李秀娟， 高　澤， 張可可， 唐文獻(xiàn)

(江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于AQWA的新型半潛式海洋鉆井平臺水動(dòng)力特性研究

李秀娟， 高澤， 張可可， 唐文獻(xiàn)

(江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：首先，該文針對現(xiàn)役深水半潛式平臺在風(fēng)浪流中產(chǎn)生的升沉誤差進(jìn)行最優(yōu)補(bǔ)償，并依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)了一種新型半潛式平臺基本結(jié)構(gòu)，建立三維水動(dòng)力模型；其次，利用AQWA軟件對目標(biāo)平臺進(jìn)行頻域下的水動(dòng)力分析，得到平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)了一種新型半潛式平臺的錨泊系統(tǒng)，對平臺與錨泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析，為目標(biāo)平臺的控制提供精確預(yù)報(bào)，保證實(shí)時(shí)穩(wěn)定性，調(diào)高作業(yè)人員舒適度。

關(guān)鍵詞：新型半潛式平臺；AQWA；水動(dòng)力分析；時(shí)域分析

0引言

“海洋石油981”在南海的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國海洋石油工業(yè)的深水戰(zhàn)略邁出了實(shí)質(zhì)性的一步?；趯υ偷男枨笠约皣业膽?zhàn)略規(guī)劃，未來幾年，我國將大力發(fā)展海洋工程裝備，特別是深海石油勘探、鉆采裝備。然而，與歐美國家相比，我國仍處于海洋工程裝備制造的第三陣營，核心設(shè)備依賴進(jìn)口，配套率低于30%，這也促使我國更加努力地發(fā)展海洋工程裝備。半潛式海洋平臺是一種海上鉆井平臺，抗風(fēng)能力強(qiáng)，作業(yè)水深廣，廣泛應(yīng)用于世界各地深海油氣的勘探與開采?，F(xiàn)役半潛式平臺的控制方法主要是利用平臺的錨泊系統(tǒng)達(dá)到平臺的穩(wěn)定，尤其是平臺絞車對系泊纜繩進(jìn)行收放。但是，現(xiàn)役平臺穩(wěn)定性的控制方法耗時(shí)長，成本高，不能達(dá)到平臺的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性，在深海等復(fù)雜條件下，現(xiàn)役平臺受升沉運(yùn)動(dòng)影響較大，故設(shè)計(jì)一種能夠重點(diǎn)補(bǔ)償由于風(fēng)浪流產(chǎn)生的升沉誤差的新型半潛式平臺尤為重要。

目前，很多學(xué)者已經(jīng)對海洋結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。何堃等以某自升式鉆井平臺為例，采用三維勢流理論和Morison公式，運(yùn)用SESAM軟件建立精細(xì)模型，在頻域內(nèi)計(jì)算了結(jié)構(gòu)的波浪載荷，得到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)，并對平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了短期統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，確定了平臺可能發(fā)生觸底的樁腿下放高度及海洋環(huán)境參數(shù)[1]。Soy lemez和Atlar通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)在主要頻率范圍內(nèi)二者符合良好[2]。Clauss等考慮非線性波浪情況，證明時(shí)域計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有更好的吻合特性[3]。

AQWA是計(jì)算三維流體動(dòng)力學(xué)的重要工具，廣泛應(yīng)用于船舶海洋結(jié)構(gòu)的流體動(dòng)力學(xué)性能評估及分析[4]。吳瀾等針對深水半潛式平臺，建立了三維水動(dòng)力模型，使用AQWA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了水動(dòng)力系數(shù)變化特征并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)[5]。許津豪等以某自升式鉆井平臺的系泊定位系統(tǒng)為例，應(yīng)用ANSYS軟件中的水動(dòng)力模塊，進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，研究了在給定的風(fēng)、浪、流聯(lián)合載荷的極端工況作用下，平臺和系泊纜繩耦合狀態(tài)下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，得到了系泊纜繩的系泊力以及平臺位移的時(shí)歷曲線[6]。

該文以新型半潛式海洋鉆井平臺為對象，運(yùn)用AQWA軟件對目標(biāo)平臺進(jìn)行頻域下的水動(dòng)力分析與錨泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析，利用分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)平臺的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性。

1新型半潛式平臺三維模型設(shè)計(jì)

圖1　新型半潛式平臺三維模型

半潛式平臺在深海鉆井作業(yè)過程中，平臺的鉆頭設(shè)備必須始終接觸井底，否則會造成油氣泄漏等海洋安全事故，所以必須對風(fēng)浪流作用產(chǎn)生的升沉落差進(jìn)行補(bǔ)償，目前主要采用天車補(bǔ)償、游車補(bǔ)償以及絞車補(bǔ)償?shù)确椒?。這些方法的本質(zhì)是通過氣動(dòng)彈簧的充放氣來補(bǔ)償，屬于隨動(dòng)補(bǔ)償或半主動(dòng)補(bǔ)償。它們有如下缺點(diǎn)：(1) 補(bǔ)償精度低，滯后較大，補(bǔ)償性能不穩(wěn)定；(2) 只解決了鉆頭的補(bǔ)償問題，而沒有解決上平臺的穩(wěn)定問題。在現(xiàn)有半潛式平臺的基礎(chǔ)上，將平臺的剛性立柱斷開，采用液壓缸連接，提高整個(gè)系統(tǒng)的柔性。新型半潛式平臺主要由上平臺、液壓缸及下船體構(gòu)成，上平臺通過銷軸與液壓缸連接，下船體通過剛性立柱與液壓缸采用球鉸連接，將傳統(tǒng)的四立柱改為六立柱結(jié)構(gòu)，建立三維模型，如圖1所示。

2新型半潛式平臺的數(shù)值模型

新型半潛式平臺作業(yè)水深為3 500 m,由雙浮體、六立柱、箱型封閉式上平臺構(gòu)成。三維模型完成后，導(dǎo)入ANSYS/Workbench的衍射分析模塊構(gòu)建目標(biāo)平臺的數(shù)值模型，如圖2所示，目標(biāo)平臺幾何參數(shù)見表1。

圖2　目標(biāo)平臺數(shù)值模型

部位參數(shù)/m部位參數(shù)/m總長114立柱高11總寬80立柱截面16×16總高112可調(diào)立柱直徑5浮體長度114立柱縱、橫向間距36×14浮體寬度20甲板長80浮體高度8.5甲板寬68兩浮體間距40甲板高8.5

3新型半潛式平臺的水動(dòng)力響應(yīng)分析

通過ANSYS/Workbench的衍射分析得到目標(biāo)平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(RAO)，如圖3所示。在波浪方向?yàn)閄軸正向、頻率0.264 Hz、波浪幅值2 m時(shí)，目標(biāo)平臺的最大位移為6.794 2 m，出現(xiàn)于平臺迎浪方向的波峰處，平臺整體的位移略小，平臺背向波浪方向的波浪比較平靜。

圖3　目標(biāo)平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

圖4所示為目標(biāo)平臺的波浪應(yīng)力云圖，可知平臺受到的最大波浪應(yīng)力為6.794 2 N/m2，作用在平臺與海平面相交處。該應(yīng)力云圖可為平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核提供數(shù)據(jù)支持，由此分析結(jié)果可知平臺的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　目標(biāo)平臺波浪應(yīng)力云圖

通常海洋平臺要進(jìn)行氣隙設(shè)計(jì)，氣隙值取決于平臺垂向運(yùn)動(dòng)特性與最大設(shè)計(jì)波高的疊加，目標(biāo)平臺的氣隙云圖如圖5所示，平臺最大高度位于海平面以上51.566 m，最低點(diǎn)位于海平面以下9.486 m。

圖5　目標(biāo)平臺氣隙云圖

4錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該文采用張緊式定位系統(tǒng)，研究系統(tǒng)在風(fēng)、浪、流綜合作用下的水動(dòng)力響應(yīng)。將系泊纜自身的慣性特性以及系泊纜所受到的各項(xiàng)流體力(流體法向、切向阻力、流體附加質(zhì)量力等)計(jì)入模型的影響因素，根據(jù)海洋平臺相關(guān)規(guī)范，對新型半潛式海洋鉆井平臺施加風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷譜，并充分考慮系泊纜之間的相互耦合作用，建立深水錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。

4.1系泊纜的布置

以工作水深3 500 m的新型半潛式海洋鉆井平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)錨泊系統(tǒng)并建立目標(biāo)平臺的水動(dòng)力模型,如圖6所示。該文根據(jù)API-RP-2SK“浮式結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析規(guī)范”、DNV-OS-E301“系泊定位規(guī)范等設(shè)計(jì)錨泊系統(tǒng)”，采用4纜系泊，系泊纜的布置信息見表2，圖7為4根系泊纜的布置示意圖，其中兩兩系泊纜間的夾角為90°。

表2　系泊纜的布置信息

圖6　水動(dòng)力模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　系泊纜布置示意圖

4.2系泊纜材料屬性

該文選用的系泊纜采用組合錨索，分為上下兩段，全長3 600 m，材料為鋼絲纜繩，表3為系泊纜各段材料屬性，取附加質(zhì)量系數(shù)和橫向拖拽力系數(shù)為1。

表3　系泊纜配置及材料屬性

5海洋環(huán)境載荷

新型半潛式平臺所受的載荷以及載荷的產(chǎn)生因素見表4。

表4　載荷的組成

目標(biāo)平臺所受的環(huán)境條件及作業(yè)參數(shù)見表5。

表5　環(huán)境條件及參數(shù)

6新型半潛式平臺重心垂蕩方向運(yùn)動(dòng)分析

充分考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的綜合作用和波譜的影響[9]，對平臺進(jìn)行了耦合時(shí)域分析(含系泊纜)，模擬時(shí)間為1 000 s，步長為0.01 s，通過運(yùn)算求出了平臺在垂蕩方向各項(xiàng)水動(dòng)力參數(shù)，其中包括重心位置隨時(shí)間的變化規(guī)律，重心加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，重心隨速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。

6.1平臺垂蕩方向重心位置分析

由于現(xiàn)役半潛式海洋平臺在風(fēng)、浪、流載荷的作用下其它方向的位移變化較小，所以應(yīng)重點(diǎn)研究垂蕩方向的位移變化，其中以平臺在靜水中的重心位置為基準(zhǔn)。圖8為船體在垂蕩方向重心的時(shí)間歷程位移曲線，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，重心的最高垂蕩方向位移高于重心基準(zhǔn)8.711 m，最低垂蕩方向位移低于重心基準(zhǔn)-16.51 m。

6.2平臺垂蕩方向重心速度分析

新型半潛式平臺垂蕩方向的速度和加速度是影響平臺的穩(wěn)定性和工作人員舒適性的決定因素，所以研究目標(biāo)平臺垂蕩方向的重心速度與加速度，以及垂蕩方向基于目標(biāo)平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的速度與加速度尤為重要。圖9為船體垂蕩方向上重心時(shí)間歷程速度曲線，計(jì)算結(jié)果顯示，平臺在垂蕩方向的速度最大值約為7.375 m/s。

圖8　平臺重心的時(shí)間歷程位移曲線(垂蕩方向)

圖9　船體重心時(shí)間歷程速度曲線(垂蕩方向)

6.3平臺垂蕩方向重心加速度分析

加速度也是影響半潛式平臺穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素，圖10為船體重心時(shí)間歷程加速度曲線。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，平臺垂蕩方向加速度的最大值約為5.441 m/s2。

圖10　船體重心時(shí)間歷程加速度曲線(垂蕩方向)

7結(jié)論

(1) 依據(jù)現(xiàn)役半潛式平臺，并參照規(guī)范，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)立柱半潛式平臺，該平臺系統(tǒng)具有良好的柔性，實(shí)現(xiàn)了平臺的主動(dòng)補(bǔ)償，減小了因風(fēng)浪而產(chǎn)生的垂蕩影響，保障深海鉆井作業(yè)過程中鉆頭與井底的恒定接觸。

(2) 建立目標(biāo)平臺數(shù)值模型，根據(jù)三維勢流理論，運(yùn)用頻域和與定位系統(tǒng)時(shí)域耦合的分析方法，得到目標(biāo)平臺重心在垂蕩方向的位移、速度、加速度的最值，利用計(jì)算結(jié)果，對可調(diào)式立柱(液壓系統(tǒng))進(jìn)行控制，補(bǔ)償升沉誤差，減少上平臺的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，提高平臺的生產(chǎn)作業(yè)能力和作業(yè)人員舒適度。

參考文獻(xiàn)

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A Study on the Hydrodynamic Characteristics of a New

Semi-submersible Based on AQWA

LI Xiu-juan, GAO Ze, ZHANG Ke-ke, TANG Wen-xian

(Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

Abstract：Firstly, in order to make the compensation for the active deepwater semi-submersible platform, which produce heave error in the deep flow and storms. A new type of semi-submersible platform is designed and the three-dimensional hydrodynamic model is made; Secondly, the water dynamic analysis of the target platform is carried out in the frequency domain depending on the AQWA, and the motion response of the platform is obtained; Finally, according to the code for design of a new type of semi submersible platform mooring system, on the platform and mooring system are time domain coupled analysis, providing a precise prediction for the control of the target platform to ensure real-time stability, and to improve operators’ comfort.

Keywords：new semi-submersible platform; AQWA; hydrodynamic analysis; time- domain analysis

中圖分類號:P75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-4500(2015)06-0091-08

作者簡介：李秀娟(1994-)，女，助理工程師。

收稿日期：2015-07-21