huán)境參數(shù)為輸入條件，這里進(jìn)行了3小時(shí)的平臺(tái)耦合運(yùn)動(dòng)分析。圖13～16中顯示了各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)程功率譜的計(jì)算分析結(jié)果與測(cè)量結(jié)果比較情況?？紤]到垂蕩運(yùn)動(dòng)的測(cè)量精度無(wú)法滿足需求，而首搖結(jié)果主要由風(fēng)浪的方向改變?cè)斐?，本文未?duì)其結(jié)果進(jìn)行比較。分析結(jié)果可以看出，耦合運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果對(duì)低頻，波頻運(yùn)動(dòng)分量都有較好的反應(yīng)。但是從能量分布來(lái)看，測(cè)量得到的波頻運(yùn)動(dòng)分量大于計(jì)算得到的波頻分量。

圖13 平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)功率譜密度結(jié)果比較Fig.13 Power spectrum density of measured and calculated surge

圖14 平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)功率譜密度結(jié)果比較Fig.14 Power spectrum density of calculated surge and sway

測(cè)量與計(jì)算得到的時(shí)域運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比如圖17所示。測(cè)量結(jié)果對(duì)比前，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。對(duì)比結(jié)果表明，平臺(tái)的平動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算分析結(jié)果與測(cè)量結(jié)果都有所不同。其計(jì)算量級(jí)在可接受范圍之內(nèi)。兩者相差的主要原因應(yīng)該在于計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的差別，海洋環(huán)境作用模擬方法與實(shí)際作用過(guò)程仍有差別。

圖15 平臺(tái)橫搖結(jié)果比較Fig.15 Power spectrum density of measured and calculated roll

圖16 平臺(tái)縱搖結(jié)果比較Fig.16 Power spectrum density of measured and calculated pitch

圖17 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比Fig.17 Statistical results of measured and calculated

5 結(jié)語(yǔ)

1)在南海挑戰(zhàn)號(hào)上安裝的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功對(duì)臺(tái)風(fēng)期間的海洋環(huán)境，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明由于臺(tái)風(fēng)路徑距離平臺(tái)較遠(yuǎn)，2011年平臺(tái)所在海域臺(tái)風(fēng)基本為一年一遇水平。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小。

2)采用耦合運(yùn)動(dòng)分析Harp軟件，對(duì)平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)期間的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比表明，測(cè)量結(jié)果的波頻分量大于計(jì)算結(jié)果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明計(jì)算的精度在可接受的范圍內(nèi)。

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