閆發(fā)鎖,劉 浩,蘇 威,李 輝,孫麗萍

(1.哈爾濱工程大學,黑龍江哈爾濱150001;2.中海石油深海開發(fā)有限公司,廣東深圳518000; 3.中海油海洋工程股份有限公司,北京100029)

不同結構形式張力腿平臺水動力參數比較分析

閆發(fā)鎖1,劉 浩2,蘇 威1,李 輝3,孫麗萍1

(1.哈爾濱工程大學,黑龍江哈爾濱150001;2.中海石油深海開發(fā)有限公司,廣東深圳518000; 3.中海油海洋工程股份有限公司,北京100029)

隨著張力腿平臺(TLP)在深海油氣開發(fā)領域的廣泛應用,在早期傳統(tǒng)式(C-TLP)的基礎上衍生出了多種結構形式,其中還有延展式(E-TLP)、最小化深海水面式(MOSES)和海之星式(SeaStar)已具備業(yè)界建造運營經驗。為了體現TLP各類結構形式的性能特點,服務于工程開發(fā)方案中平臺構型選擇,本文基于三維勢流理論頻域方法,針對現已建造的4種TLP的水動力性能及相關參數進行了對比研究。首先,在質量慣性、結構剛度相似的條件下,完成了各類型平臺的主尺度方案;其次,采用SESAM軟件分析計算了各方案設計平臺的附加質量、勢流阻尼和運動響應幅值算子(RAO);最后的結果對比表明,不同結構形式對張力腿平臺的固有周期影響很大,分散立柱形式的C-TLP與E-TLP的垂向運動響應更小。

張力腿平臺;水動力參數性能;結構形式;三維勢流理論

張力腿平臺(TLP)是一種典型的半順應式平臺,采用數條張力筋鍵與海底基礎相連,通過浮力和重力的不平衡控制筋鍵中的初始張力腿。其系泊方式決定了平臺的垂向自由度運動(垂蕩、橫搖、縱搖)近于固定式,而平面內的運動(橫蕩、縱蕩、艏搖)顯示出順應式的特征[1]。一座典型的TLP,其垂蕩、縱搖與橫搖三個垂向運動的固有周期為2～4 s,而平面內縱蕩、橫蕩和艏搖運動的固有周期約為100～200 s,基本上可以避免平臺運動與波浪主要激勵頻率發(fā)生共振的可能性,體現了良好的運動性能。

典型傳統(tǒng)式張力腿平臺(C-TLP)的總體結構,一般采用橫截面為矩形的等長環(huán)繞浮筒和立柱、甲板的結構,平臺甲板通過4根立柱連接浮筒,立柱通常采用圓柱型結構,主要作用是為平臺本體提供必要的結構剛度。平臺的浮力由位于水面之下的浮筒和立柱的水下部分提供,浮筒首尾與各立柱端部連接,形成環(huán)狀結構。

E-TLP(Extended Tension Leg Platform)為延伸式張力腿平臺。相對于傳統(tǒng)類型的TLP,E-TLP主要是在平臺主體結構上做了改進,其主體亦由立柱和浮筒兩部分組成,按照立柱數目的不同可以分為三柱式和四柱式,立柱有方柱和圓柱兩種形式,在環(huán)形基座的每一個邊角上,都有一段浮筒沿對角線方向向外延伸,形成懸臂梁,懸臂梁的外端部掛載張力筋鍵[2-3]。這種結構形式使上部甲板能得到有效支撐,結構設計更為靈活,更能有效地承受平臺的載荷。這種延伸懸臂梁結構是區(qū)別于傳統(tǒng)類型TLP最顯著的特點,其由此得名。

海之星式(SeaStar)TLP是最早按照小型化(Mini-TLP)概念設計的張力腿平臺,被認為是一種靈活、經濟的張力腿平臺形式[4]。其主體采用單柱式設計,稱為中央柱,中央柱上端支撐平臺甲板,在下端部位呈輻射式均勻布置3個矩形截面的浮筒,各浮筒向外延伸成類似懸臂梁結構,彼此在水面上的夾角為120°,且浮筒的截面由根部向外端逐漸縮小。這3個浮筒提供了平臺的主要浮力,并且在外端與張力筋連接。

最小化深海水面式(Minimum Offshore Surface Equipment Structure,MOSES)TLP平臺主體由4根緊湊的細長立柱、1個水下浮式基座和4個懸伸浮筒組成,平臺的浮力主要由基座和浮筒提供[5-6]。整個浮式基座位于水面下較深的位置,通常為多面體結構,受表面波浪影響較小,改善了平臺主體的水動力性能,使波浪載荷對平臺本體的影響最小化,減小了平臺在“疲勞區(qū)域”中的響應,從而能以最小的預張力提供符合設計要求的平臺運動性能[7-8]。在基座多面體4個對角面位置,立柱與浮筒交接,浮筒向外延伸形成懸臂梁結構,浮筒形狀與SeaStar TLP類似。

(王 燕 編輯)

張力腿平臺自出現以來衍生的多種形式,體現了自身的水動力性能特點,豐富了平臺的應用選擇。針對中國南海油氣資源的開發(fā),我國開展了張力腿平臺概念設計研究[9]。為了服務于工程開發(fā)方案中平臺選型問題,有必要明確各類結構形式TLP的動力性能特點,系統(tǒng)化的比較研究有待開展[10]?；诖四康?本文依據三維勢流理論,并輔以Morison方法對小尺度構件的黏性效應處理,對比分析了4種已有張力腿平臺水動力性能,為工程開發(fā)方案的選擇提供參考。

1 計算原理

目前,工程領域海洋平臺的水動力計算主要基于線性勢流理論,即假設在均勻、不可壓縮和無黏的理想流體中,平臺在微幅(波高波長比遠小于1)波浪中做微幅運動[11]。流場速度勢滿足:

在平均水線面上滿足運動學條件、動力學條件:

由式(2)和式(3)可得到速度勢滿足的線性自由面條件:

規(guī)則波中穩(wěn)態(tài)情況下Φ=φeiωt。在線性勢流理論中,浮體周圍的波浪速度勢可以分解為3部分φ=φl+ φd+φp,式中φl為單位波幅的一階入射勢,φd為對應的繞射勢,φp為輻射勢。擾動勢φp在物面S根據迭加原理,進一步分解為7部分

式中,φj為第j模態(tài)單位運動引起的輻射勢。這3種速度勢分別對應了入射波產生的Froude-Krylova力,繞射波產生的繞射力和浮體自身運動引起的輻射波產生的輻射力。輻射力(矩)由兩部分組成,一部分和浮體的加速度成正比,比例系數為浮體的附加質量;另一部分和浮體的速度成正比,比例系數為浮體的興波阻尼系數。因此作用于浮體的動力矩可表示為速度和加速度的函數。于是,浮體運動有如下控制方程:

式中,ω為波浪激勵頻率,[M]為物體質量,[A]為附加質量,[B]為興波阻尼,[C]為靜水回復力剛度,[ξ]為各態(tài)運動分量,[FDI]為波浪激勵力。其中矩陣[A]和[B]中的Ajk與Bjk即為浮體的附加質量系數與附加阻尼系數,并且是ω的函數。

2 目標平臺設計方案

為此本文選取了目前世界在役的幾種典型TLP結構型式進行了運動響應分析,以此探討他們性能。就單純比較的目的而言,只有在共同的前提條件,或者說相似的重要控制參數的基礎上對比才有意義。本文的研究,針對所要對比的4種平臺采用了慣性相似的原則,亦即各類平臺排水量、重量、重心和慣性矩相同或近似(這樣決定了張力筋總預張力也是近似的)。所完成的各種平臺的主尺度設計方案,如表1所示;各平臺的質量慣性參數如表2所示。

表1 目標平臺主要參數Table 1 The main parameters of the TLP studied

表2 質量慣性參數Table 2 Mass inertia parameters of the TLP studied

依據4種平臺的幾何參數,利用SESAM的Geni E和Hydro D模塊分別建立了4種張力腿平臺的水動力模型以及莫里森桿模型,其水動力濕表面模型具體如圖1所示。模型使用的是右手直角坐標系,原點取在張力腿平臺中縱剖面與中橫剖面的交線與水線面相交處,X軸為縱軸,Y軸為橫軸,Z軸垂直向上為正。

圖1 4種形式平臺水動力模型Fig.1 The hydrodynamic models of the 4 types of TLP

3 水動力參數及運動性能對比

3.1 附加質量系數

附加質量和阻尼是浮體做強迫簡諧運動時受到的穩(wěn)態(tài)水動力和力矩。作用在搖蕩浮體上的力和力矩由兩部分組成,一部分與搖蕩運動的加速度成比例,與加速度的方向相反,既是所謂的附加質量。附加質量和阻尼系數受船體的形狀影響較大。本文所針對的4種張力腿平臺,水動力性能的差異主要體現在船體的幾何形狀,即所謂的濕表面形狀。

附加質量依賴于運動模態(tài)(自由度)、入射波頻率和物體的速度,為一個6×6矩陣,起主要作用的為主對角線上的6個分量。本文所研究的4種目標平臺的附加質量見圖2。由于平臺主體形狀的對稱性,圖2中只給出了橫蕩、垂蕩、縱搖、艏搖四個主要分量。從圖2可見,各類平臺的附加質量主要變化區(qū)間位于5～10 s范圍,即表示平臺以某一周期做單位幅值強迫振動時,受到的平均水動作用力在此范圍內非常敏感;在激勵波浪周期(T)大于10 s時,各平臺的附加質量趨于定常值。由圖2a,強迫縱向振動時,MOSES平臺受到較大的加速度方向反作用力,縱蕩幅值相對較小,其他各平臺縱蕩附加質量變化趨勢與量值相近;通過圖2b中可以看出,垂蕩附加質量最小的是C-TLP平臺,變化較劇烈且平均值最大的是MOSES平臺,而ETLP和SeaStar平臺居于二者之間且量值接近。所以,在同等總體垂向剛度條件下,MOSES平臺具有較大的垂蕩固有周期?？v搖附加質量見圖2c,E-TLP的縱搖附加質量最大,量值約是其余3種平臺的2.5倍。由此也說明,在波浪作用下E-TLP平臺縱搖或橫搖固有周期較大;考慮平臺艏搖情況下的強迫運動受力見圖2d,E-TLP艏搖附加質量最高,其次為SeaStar,最低是C-TLP和MOSES平臺。

圖2 平臺各運動模態(tài)的附加質量Fig.2 The added mass of different motion modes of TLP

3.2 勢流阻尼系數

浮體做強迫簡諧運動時受到的穩(wěn)態(tài)水動力和力矩由兩部分組成,與運動速度成比例且方向相反的這一部分力和力矩既是所謂的阻尼系數。這部分力和力矩是浮體在運動環(huán)境中有自由面存在時所特有的現象,由于自由面的興波將導致運動能量的耗散。本文所針對的4種張力腿平臺,阻尼系數的差異也主要依賴船體的幾何形狀,即所謂的濕表面形狀。在表現形式上,阻尼系數同樣有36項,主對角線上的各項起主導作用。

從圖3所示的四類平臺阻尼系數的對比發(fā)現,總體規(guī)律上由于量值上的顯著差別,該4種平臺總體上可以分為兩類,一類為C-TLP和E-TLP,另一類為MOSES TLP和SeaStar TLP。劃分兩類的依據主要考慮到阻尼系數的量值接近程度、變化趨勢和頻響區(qū)間。4種平臺的有效阻尼量值周期范圍都在0～20 s區(qū)間。兩類平臺阻尼系數的差別主要是因為船體的幾何形狀,第一類TLP總體上為4個分散開的立柱和環(huán)形浮筒結構,而第二類為中央緊湊立柱或立柱群和懸伸浮筒結構。對于縱蕩自由度(圖3a),C-TLP和E-TLP因為結構形式相似,勢流阻尼起伏變化較大,極值出現在波浪周期6.5 s附近,MOSES和SeaStar的峰值周期相對較大,變化幅度小;由此可以推斷,縱蕩強迫運動時,C-TLP和E-TLP的分散的四立柱浮筒受到的與速度反向的作用力較大,且對周期區(qū)間非常敏感,從能量耗散的角度,表征了該類平臺在相對高頻區(qū)間自由面興波較大,低頻區(qū)間較小。從垂蕩自由度(圖3b)看,MOSES TLP因為較大的底部多邊形中心艙和懸伸浮筒垂向迎流面積,阻尼幅值最大,且與其他形式相比差距顯著;對于縱搖自由度,與平臺搖轉運動相關的水動作用力主要表現為,MOSES和SeaStar TLP量值接近,且明顯大于其他兩種形式;考慮艏搖阻尼時,同樣因為結構形式,C-TLP和E-TLP峰值大且明顯。從變化趨勢上看,各自由度勢流阻尼在20 s周期及以后漸趨于零。

3.3 運動響應RAO

圖4為4種不同結構形式平臺在沿X軸正向(0°)來波作用下,平臺的運動響應幅值算子(RAO)分布情況。因為縱蕩與橫蕩,縱搖與橫搖運動形式相似,所以圖中只給出了4個自由度的計算結果。雖然在其他方向來浪情況下,平臺運動的RAO幅值有所不同,但圖4所給的是在波浪傳播方向下平臺最為顯著的運動自由度結果(垂蕩和首搖則與來浪方向不敏感),所以并不失代表性。在縱蕩響應中(圖4a),4類平臺在單位波幅、相同周期的波浪激勵下的運動幅值接近,主要是因為平臺的平動剛度主要由張力筋的初始預張力提供,實際上4類平臺采用了相近的預張力;而對于垂蕩和縱搖響應(圖4b,圖4c),也是TLP平臺最為關注的,除固有周期附近外,4類平臺相比較而言C-TLP與E-TLP的響應較小,原因是此類平臺受到較大的垂向波浪力;對于艏搖運動(圖4b),平臺轉角隨運動周期增大而增大,相對之間差別不大,也是因為艏搖剛度由初始張力決定。

圖4 平臺運動響應RAOFig.4 The motion RAO of the TLP

4 結 論

本文綜合現在已有的4種主要結構形式的TLP平臺,采用三維線性勢流理論方法進行水動力性能的比較分析,討論了各結構形式的水動力參數及其頻響特征。在慣性相似條件下,即近似的排水體積、預張力、重量以及慣性矩,TLP平臺的幾何形式決定了水動力參數,對平臺固有周期的有較大影響;而平臺的張力筋腱剛度和初始張力主導平臺的運動響應。通過比較分析發(fā)現,MOSES平臺具有較大的垂蕩附加質量,E-TLP具有較大的縱搖/橫搖和艏搖附加質量,在相近的張力筋腱剛度條件下,二者可較顯著地改變平臺的固有周期;而平臺勢流阻尼參數的不同主要體現在兩類平臺的結構形式,即分散立柱形式和中央緊湊立柱形式,中央緊湊形式的平臺具有明顯較大的阻尼系數。需要指出的是,因為TLP平臺的張力筋腱的軸向剛度遠大于平臺浮體自由漂浮狀態(tài)下的回復力,平臺垂蕩、橫搖和縱搖運動響應主要受此影響;在質量慣性和張力筋剛度的相近條件下,分散立柱形式的C-TLP與E-TLP的垂向運動響應較小。

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A Comparative Study on the Hydrodynamic Parameters of Different Tension Leg Platforms(TLP)

YAN Fa-suo1,LIU Hao2,SU Wei1,LI Hui3,SUN Li-ping1
(1.Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.CNOOC Deepwater Development Co.Ltd.,Shenzhen 518000,China; 3.China Offshore Oil Engineering Corporation,Beijing 100029,China)

With the widespread use of tension leg platform(TLP)in the field of deep-sea oil and gas exploration,multiple structural forms of TLP have been arisen on the basis of the early conventional TLP(CTLP),of which the extended TLP(E-TLP),the minimum offshore surface equipment structure(MOSES)and the sea-star TLP(SeaStar)have been practically applied in industry.In order to give expression to the performances of different structural forms of TLP and to serve the platform configuration selection in engineering development programs,the hydrodynamic performances and related parameters of the 4 types of TLP are compared based on the frequency domain method of 3-D potential flow theory.Firstly, the main dimension scheme of all the types of platforms is completed under the conditions of similar mass inertia and structural rigidity,and then the added mass,the potential flow damping and the motion response amplitude operators(RAOs)of the platforms designed in different schemes are analyzed and computed by means of SESAM software.The comparison of the final results indicate that the structural forms have a great influence on the natural period of the TLP,and that the dispersed column types of C-TLP and E-TLP have a smaller response to the vertical motion.

tension leg platform;hydrodynamic performance;structural form;3-D potential flow theory

January 20,2017

U661.4

A

1002-3682(2017)02-0001-08

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.02.001

2017-01-20

工業(yè)和信息化部海洋工程裝備科研項目——500米水深油田生產裝備TLP自主研發(fā)

閆發(fā)鎖(1977-),男,副教授,博士,主要從事浮式結構物載荷與響應方面研究.E-mail:yanfasuo@hrbeu.edu.cn