高靜坤，梁園華，劉浩，韋斯俊，楊清峽

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中國船級社海工技術(shù)中心，北京 100007)

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AQWA和HARP在TLP整體性能分析中的應(yīng)用對比

高靜坤1，梁園華2，劉浩1，韋斯俊2，楊清峽2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中國船級社海工技術(shù)中心，北京 100007)

利用水動力分析軟件AQWA和HARP分別對中國南海水深400 m左右的某潛在開發(fā)油田擬采用的張力腿平臺進(jìn)行波浪繞射/輻射、靜態(tài)偏移和自由衰減分析，與模型試驗結(jié)果進(jìn)行對比結(jié)果表明，AQWA和HARP都能用于張力腿平臺的波浪繞射/輻射分析、靜態(tài)偏移和自由衰減分析，但是在進(jìn)行時域動態(tài)耦合分析時，HARP軟件對于二階波浪載荷的預(yù)報比AQWA軟件更為準(zhǔn)確。

張力腿平臺；整體性能分析；AQWA；HARP

隨著海洋油氣開發(fā)不斷向深水挺進(jìn)，適用于深海的新型浮式平臺逐漸成為深海油氣開發(fā)的首選。其中張力腿平臺(tension leg platform,TLP)作為一種典型的浮式平臺，具有半剛性半順應(yīng)的特點。TLP垂向升沉、轉(zhuǎn)動運動小，具有良好的運動性能，成為目前深水油氣開發(fā)中最常用的平臺形式之一[1]。TLP包括4大部分：①平臺主體(Hull)，提供浮力和結(jié)構(gòu)預(yù)張力并支撐上部甲板和設(shè)備載荷；②系泊系統(tǒng)(Tendon)，稱為張力腿筋腱，將平臺主體與海底地基連接起來；③基礎(chǔ)(Foundation)，提供張力腿筋腱強大的抗拔力并為整體結(jié)構(gòu)提供良好穩(wěn)定性、安全性；④立管系統(tǒng)[2]。

目前，工業(yè)界采用時域動態(tài)耦合分析方法對TLP整體性能進(jìn)行分析，考慮整個系統(tǒng)的幾何、載荷等非線性。

AQWA軟件是通用有限元軟件ANSYS中的一套集成模塊，主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)水動力學(xué)特性的評估及相關(guān)分析需求，包括小型艦艇、大型船舶、FPSO、TLP和半潛平臺等。

以我國南海水深400 m左右的某潛在開發(fā)油田為例，利用AQWA和HARP對擬采用的TLP進(jìn)行整體性能分析，對該TLP進(jìn)行頻域繞射/輻射分析、靜態(tài)偏移分析、自由衰減分析和時域動態(tài)耦合分析，對該TLP整體性能進(jìn)行全面的評估。對比兩個軟件計算得到的該TLP整體性能結(jié)果，結(jié)合模型試驗數(shù)據(jù)，分析AQWA和HARP在TLP整體性能分析的應(yīng)用。

1 計算原理

1.1 基本原理

TLP整體性能分析采用時域的方法進(jìn)行模擬，首先使用頻域方法計算TLP水動力系數(shù)和波浪激勵力，然后與張力腿筋腱和立管系統(tǒng)耦合進(jìn)行時域動態(tài)求解，步驟如下。

1)頻域水動力計算。根據(jù)三維頻域勢流理論計算得到浮體的水動力參數(shù)。

2)水動力參數(shù)轉(zhuǎn)換。將計算得到的頻域水動力參數(shù)和波浪激勵力通過傅里葉變換，轉(zhuǎn)換為時域中的無窮頻率附加質(zhì)量、延遲函數(shù)和波激力脈沖函數(shù)。

3)靜平衡計算?？紤]定常環(huán)境載荷，計算浮體的初始平衡位置，作為時域動態(tài)耦合分析的初始條件。

4)動態(tài)耦合計算?？紤]變化的環(huán)境載荷以及筋腱、立管系統(tǒng)的動態(tài)影響，求解平臺運動和筋腱張力。

1.2 平臺運動控制方程

平臺的一、二階波浪激勵力、附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)都可以在頻域內(nèi)求解，整個TLP系統(tǒng)的耦合動力計算在時域內(nèi)進(jìn)行。TLP系統(tǒng)的時域運動方程為

(1)

式中：M為廣義質(zhì)量矩陣；A∞為無窮頻率附加質(zhì)量矩陣；X為平臺位移矢量；K(t)為延遲函數(shù)矩陣；D為線性阻尼系數(shù)矩陣；C為平臺回復(fù)力系數(shù)矩陣。方程右邊的外力Fexternel(t)可以寫為

(2)

式中:F1st(t)和F2nd(t)分別為一、二階波激力；Fwind(t)為風(fēng)力；Fcurrent(t)為流力；Fmoor(t)為筋腱、立管系統(tǒng)的回復(fù)力。

方程(1)中的附加質(zhì)量系數(shù)、阻尼系數(shù)，以及波浪激勵力、漂移力等可以根據(jù)三維勢流理論求得，再通過傅里葉逆變換得到時域的結(jié)果，求解時域耦合運動方程即可得到TLP系統(tǒng)的整體性能。

AQWA和HARP的波浪繞射/輻射分析都是基于三維勢流理論的面元法。但是，2個軟件求解二階波浪載荷的方法不一樣。AQWA通過Newman近似理論計算波浪二階載荷，HARP通過對自由液面網(wǎng)格進(jìn)行積分來計算二階波浪載荷。Newman近似方法可以大幅減少計算時間。Newman近似方法在解決水平慢漂運動時能夠得到令人滿意的結(jié)果，但是對于TLP非常重要的垂向高頻運動的求解則不太準(zhǔn)確，所以需要通過計算完整二階波浪載荷傳遞函數(shù)(Full QTFs)得到更為精確的結(jié)果。

2 數(shù)值計算模型

利用AQWA和HARP對該TLP進(jìn)行波浪繞射/輻射分析，圖1和圖2分別為AQWA和HARP軟件中TLP的濕表面網(wǎng)格模型，AQWA中平臺濕表面網(wǎng)格數(shù)是4 012；HARP中平臺濕表面網(wǎng)格數(shù)是10 624，HARP在計算二階波浪載荷時需要在自由液面進(jìn)行積分，所以還需劃分自由液面網(wǎng)格。

圖1 AQWA中濕表面網(wǎng)格

圖2 HARP中濕表面網(wǎng)格

完成TLP頻域水動力計算后，需要建立平臺與張力腿筋腱、立管系統(tǒng)的耦合模型。在AQWA軟件中，需要通過TETHER模塊建立筋腱、立管系統(tǒng)。在DECK14中通過引用TETHER模塊中的TELM、TSPA、TSPV和TETH命令，設(shè)定筋腱和立管的連接坐標(biāo)、連接剛度等參數(shù)，即可完成筋腱和立管模型的建立，見圖3。

圖3 AQWA耦合模型

在HARP軟件的Flex Module模塊里建立筋腱和立管模型，通過設(shè)定筋腱和立管各分段的參數(shù)和坐標(biāo)，完成耦合模型建立，見圖4。

圖4 HARP耦合模型

AQWA和HARP軟件在計算流力和風(fēng)力時采用的方法不一樣。在AQWA中通過流力系數(shù)和風(fēng)力系數(shù)來計算作用在平臺上的流力和風(fēng)力。在HARP中，通過風(fēng)力作用面積和風(fēng)壓中心坐標(biāo)計算風(fēng)力；流力通過莫里森方程計算。

3 計算結(jié)果

3.1 平臺運動響應(yīng)傳遞函數(shù)

在進(jìn)行TLP動態(tài)耦合分析前，需要進(jìn)行波浪繞射/輻射分析。波浪繞射/輻射分析分別在AQWA-LINE模塊和HARP-Hydrodynamic Module模塊中進(jìn)行。因為TLP關(guān)于X軸和Y軸對稱，所以計算時只考慮0°～90°浪向，計算周期由2～40 s。考慮到平臺對稱性，選取具有代表性的自由度(縱蕩、垂蕩、橫搖)運動RAO對比，見圖5?？梢钥吹?，2個軟件計算得到的平臺運動RAO結(jié)果是一致的。

3.2 靜態(tài)偏移分析

在進(jìn)行動態(tài)耦合分析前，利用AQWA和HARP軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)偏移分析，得到筋腱系統(tǒng)的回復(fù)剛度。靜態(tài)偏移分析計算得到TLP“水平偏移vs筋腱水平回復(fù)力”、“水平偏移vs平臺下沉距離”，與模型試驗結(jié)果對比見表1。

由表1可見，AQWA和HARP軟件靜態(tài)偏移分析結(jié)果基本是一樣的，與模型試驗結(jié)果也一致，說明2款軟件計算TLP耦合模型的回復(fù)剛度結(jié)果都是合理的[3-4]。

圖5 TLP運動RAO對比

表1 TLP回復(fù)剛度結(jié)果

3.3 自由衰減分析

在AQWA和HARP中，對耦合模型進(jìn)行自由衰減分析，得到平臺臨界阻尼比和各自由度運動固有周期，見表2。

表2 TLP自由衰減分析結(jié)果

圖6 TLP自由衰減曲線

選取平臺縱蕩和橫搖分別代表水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)的運動，AQWA和HARP自由衰減曲線對比見圖6，2個軟件的自由衰減曲線基本重合。表2中2個軟件自由衰減分析得到平臺臨界阻尼比和固有周期與模型試驗結(jié)果一致。水平面內(nèi)的運動固有周期較大，縱蕩和橫蕩固有周期約為81～83 s，艏搖約為56～57 s；垂直面內(nèi)的垂蕩、橫搖和縱搖運動的固有周期約為2 s[5-6]。

3.4 時域動態(tài)耦合分析

在對千年一遇海況中TLP進(jìn)行模擬時，忽略風(fēng)和流載荷，只考慮波浪載荷對平臺的作用。千年一遇海況的有義波高為16.5 m，譜峰周期為17.2 s。采用JONSWAP譜描述不規(guī)則海況，譜峰升高因子α為2.4。模擬時長為3 h。本次整體性能分析中4～40 s屬于波頻范圍，大于40 s屬于高頻，小于4 s屬于低頻。

3.5 平臺運動結(jié)果

TLP縱蕩和垂蕩運動時歷結(jié)果對比見圖7和圖8。水平面內(nèi)的縱蕩、橫蕩和艏搖屬于低頻響應(yīng)，受二階低頻波浪載荷影響較大；垂直面內(nèi)的垂蕩、橫搖和縱搖屬于高頻響應(yīng)，受高頻波浪載荷的影響較大。由圖7可以看到，縱蕩的時歷曲線在峰值和谷值處不會出現(xiàn)“鋸齒”，即不存在高頻的縱蕩運動。由圖8可以看到HARP的垂蕩運動時歷曲線峰值和谷值處會出現(xiàn)“鋸齒”——高頻垂蕩運動響應(yīng)(springing，彈振)，而AQWA的垂蕩時歷曲線沒有出現(xiàn)“彈振”響應(yīng)現(xiàn)象。

圖7 TLP重心縱蕩時歷結(jié)果對比

圖8 TLP重心垂蕩時歷結(jié)果對比

縱蕩和垂蕩運動的響應(yīng)譜見圖9和圖10。對響應(yīng)譜進(jìn)行積分，可以得到各頻段運動響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差，見表3。對于縱蕩運動響應(yīng)，HARP低頻和波頻段的要遠(yuǎn)大于高頻段，AQWA的波頻段要大于低頻和高頻段；響應(yīng)譜低頻峰值對應(yīng)頻率是0.011 Hz(89.5 s)，接近于縱蕩固有周期82 s；波頻峰值對于的頻率0.045 Hz(22.4 s)，接近于常見波浪周期15～25 s，由此可知波頻載荷也是縱蕩響應(yīng)的重要激勵。對于垂蕩運動響應(yīng)，AQWA和HARP響應(yīng)譜在低頻和波頻段都很大，HARP響應(yīng)譜高頻段在0.45 Hz時出現(xiàn)一個明顯峰值，而AQWA則沒有。HARP高頻段峰值出現(xiàn)頻率0.45 Hz(2.22 s)，與平臺垂蕩固有周期2.2 s一致。在波浪頻率范圍內(nèi)，TLP不會出現(xiàn)垂蕩高頻共振，但在實際海況中，存在二階波浪載荷，TLP會出現(xiàn)垂蕩高頻共振。AQWA的計算結(jié)果沒捕捉到TLP高頻響應(yīng)，HARP的時歷和頻譜結(jié)果捕捉到了高頻振蕩現(xiàn)象。

圖9 TLP縱蕩運動響應(yīng)譜

圖10 TLP垂蕩運動響應(yīng)譜

表3 縱蕩運動響應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)差對比 m

3.6 筋腱張力結(jié)果

整體性能分析得到張力時歷結(jié)果，#5號筋腱的張力時歷結(jié)果見圖11。可以看到HARP的時歷曲線峰值和谷值處會出現(xiàn)很多“鋸齒”——張力高頻的振蕩響應(yīng)，而AQWA的時歷曲線沒有這一現(xiàn)象。

圖11 Tendon#5頂部張力時歷結(jié)果對比

張力響應(yīng)譜見圖12。各頻段張力的標(biāo)準(zhǔn)差見表4。由圖12可見，AQWA和HARP的波頻段筋腱張力響應(yīng)是主要的，HARP的張力響應(yīng)譜在高頻段0.45 Hz時會出現(xiàn)一個峰值，而AQWA則沒有。峰值出現(xiàn)的0.45 Hz(2.22 s)與自由衰減分析時垂蕩、橫搖、縱搖固有周期(2 s)一致。由表4可見，低頻和波頻段標(biāo)準(zhǔn)差基本一致，高頻段差別稍大，HARP的高頻標(biāo)準(zhǔn)差約為AQWA的2倍。

圖12 Tendon#5頂部張力響應(yīng)譜

表4 Tendon #5張力響應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)差對比 mT

4 結(jié)論

1)2款軟件都適用于TLP的繞射/輻射、靜態(tài)偏移和自由衰減分析，都能與模型試驗結(jié)果較為吻合；

2)HARP軟件比AQWA軟件更為適合于該TLP時域動態(tài)耦合分析。因為HARP軟件通過劃分自由液面網(wǎng)格來求解二階波浪載荷，其結(jié)果相較于AQWA更為準(zhǔn)確。在時域動態(tài)耦合分析中，HARP軟件結(jié)果能夠很好地模擬垂蕩響應(yīng)中的高頻現(xiàn)象(彈振)和筋腱張力響應(yīng)中的高頻現(xiàn)象。而在只考慮波浪載荷情況下，AQWA的耦合分析無法模擬TLP的高頻響應(yīng)現(xiàn)象。

[1] “典型深水平臺概念設(shè)計研究”課題組.張力腿平臺水動力響應(yīng)分析[J].中國造船,2005,46(增刊1):477-489.

[2] 余建星,張中華,于皓.張力腿平臺總體響應(yīng)分析方法研究[J].海洋通報,2008,27(2):97-102.

[3] 宋林峰,孫麗萍,趙君龍,等.張力腿平臺系泊系統(tǒng)敏感性分析[J].中國造船,2012,54(4):109-117.

[4] 于皓,周延?xùn)|,李欣.張力腿平臺的環(huán)境載荷及響應(yīng)[J].中國造船,2007,48(增刊1):336-342.

[5] 肖宇維,孫樹民.基于AQWA的輕型張力腿平臺型式研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(33):8987-8989.

[6] 閆功偉,歐進(jìn)萍.基于AQWA的張力腿平臺動力響應(yīng)分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(增刊2):304-310.

On Application of AQWA and HARP in Global Performance Analysis of TLP

GAO Jing-kun1, LIANG Yuan-hua2, LIU Hao1, WEI Sijun2, YANG Qing-xia2

(1.Shenzhen Branch of CNOOC, Shenzhen Guangdong 518000, China;2.CCS Ocean Engineering Technology Research and Development Center, Beijing 100007, China)

A global performance of tension leg platform (TLP), which is potentially applied in China South sea, was analyzed by using hydrodynamic analysis software AQWA and HARP. The analysis on wave diffraction and radiation, static offset and free decay was performed by using these two software and the results were compared to the model test results. Coupled dynamic analysis in time domain was performed to predict the TLP motion in 1000-years sea state. The results showed that AQWA and HARP can both be used in analysis on wave diffraction and radiation, static offset and free decay of TLP, while HARP is more suitable in coupled dynamic analysis for TLP in time domain than AQWA.

tension leg platform; global performance; AQWA; HARP; application

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.036

2016-10-20

工信部科研(工信部聯(lián)裝[2014]503號)；工信部“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”專項經(jīng)費資助

高靜坤(1975—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計及工程管理

U674.38

A

1671-7953(2017)04-0156-05

修回日期：2016-11-10