王火平， 張廣磊， 高靜坤， 楊小龍， 劉旭平

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

張力腿平臺(tái)拖航阻力分析及試驗(yàn)研究

王火平1， 張廣磊2， 高靜坤2， 楊小龍2， 劉旭平2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518067; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

以流花16-2 張力腿平臺(tái)工程前端設(shè)計(jì)方案為例，TLP平臺(tái)拖航具有浮體結(jié)構(gòu)形式特殊、深吃水拖航、拖航距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)其拖航阻力計(jì)算分別采用規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗(yàn)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，為平臺(tái)拖航確定合適的拖帶船只提供了準(zhǔn)確依據(jù)，并得出對(duì)于張力腿平臺(tái)拖航阻力預(yù)報(bào)宜采用數(shù)值模擬分析方法的結(jié)論。研究結(jié)果可為南海今后TLP平臺(tái)拖航方案設(shè)計(jì)提供參考。

張力腿平臺(tái)； 拖航阻力； 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式； 數(shù)值模擬； 風(fēng)洞試驗(yàn)

0 引言

張力腿平臺(tái)(tension leg platform，TLP)是目前世界上應(yīng)用較廣泛的深水開(kāi)發(fā)浮式裝備之一，一般作為永久式生產(chǎn)平臺(tái)使用，目前應(yīng)用水深最深為1 580 m，最淺為147 m。近年來(lái)，隨著我國(guó)南海深水油氣開(kāi)發(fā)的逐步深入，中海油2015年首次以流花區(qū)域油田群為目標(biāo)完成了張力腿平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用研究工作，為建成我國(guó)首座深水張力腿平臺(tái)邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。

該文以流花16-2張力腿平臺(tái)工程前端設(shè)計(jì)方案為例，此平臺(tái)擬在我國(guó)北方某船廠建造合攏后以整體濕拖方式拖帶至流花16-2油田與預(yù)安裝的張力腿系統(tǒng)進(jìn)行最后連接，拖航距離約1 300海里(1海里=1.85 千米)。該平臺(tái)拖航具有浮體結(jié)構(gòu)形式特殊、拖航距離長(zhǎng)、深吃水拖航等特點(diǎn)，為了確保長(zhǎng)距離的拖航作業(yè)安全，需要準(zhǔn)確確定張力腿平臺(tái)在拖航過(guò)程中受到的阻力，為選擇合適的拖帶船只提供依據(jù)。

1 流花16-2張力腿平臺(tái)主尺度

流花16-2張力腿平臺(tái)主要由上部組塊、鉆井模塊、船體、張力腿及樁基系統(tǒng)、頂張式立管系統(tǒng)等組成，如圖1所示，流花16-2張力腿平臺(tái)主尺度見(jiàn)表1，其中船體采用傳統(tǒng)型TLP結(jié)構(gòu)形式，具有自由漂浮穩(wěn)性，主要包括4個(gè)垂直的圓形立柱和4個(gè)首尾連接的方形浮箱，張力腿頂部則直接連接于船體底部的支撐錨固結(jié)構(gòu)。

圖1 流花16-2張力腿平臺(tái)示意圖

表1 流花16-2張力腿平臺(tái)主尺度

2 流花16-2張力腿平臺(tái)拖航阻力分析

大型海洋結(jié)構(gòu)物的拖航阻力計(jì)算通?？梢圆捎靡?guī)范經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)值模擬計(jì)算方法，并通過(guò)試驗(yàn)作進(jìn)一步驗(yàn)證[1]。下面對(duì)各種計(jì)算方法進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 規(guī)范公式計(jì)算

(1) 中國(guó)船級(jí)社(CCS)規(guī)范計(jì)算

根據(jù)CCS的《海上拖航指南》推薦的阻力估算方法，對(duì)于受風(fēng)面積特別龐大的TLP，其拖航阻力應(yīng)按下式計(jì)算[2]：

式中：Rf為被拖船的摩擦阻力；RB為被拖船的剩余阻力；A1為船舶或水上建筑物的水下濕表面積，m2；V為拖航速度，m/s；δ為方形系數(shù)；A2為浸水部分的船中橫剖面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3，按1.22 kg/m3計(jì)算；V為風(fēng)速，m/s，取20.6 m/s； Ai為受風(fēng)面積，m2，按頂風(fēng)計(jì)算； Cs為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù)，按本指南所列數(shù)值選取。

其中：濕表面A1如無(wú)詳細(xì)資料，可按如下方法求得：

正常船舶：

運(yùn)輸駁船、首尾有線性變化的箱型船：

沒(méi)有任何載重線型變化的箱型船及水下結(jié)構(gòu)：

式中：L，B，d分別為船長(zhǎng)、船寬和拖航吃水，m；δ為方形系數(shù)。

(2) 英國(guó)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

參照英國(guó)OPL出版社出版的油田海船第四卷《Towing》一書(shū)，其推薦了拖航阻力的估算方法，介紹如下：

(a) 摩擦阻力估算方法：

除了考慮被拖物在水中的濕表面積A1和拖航速度外，還引入了船舶污底系數(shù)F1，比較客觀地反映了船體水下濕表面的真實(shí)情況。對(duì)被拖物濕表面生長(zhǎng)有不同海生物的情況進(jìn)行分類，選擇合適系數(shù)，估算得到的摩擦阻力和實(shí)際比較吻合。被拖物污底系數(shù)F1的取值，見(jiàn)表2。

表2 被拖物污底系數(shù)

(b) 剩余阻力估算方法

式中:A2為船中橫剖面積；V為航速；F2為被拖物艏部形狀系數(shù)，形狀系數(shù)的選取如圖2所示。

圖2 被拖物艏部系數(shù)F2

(c) 空氣阻力估算方法

式中：VW為風(fēng)速；V為航速；Cs為受風(fēng)面積形狀系數(shù)；Ai為受風(fēng)面積；CH為高度系數(shù)。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

使用WINDOS軟件進(jìn)行拖航阻力的計(jì)算，該軟件是用來(lái)計(jì)算海洋工程結(jié)構(gòu)物風(fēng)載荷和流載荷的一款常用軟件，其計(jì)算方法是船級(jí)社風(fēng)載荷和流載荷計(jì)算公式和模型試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)相結(jié)合預(yù)報(bào)風(fēng)載荷和流載荷。WINDOS程序通過(guò)建立模型和參數(shù)輸入預(yù)報(bào)TLP水下浮體結(jié)構(gòu)風(fēng)力和流力，WINDOS模型如圖3所示。

圖3 WINDOS計(jì)算模型

2.3 拖航阻力風(fēng)洞試驗(yàn)

使用1∶150的模型進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗(yàn)，試驗(yàn)包括水上部分的風(fēng)力計(jì)算和水下部分的流力計(jì)算，圖4、圖5是模型試驗(yàn)使用的模型圖。

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)水上部分模型

圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)水下部分模型

2.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

列出了上文提出的四種方法的計(jì)算結(jié)果，四種算法中實(shí)際環(huán)境條件中的流速為0，流載荷的產(chǎn)生是由于航速引起的，風(fēng)速則是按照CCS中的20.6 m/s進(jìn)行計(jì)算風(fēng)力。Rc為流力，在規(guī)范中分成了摩擦阻力和剩余阻力；CCS規(guī)范中的Ra為風(fēng)力，方便和其他方法計(jì)算的風(fēng)力進(jìn)行對(duì)比，用Rw表示。在Towing的計(jì)算中，污底系數(shù)取值為0.5，形狀系數(shù)取值為1。四種方法的計(jì)算結(jié)果如見(jiàn)表3、表4，在圖6中分別對(duì)比了風(fēng)力、流力和總的阻力。

表3 規(guī)范計(jì)算結(jié)果

表4 數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

圖6 不同計(jì)算方式下拖航速度-載荷對(duì)比圖

通過(guò)表3、表4和圖6對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果比較接近，在總阻力對(duì)比的圖形中只有CCS的總阻力和其他三種方式的計(jì)算結(jié)果差距較大，主要原因是由于CCS的流載荷計(jì)算結(jié)果偏差太大所導(dǎo)致。下面對(duì)CCS的流載荷偏差的原因進(jìn)行分析。

規(guī)范中流載荷包括有摩擦阻力和剩余阻力，參考Towing中關(guān)于摩擦阻力和剩余阻力的計(jì)算公式，兩者分別和被拖物的污底系數(shù)和形狀系數(shù)相關(guān)。若按照Towing的規(guī)范公式計(jì)算，污底系數(shù)和形狀系數(shù)取的越小越接近CCS公式計(jì)算的結(jié)果，可以簡(jiǎn)單推測(cè)CCS的計(jì)算公式適合計(jì)算被拖物濕表面干凈且艏部更接近船型的結(jié)構(gòu)物。

拖航阻力計(jì)算的目的是為了拖輪的選型，現(xiàn)有規(guī)范中對(duì)拖輪的選型主要從兩個(gè)方面考慮[3]：

(1) 在以下環(huán)境條件下應(yīng)確保拖帶航行穩(wěn)定，一般以作用在同一方向的下列氣象與海況環(huán)境條件進(jìn)行衡定：風(fēng)速20 m/s；有義波高5 m；流速0.5 m/s。

(2) 拖船在靜水中拖航速度一般應(yīng)滿足如下要求：自升式鉆井平臺(tái)及其他水上建筑不小于4 kn。

張力腿平臺(tái)可歸為其他水上建筑，按照上面的兩個(gè)要求進(jìn)行計(jì)算，選擇結(jié)果較大的作為拖輪選型的依據(jù)。以此次的張力腿平臺(tái)拖航為例，按照數(shù)值分析進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 實(shí)例計(jì)算結(jié)果

拖輪需要同時(shí)滿足上面的兩個(gè)要求，即拖輪的選型需要滿足372 t的拖航阻力的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)不同方法計(jì)算張力腿平臺(tái)航阻力的對(duì)比分析，其主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)張力腿平臺(tái)的拖航阻力，用規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較大偏差，主要是其下浮體的結(jié)構(gòu)型式與具有流線型的船舶、半潛式鉆井平臺(tái)等不同，導(dǎo)致剩余阻力很大。

(2) 對(duì)于張力腿平臺(tái)的拖航阻力，建議采用較為先進(jìn)的數(shù)值模擬分析方法，并采用風(fēng)洞試驗(yàn)作進(jìn)一步驗(yàn)證，才能為選擇合適的拖帶船只提供準(zhǔn)確的依據(jù)，并確保平臺(tái)拖航作業(yè)安全。

[1] GL Nobel Denton.Guidelines for Marine Transportations: 0030/ND[S]. 2013.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.海上拖航指南[M]. 2011.

[3] 沈浦根.談拖航阻力的估算[M]. 航海技術(shù), 2011(5):9-12.

TLP Towing Force Analysis and Test Study

WANG Huo-ping1, ZHANG Guang-lei2, GAO Jing-kun2, YANG Xiao-long2, LIU Xu-ping2

(1.CNOOC China Ltd Shenzhen Branch, Guangdong Shenzhen 518067, China; 2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianiin 300451, China)

Take Liuhua 16-2 TLP FEED design as example, the TLP towing design are with features such as unique hull configuration with square pontoon, deep towing draft, long towing distance. A comparison and analysis of the TLP towing forces is performed with code formula, numerical simulation and wind tunnel test respectively to provide accurate basis for proper TLP towing tug selection, and it can be concluded that the TLP towing force prediction of the floating installation is more credible. This study results can be used as reference for future TLP towing design in the South China Sea.

TLP; towing force； code formula； numerical simulation； wind tunnel test

1001-4500(2016)06-0078-06

2016-01-12

王火平(1980-)，男，工程師。

P75

A