林海花 孫友杰 張國東 孫承猛 朱亞洲,3

（1.中國石油渤海裝備研究院海工裝備分院 盤錦124010； 2.中國石油渤海裝備遼河重工有限公司 盤錦124010；3.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

引 言

自升式平臺交付后由拖輪將其從建造場地拖至工作海域的過程，或平臺由某一作業(yè)海域轉(zhuǎn)移至下一作業(yè)海域的過程均稱為拖航。根據(jù)實(shí)際拖航經(jīng)過的海域和拖航距離的遠(yuǎn)近分為油田內(nèi)拖航（近距離）和遠(yuǎn)洋拖航（遠(yuǎn)距離），根據(jù)拖航方式又分為干拖和濕拖。干拖為利用專門的結(jié)構(gòu)物像運(yùn)輸貨物一樣運(yùn)輸平臺，濕拖為直接在平臺的漂浮狀態(tài)下利用拖輪直接移運(yùn)。遠(yuǎn)洋拖航較油田內(nèi)拖航的距離遠(yuǎn)，遭遇的海況可能更為惡劣，濕拖方式較干拖方式更危險，因此工程界常采用干拖的方式。

平臺的拖航會選擇較為平靜的海況而避開惡劣海況，因此對自升式平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評估的工作中，通常不直接做拖航工況下平臺的運(yùn)動響應(yīng)數(shù)值預(yù)報。但對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核中又常涉及拖航工況下平臺運(yùn)動引起的慣性載荷，在缺乏模型試驗(yàn)或沒有數(shù)值運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報的情況下，通常假定平臺的拖航方式為濕拖，結(jié)構(gòu)安全評估中涉及到的慣性載荷來自平臺所作的簡諧運(yùn)動［1-3］，即：

（1）遠(yuǎn)洋拖航時，假設(shè)平臺簡諧運(yùn)動的周期為10 s，橫搖或縱搖的單邊擺幅為15°。

（2）油田內(nèi)拖航時，平臺的簡諧運(yùn)動周期為其運(yùn)動固有周期，橫搖或縱搖的單邊擺幅為6°。

利用該假定進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估可能造成不夠安全或者過于保守的后果，因此本文對某自升式鉆井平臺在濕拖方式下的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值預(yù)報，并將預(yù)報結(jié)果與假定的簡諧運(yùn)動進(jìn)行比較，為結(jié)構(gòu)安全評估工程師提供參考。

1 理論介紹

1.1 波浪水動力載荷的計算

在拖航過程中，自升式鉆井平臺所遭遇的波浪水動力載荷主要來自波浪的作用，波浪的作用是一個隨機(jī)過程，平臺在波浪作用下會產(chǎn)生橫搖、縱搖和垂蕩等運(yùn)動。本文選擇求解平臺運(yùn)動響應(yīng)的方法為線性勢流理論［4-5］，即假設(shè)流體為理想流體，利用頻域格林函數(shù)法確定平臺周圍流場的擾動。作用于平臺表面上的波浪力包括波浪入射力、繞射力及與運(yùn)動響應(yīng)有關(guān)的靜水恢復(fù)力和輻射力，將相應(yīng)水動壓力沿平臺濕表面積分即可得到波浪力，然后利用平臺的運(yùn)動方程對平臺的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報。具體方法如下：

假設(shè)結(jié)構(gòu)物附近的流場是無粘性（即無旋有勢）的，速度勢是空間位置和時間的函數(shù)，滿足連續(xù)性方程，一階速度勢（即線性速度勢）的定解條件是：

整個流場內(nèi)滿足Laplace方程；

自由面條件；

在上述方程和邊界條件下即可對波浪速度勢進(jìn)行求解。由上述的定解問題可知：拉普拉斯方程和邊界條件都是線性的，可應(yīng)用疊加原理把速度勢加以分解。令速度勢為：

1.2 運(yùn)動響應(yīng)RAO的計算

對平臺進(jìn)行運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報時［4，6］，假設(shè)其為一剛體，剛體的運(yùn)動取決于質(zhì)心的運(yùn)動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，將所得到的波浪激勵力帶入運(yùn)動方程，可得到規(guī)則波中線性運(yùn)動的微分方程組，即：

求解上述運(yùn)動方程可得到平臺各自由度運(yùn)動響應(yīng)，本文主要給出垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動響應(yīng)的RAO（Response Amplitude Operator），即單位波幅的波浪激勵到船體運(yùn)動的傳遞函數(shù)。另外，在實(shí)際拖航計算中，自升式平臺具有航速，因此波浪的實(shí)際頻率應(yīng)為遭遇頻率。

1.3 運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報

則響應(yīng)變量的平均周期Tz（s）為：

對單幅值，運(yùn)動響應(yīng)大小有：

2 研究對象

以某自升式鉆井平臺為分析對象，該平臺最大作業(yè)水深為122 m，作業(yè)時最大可變載荷為3 900 t，能夠在較惡劣的海域作業(yè)。樁腿型式為三樁腿桁架式結(jié)構(gòu)，后樁腿與前樁腿間距43.5 m，距中21.7 m。平臺主體總長78.2 m、尾部寬度70 m、首部寬度23 m、型深8.9 m。

在分析中，采用的坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)位于主船體中縱面與尾封板相交線的底部下緣。x軸沿船長方向，指向船首為正方向；y軸沿船寬方向，指向左舷為正方向；z軸沿型深方向，指向上為正方向。0°浪向指與x軸平行且由船尾指向船首的方向。在坐標(biāo)系中，按逆時針方向旋轉(zhuǎn)增加至180°浪向?yàn)橛纱字赶虼病＞唧w參數(shù)見表1和表2。

表1 油田內(nèi)拖航工況質(zhì)量質(zhì)心

表2 遠(yuǎn)洋拖航工況質(zhì)量質(zhì)心

分析中所采用的環(huán)境參數(shù)來自于該平臺的拖航阻力計算書，主要的參數(shù)如表3所示：

表3 計算采用的環(huán)境參數(shù)

在分析中，利用SESAM軟件創(chuàng)建的面元模型和質(zhì)量模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 面元模型

圖2 質(zhì)量模型

3 預(yù)報結(jié)果

3.1 運(yùn)動響應(yīng)RAO結(jié)果

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)介紹的理論方法并利用軟件進(jìn)行分析后，得到自升式鉆井平臺拖航運(yùn)動響應(yīng)RAO，包括垂蕩響應(yīng)、橫搖響應(yīng)和縱搖響應(yīng)RAO，其中浪向角范圍為0°～ 180°，間隔角度為15°，結(jié)果如圖3-圖8所示。

圖3 油田拖航工況下垂蕩響應(yīng)RAO

圖4 油田拖航工況下橫搖響應(yīng)RAO

圖5 油田拖航工況下縱搖響應(yīng)RAO

圖6 遠(yuǎn)洋拖航工況下垂蕩響應(yīng)RAO

圖7 遠(yuǎn)洋拖航工況下橫搖響應(yīng)RAO

圖8 遠(yuǎn)洋拖航工況下縱搖響應(yīng)RAO

由以上運(yùn)動響應(yīng)RAO的結(jié)果可知：

（1）本平臺的垂蕩固有周期、橫搖固有周期以及縱搖固有周期均為9 s，這是由自升式平臺主船體的外型所決定的，即主船體各向尺寸相近，質(zhì)量分布均勻，因此各固有周期的大小相同。

（2）油田拖航和遠(yuǎn)洋拖航兩種工況下的各運(yùn)動響應(yīng)RAO的數(shù)值大小接近，變化趨勢相同，這是因?yàn)檫@兩種工況的質(zhì)量和質(zhì)量分布相似。

3.2 運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報結(jié)果

根據(jù)1.3節(jié)所介紹的理論方法對遠(yuǎn)洋拖航工況下的垂蕩運(yùn)動、橫搖運(yùn)動和縱搖運(yùn)動進(jìn)行預(yù)報，其中假設(shè)的波浪譜為P-M譜，采用表3給出的環(huán)境參數(shù)。圖9-圖11給出油田內(nèi)拖航和遠(yuǎn)洋拖航兩種工況下運(yùn)動響應(yīng)1/10最大平均值的預(yù)報結(jié)果，其中的浪向角范圍為從0°到180°：

圖9 垂蕩響應(yīng)預(yù)報最大值

圖10 橫搖響應(yīng)預(yù)報最大值

圖11 縱搖響應(yīng)預(yù)報最大值

由圖9-圖11的預(yù)報結(jié)果可以看出，在有義波高Hs=5 m、過零周期Tz=7.2 s的拖航海況下：

（1）油田內(nèi)拖航和遠(yuǎn)洋拖航的預(yù)報結(jié)果十分接近，包括預(yù)報結(jié)果的大小以及預(yù)報結(jié)果隨浪向的變化趨勢，這同樣與兩種工況的質(zhì)量和質(zhì)量分布相類似有關(guān)。

（2）0°浪向時，平臺的垂蕩最大，但縱搖最??；而180°浪向時，平臺的垂蕩最小，縱搖最大。這與平臺主船體尾部較寬而首部較窄的外型有關(guān)。

（3）90°浪向時，平臺的橫搖最大，且大于180°浪向下的最大縱搖角度，這是因?yàn)槠脚_沿x軸的尺寸大于平臺沿y軸的尺寸。

（4）由于平臺關(guān)于x軸對稱，因此在0°和180°的浪向下平臺的橫搖角均為0。

（5）由于平臺關(guān)于y軸不對稱，因此所有浪向角度下均產(chǎn)生縱搖，平臺的最大縱搖角度介于3.647°和 7.374°之間。

（6）另外，平臺的最大垂蕩值介于2.966 m和3.936 m之間，可作為其他計算校核的參考。

上述運(yùn)動響應(yīng)規(guī)律可為自升式平臺主尺度確定以及為平臺的拖航和操縱等提供參考。為了確定平臺運(yùn)動引起的慣性載荷，本文直接給出了各運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報數(shù)值結(jié)果的最大值，如表4所示。

表4 1/10最大平均值預(yù)報結(jié)果

（1）與遠(yuǎn)洋拖航相比，油田內(nèi)拖航的拖航距離較近，遭遇的海洋環(huán)境較為溫和，但在本文的分析中，兩種拖航工況所采用的環(huán)境參數(shù)相同，總的質(zhì)量、質(zhì)心相差不大，因此分析得到的運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報結(jié)果相近。

（2）與油田內(nèi)拖航相比，遠(yuǎn)洋拖航的質(zhì)量較小，因此，遠(yuǎn)洋拖航工況下預(yù)報得到的垂蕩較大。

（3）與油田內(nèi)拖航相比，遠(yuǎn)洋拖航的質(zhì)心較低，因此遠(yuǎn)洋拖航工況下預(yù)報得到的橫搖較小。

（4）與油田內(nèi)拖航相比，遠(yuǎn)洋拖航的質(zhì)心更靠近船首，更偏離幾何心。因此，遠(yuǎn)洋拖航工況下預(yù)報得到的縱搖較大。

（5）兩種工況下預(yù)報得到的縱搖角度和橫搖角度最大值達(dá)到9.353°，對應(yīng)的波浪周期為10.03 s，與規(guī)范假定的遠(yuǎn)洋拖航為15°、10 s的簡諧運(yùn)動相比，直接計算得到的運(yùn)動預(yù)報值較小。因此，可以說按照規(guī)范的假定進(jìn)行計算是較為保守的計算方法。

4 結(jié) 論

本文利用線性勢流理論方法對某自升式鉆井平臺在濕拖條件下的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行預(yù)報，運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報的結(jié)果可用于確定平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中的慣性載荷。根據(jù)對本平臺運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報的結(jié)果并與規(guī)范推薦的方法進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

（1）利用線性勢流理論直接數(shù)值計算預(yù)報自升式平臺拖航工況下的運(yùn)動響應(yīng)是比較可靠的方法。

（2）在沒有數(shù)值運(yùn)動預(yù)報的情況下，利用規(guī)范中推薦的假定方法來確定拖航工況下平臺所遭受的慣性載荷不失為一種雖保守但可靠的方法。

（3）通過調(diào)節(jié)平臺的質(zhì)量、質(zhì)心可降低平臺的運(yùn)動響應(yīng)，如增大壓載可減小平臺的垂蕩，或者降低重心來減小平臺的搖蕩，從而保證平臺的拖航更加安全。

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