覃剛，李亞男，唐文獻，張建，丁浩，張宗政

(1. 武漢船用機械有限責任公司 湖北 武漢 430084 2. 江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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1200m半潛式鉆井平臺運動響應(yīng)研究

覃剛1，李亞男2，唐文獻2，張建2，丁浩2，張宗政2

(1. 武漢船用機械有限責任公司 湖北 武漢 430084 2. 江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：采用中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》的設(shè)計要求，對工作水深為1200m的深水半潛式鉆井平臺進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了目標平臺所受海洋環(huán)境載荷的組成及分類，在風、浪、流的聯(lián)合作用下對平臺進行了時域耦合分析，研究規(guī)則波與非規(guī)則波下的平臺運動響應(yīng)；對比分析了系泊纜預(yù)緊力對平臺運動的影響，結(jié)果表明，帶有預(yù)緊力的系泊纜能明顯抑制平臺的運動，即可以通過人為的增加平臺阻尼來限制半潛式平臺的定位精度，對深水半潛式海洋鉆井平臺的耐波性設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：深水半潛式平臺；時域耦合；運動響應(yīng)；預(yù)緊力；耐波性

0引言

隨著海洋油氣開采逐步由淺水大陸架海區(qū)向深水領(lǐng)域邁進，各種新型深水海洋平臺相繼應(yīng)運而生，深水半潛式鉆井平臺在我國海域的應(yīng)用越來越廣泛。

國外對于浮式平臺的研究起步較早，1950年John[1]等學(xué)者對浮式平臺的運動響應(yīng)進行了研究；Wu[2]等學(xué)者對規(guī)則波下半潛式平臺的浮體和錨泊系統(tǒng)的作用力進行了數(shù)值計算；近年來，隨著半潛式平臺的廣泛使用，國內(nèi)學(xué)者關(guān)于半潛式平臺的研究也日漸增多，2007年，孫金麗[3]等人在時域內(nèi)數(shù)值模擬了波浪作用下錨泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)；2010年周素蓮[4]等人研究了不同的系泊方式對錨泊系統(tǒng)的運動影響；2011年，翟鋼軍[5]等人對風浪聯(lián)合作用下深水半潛式平臺運動響應(yīng)模型進行了研究分析。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，只考慮波浪或者風浪的影響會導(dǎo)致分析結(jié)果的片面性，在風、浪、流聯(lián)合作用下錨泊系統(tǒng)運動響應(yīng)的大小決定了結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定和工作性能，因此有必要研究風、浪、流聯(lián)合作用下深水半潛式平臺的動力響應(yīng)，本文對深水半潛式平臺在考慮非線性影響下采用時域計算方法進行時域耦合分析、定位及安全性能分析。

采用中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》的設(shè)計要求，對平臺進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，選取合適的系泊纜，建立目標平臺受風、浪、流的共同作下的水動力模型；分析目標平臺所承受海洋環(huán)境載荷的組成及分類，研究深水半潛式海洋平臺的動力特性。

1半潛式平臺水動力模型

建立深海半潛式鉆井平臺在1200 m工作水深的水動力模型，包括用來模擬水面以下平臺形狀的濕表面模型和模擬平臺質(zhì)量的質(zhì)量模型。動力濕表面模型如圖1(a)所示，表1為目標平臺的主要設(shè)計參數(shù)；利用頻域計算的結(jié)果，對半潛平臺及其系泊系統(tǒng)進行非線性時域耦合分析。圖1(b)系泊纜布錨方式及風、浪、流載荷施加方向，系泊系統(tǒng)采用8條纜對稱的布錨方式，鋼絲繩模擬系泊纜，系泊纜長1290m，直徑924mm，軸向剛度EA7.846×108，最小破斷力8.396×106N，濕質(zhì)量35.3kg/m。

表1　目標平臺的主要設(shè)計參數(shù)

圖1　平臺模型及系泊纜布置示意圖

2數(shù)值計算理論

平臺運動響應(yīng)的數(shù)值計算采用AQWA軟件，其計算理論主要基于經(jīng)驗公式Morison法和三維勢能理論。Morison法主要考慮波浪對結(jié)構(gòu)物的粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)，對于尺度大于0.2的海工結(jié)構(gòu)物，波浪對結(jié)構(gòu)物的作用主要是附加質(zhì)量效應(yīng)和繞射效應(yīng)，主要采用三維勢流理論計算波浪對結(jié)構(gòu)物的作用力。對于半潛式平臺的浮體和立柱采用勢流理論計算波浪力，對于橫撐和系泊纜則采用Morison方程計算，由Morison方程計算得到的粘性阻尼增加到由勢流理論得到的阻尼項中，得到更加精確合理的結(jié)果，以下為Morison方程的計算公式(即作用在長度為DZ的垂直剛性圓柱切片上的水平力)：

(1)

式中：力的正方向為波浪的傳播方向；ρ0為水的密度；D為圓柱直徑；u和a1分別為切片中未受擾動流體的水平流速和加速度；CM和CD為質(zhì)量系數(shù)和阻力系數(shù)。

3環(huán)境載荷

3.1　風、流載荷的計算

作用于平臺的風載荷由風力FW和力矩Mw組成，其一般表達式為：

(2)

(3)

式中：Cw為風力系數(shù)，由于本半潛式平臺船體屬于大結(jié)構(gòu)物，本計算取值為1；ρ0為20°時的空氣密度，取1.224×10-3Kn·S2·m-4；A為平臺在迎風方向的投影面積；L為風力作用點到平臺重心的距離。

流載荷的計算方法跟風載荷類似，其一般表達式為：

(4)

(5)

式中：Cc為流體的阻力系數(shù)，由于本半潛式平臺船體屬于大結(jié)構(gòu)物，本計算取值為1；ρc為海水密度；A為平臺在流速方向的投影面積；L為流力作用點到平臺重心的距離。

3.2　環(huán)境載荷的施加

自存工況采用中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》的設(shè)計載荷進行模擬分析，設(shè)計水深1200m，綜合考慮系泊纜動力學(xué)和風、浪、流的共同作用，取波浪(規(guī)則波和不規(guī)則波)幅值均4.16m，周期均為10s；風速取自存狀態(tài)51.5m/s；流速取1.5m/s。本文針對風、浪、流同向(沿x軸正向)的海況進行研究，均按迎浪方向考慮，仿真時間為5000s。

4計算結(jié)果及比較分析

4.1　規(guī)則波與不規(guī)則波對平臺(系泊纜無預(yù)緊力)的影響研究

在相同的風、流作用下，研究半潛式平臺規(guī)則波與不規(guī)則波(相同波高和頻率)作用下的運動響應(yīng)，以下從平臺的垂蕩、縱蕩、縱搖三個方面來進行分析。由圖2(a)規(guī)則波下平臺的垂蕩運動平均幅值在1.4m，以簡諧波的形式變化。與圖2(b) 不規(guī)則波下的運動響應(yīng)比較可得，不規(guī)則波下的垂蕩運動平均位移為-3m,幅值相對規(guī)則波的幅值稍小，平穩(wěn)后最大幅值為0.9m，但是變化不均勻；規(guī)則波下的縱蕩位移和不規(guī)則波下的縱蕩位移都在20m左右，但是不規(guī)則波下的縱蕩運動幅值較大，穩(wěn)定性差；規(guī)則波作用下的平臺縱搖角度最后穩(wěn)定在-2.6°左右，而不規(guī)則波下的縱搖角度在-4.7°-0.1°之間以簡諧波的形式變化。

圖2　不同波浪下的平臺運動響應(yīng)時程曲線

4.2　規(guī)則波與不規(guī)則波對平臺(系泊纜有預(yù)緊力)的影響研究

對每根系泊纜施加5.5×106N的預(yù)緊力，相同的風、浪作用下平臺對規(guī)則波和不規(guī)則波的響應(yīng)如圖3(a)、圖3(b)所示。規(guī)則波下帶有施加預(yù)緊力的系泊纜的平臺的垂蕩平均幅值在0.5m左右，不規(guī)則波下帶有加預(yù)緊力的系泊纜的平臺的垂蕩位移在-4.1m左右，但是運動幅值變化相對較大；規(guī)則波下的縱蕩位移在7.7m左右，不規(guī)則波下的縱蕩位移在8m左右，不規(guī)則波下的縱蕩運動幅值較大，穩(wěn)定性差；規(guī)則波作用下的平臺縱搖角度最后穩(wěn)定在-2.3°左右，而不規(guī)則波下的縱搖角度在-4.6°~0.1°之間以簡諧波的形式變化。

圖3　不同波浪下的平臺運動響應(yīng)時程曲線

4.3　帶預(yù)緊力的系泊纜對平臺的影響研究

由圖2(a)規(guī)則波下的平臺運動響應(yīng)時程曲線和圖3(a)規(guī)則波下的平臺運動響應(yīng)(系泊纜預(yù)張緊)時程曲線比較可得，帶有預(yù)張緊系泊纜平臺的垂蕩平均幅值較小，縱蕩位移和縱搖都較小；圖2(b)規(guī)則波下的平臺運動響應(yīng)時程曲線和圖3(b)不規(guī)則波下的平臺運動響應(yīng)(系泊纜預(yù)張緊)時程曲線比較與規(guī)則波相似，由此可得，帶有預(yù)緊力的系泊纜對平臺的穩(wěn)定性影響更大，尤其是在限制平臺的縱蕩運動方面尤為突出。

5結(jié)果分析與討論

建立1200m水深錨泊系統(tǒng)水動力模型，采用中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》的設(shè)計載荷進行設(shè)計與分析，綜合風、浪、流的聯(lián)合作用對半潛式海洋鉆井平臺進行錨泊系統(tǒng)時域耦合分析。分析中考慮了在相同的風、浪、流以及系泊纜預(yù)緊力的影響因素，得到以下結(jié)論：

1) 三維水動力時域耦合分析能夠充分考慮系泊纜和浮體之間的相互影響，實時分析浮體在風、浪、流聯(lián)合作用下所承受的彎矩、剪力和扭矩，實時反映平臺的運動響應(yīng)。

2) 在同等波高、頻率的規(guī)則波和不規(guī)則波下，半潛式平臺的運動響應(yīng)均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，并且在規(guī)則波作用下運動相對平穩(wěn)，符合運動趨勢。

3) 在相同的風、浪、流聯(lián)合作用下，通過對平臺(系泊纜有無預(yù)緊力)對比分析，帶有預(yù)緊力的系泊纜能明顯抑制平臺的運動，尤其是半潛式平臺的縱蕩響應(yīng)，即可以通過人為的增加平臺阻尼來限制半潛式平臺的定位精度，對深水半潛式海洋鉆井平臺的耐波性設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

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Motion Response Research on 1200 m-deepwater Semi-submersible Drilling Platform

QIN Gang1,LI Ya-nan2,TANG Wen-xian2, ZHANG Jian2, DING Hao2，ZHANG Zong-zheng2

(1. Wuhan Marine Machinery Co., Ltd., Wuhan 430084, China;

2. School of mechanical engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract:Based on the design requirements of the China Classification Society“maritime mobile platform classification and construction specifications”，the structure of the 1200m-deepwater semi-submersible drilling platform is designed. The load classification of the marine environment of the target platform is analyzed. Considering the combined effects from wind, wave and flow, the time-domain coupled analysis on the mooring system of the semi-submersible platform is carried out. The motion response of the platform under regular wave and irregular wave is studied. The influence of mooring-line pretension force on platform motion is analyzed. The results show that the mooring-line with pretension force can obviously inhibit the platform motion, that is, the positioning accuracy of the semi-submersible platform can be controlled by artificially increasing platform damping. It provides a significant guidance for the seakeeping design of deepwater semi-submersible drilling platform.

Keywords:deepwater semi-submersible drilling platform; time domain coupled; motion response; pretension force; seakeeping

中圖分類號：P75

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)02-0086-04

作者簡介：覃剛(1963-)，男，湖北宜昌人，高級工程師，博士，研究方向為數(shù)字化設(shè)計。

基金項目：2013年江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CXLX13702)

收稿日期：2014-11-04 2014-11-01