徐興平, 王言哲, 汪 海

(中國石油大學(華東)機電工程學院,山東青島 266580)

spar平臺是深海石油開發(fā)的關鍵設備,Agarwal等[1-2]以spar平臺系泊系統(tǒng)為研究對象,采用Newmark迭代算法研究了系統(tǒng)的時域動力響應,結果表明平臺與系泊系統(tǒng)相互耦合對運動響應影響較大。Kim等[3]采用CABLE6D程序對classical spar/聚酯系泊系統(tǒng)進行耦合動力分析,結果表明,由于聚酯纜具有大變形特性,采用聚酯系泊系統(tǒng)的張力響應要小于錨鏈系泊系統(tǒng)的張力響應。肖越[4]在頻域和時域分別計算了平臺/系泊系統(tǒng)耦合動力特性,結果表明時域分析更為準確。劉海笑等[5]分析了張緊式系泊系統(tǒng)的spar平臺的耦合動力特性,系泊系統(tǒng)采用合成纖維纜。陳新權[6]采用三維非線性時域模擬方法分析了系泊深海半潛式平臺在自存和作業(yè)工況條件下的運動響應和系泊纜的動張力變化。Soeb等[7-8]在時域分析了spar平臺/系泊系統(tǒng)耦合動力響應,分析了波浪和海浪載荷對系統(tǒng)響應的影響。Montasir等[9-11以truss spar為研究對象,分析了風、浪、流載荷作用下平臺/系泊系統(tǒng)的耦合動力特性。Yang等[12-13]采用全時域動力法對truss spar/系泊/立管系統(tǒng)在非線性波下的動力特性進行耦合分析,通過時域分析可以計算系統(tǒng)的慢漂運動。劉利琴等[14]分析開有月池的truss spar垂蕩運動特性,研究了月池開度對運動響應的影響。筆者將truss spar平臺主體和系泊系統(tǒng)看作耦合系統(tǒng),采用ANSYS/AQWA在時域對truss spar及其系泊系統(tǒng)進行耦合動力響應分析,考察8點和12點系泊的力學特性。

1 運動方程和系泊方案

系泊系統(tǒng)設計時,環(huán)境條件需要遵循設計標準,其中風、浪、流載荷是主要的載荷。浮式平臺在環(huán)境載荷作用下,產(chǎn)生6個自由度的運動,同時系泊定位系統(tǒng)對平臺產(chǎn)生系泊力。平臺和系泊系統(tǒng)的總體運動方程為

(1)

式中,xi為浮式平臺的6個自由度運動;M為浮式平臺的質量;Ma為浮式平臺的附加質量;C為浮式平臺的水阻尼;K為浮式平臺的靜水剛度;Fcurrent為海流載荷;Fwind為風載荷;Fwave為波浪載荷;Fmooring為系泊載荷。

風、浪、流載荷的組合方式有多種,對于永久性系泊系統(tǒng),使用百年一遇的環(huán)境條件:①浪和與之相關的風和流;②風和與之相關的浪和流;③流和與之相關的風和浪。當缺少以上載荷形式時,可以采用以下組合:①百年一遇的風和浪與十年一遇的流;②百年一遇的風和流與十年一遇的浪。該運動方程可以頻域或者時域求解。

系泊力與系泊方案有關,系泊方案如圖1所示。

圖1 8點與12點系泊方案示意圖Fig.1 Mooring plan schematic diagrams with eight and twelve anchor points

2 8點系泊系統(tǒng)力學特性

采用8點系泊方案時,在環(huán)境載荷作用下,將風、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險工況,重點考察truss spar平臺的運動響應和5號系泊纜的張力響應;在破損工況作用下,假設6號系泊纜發(fā)生破斷,將風、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險工況,考察truss spar平臺的運動響應和5號系泊纜的張力響應。

2.1 垂蕩響應

采用8點系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應見圖2;破損狀態(tài)下Truss spar的垂蕩響應見圖3。從圖2看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-98.6～-97.7 m,完整極限工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-99.5～-97.0 m。從圖3看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-98.4～-97.4 m,破損極限工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-99.5～-97 m。

對比完整工況和破損工況下truss spar平臺的垂蕩響應發(fā)現(xiàn),當系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時,對平臺的垂向運動影響較小。對比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺的垂蕩響應發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺的運動響應幅值明顯更大。

在模擬時間足夠長時,truss spar平臺的垂蕩響應趨于穩(wěn)定。

2.2 縱蕩響應

采用8點系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應見圖4;破損狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應見圖5。從圖4看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為28～36 m,完整極限工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為156～171m。由圖5看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為57～65 m,破損極限工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為222～238 m。

圖2 8點系泊方案中完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應Fig.2 Heave response of truss spar in intact condition with eight anchor points

圖3 8點系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應Fig.3 Heave response of truss spar in broken condition with eight anchor points

圖4 8點系泊方案中完整狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應Fig.4 Surge response of truss spar in intact condition with eight anchor points

圖5 8點系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應Fig.5 Surge response of truss spar in broken condition with eight anchor points

對比完整工況和破損工況下truss spar平臺的縱蕩響應發(fā)現(xiàn),系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷,對平臺的縱蕩運動影響很大。與完整作業(yè)工況相比,平臺的縱蕩位移在破損作業(yè)工況下增加了30 m(平均值)。當truss spar的水平位移過大時,會造成平臺偏離井口,影響平臺采油作業(yè)。

對比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺的縱蕩響應發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺的運動響應幅值明顯更大。與完整作業(yè)工況相比,平臺的縱蕩位移在完整極限工況下增加了130 m(平均值)。在極限工況下,truss spar不能進行正常作業(yè)。

2.3 張力響應

采用8點系泊方案,完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應見圖6;破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應見圖7。在4種工況下,5號系泊纜處于最危險工況。從圖6和7看出,系泊系統(tǒng)在完整作業(yè)工況下的張力響應區(qū)間為(3.9～4.15)×106N,在完整極限工況下的張力響應區(qū)間為(9.2～10)×106N,在破損作業(yè)工況下的張力響應區(qū)間為(4.85～5.15)×106N,破損極限工況下的張力響應區(qū)間為(13～14)×106N。

對比完整工況和破損工況下系泊纜的張力響應發(fā)現(xiàn),當系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時,對系泊纜的張力影響很大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的最大張力在破損作業(yè)工況下增大了24%;與完整極限工況相比,系泊纜的最大張力在破損極限工況下增大了40%。

圖6 8點系泊方案中完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應Fig.6 Tension response of truss spar in intact condition with eight anchor points

圖7 8點系泊方案中破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應Fig.7 Tension response of truss spar in broken condition with eight anchor points

對比作業(yè)工況和極限工況下系泊纜的張力響應發(fā)現(xiàn),極限工況下系泊纜的張力響應極值和幅值都更大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的張力響應在完整極限工況下增大了1.4倍,工況條件對系泊纜張力的影響十分顯著。

3 12點系泊系統(tǒng)力學特性

采用12點系泊方案時,在環(huán)境載荷作用下,將風、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險工況,重點考察truss spar平臺的運動響應和7號系泊纜的張力響應;在破損工況作用下,假設8號系泊纜發(fā)生破斷,將風、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險工況,考察truss spar平臺的運動響應和7號系泊纜的張力響應。

3.1 垂蕩響應

采用12點系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應見圖8;破損狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應見圖9。從圖8可以看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-99.4～-98.4 m,完整極限工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-100.5～-97.8 m。從圖9看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-99.2～-98.2 m,破損極限工況下truss spar平臺的垂蕩響應區(qū)間為-100.5～-97.5 m。

對比完整工況和破損工況下truss spar平臺的垂蕩響應發(fā)現(xiàn),系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷,對平臺的垂向運動影響較小。對比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺的垂蕩響應發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺的運動響應幅值明顯更大。

在模擬時間足夠長時,truss spar平臺的垂蕩響應趨于穩(wěn)定。

圖8 12點系泊方案中完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應Fig.8 Heave response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

圖9 12點系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應Fig.9 Heave response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

3.2 縱蕩響應

采用12點系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應見圖10;破損狀態(tài)下Truss spar的縱蕩響應見圖11。由圖10看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為20～28 m,完整極限工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為112～126 m。從圖11看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為38～48 m,破損極限工況下truss spar平臺的縱蕩響應區(qū)間為158～170 m。

圖10 12點系泊方案中完整狀態(tài)下trussspar的縱蕩響應Fig.10 Surge response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

對比完整工況和破損工況下truss spar平臺的縱蕩響應發(fā)現(xiàn),當系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時,對平臺的縱蕩運動影響很大。與完整作業(yè)工況相比,平臺的縱蕩位移在破損作業(yè)工況下增加了20 m(平均值)。

對比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺的縱蕩響應發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺的運動響應幅值明顯更大。與完整作業(yè)工況相比,平臺的縱蕩位移在完整極限工況下增加了100 m(平均值)。truss spar的水平位移過大會引起平臺偏離井口,影響平臺采油作業(yè)。

圖11 12點系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應Fig.11 Surge response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

3.3 張力響應

采用12點系泊方案,完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應見圖12;破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應見圖13。在4種工況下,7號系泊纜處于最危險工況。由圖12和13看出,系泊系統(tǒng)在完整作業(yè)工況下的張力響應區(qū)間為(3.60～3.85)×106N,在完整極限工況下的張力響應區(qū)間為(7.1～7.9)×106N,在破損作業(yè)工況下的張力響應區(qū)間為(4.2～4.45)×106N,破損極限工況下的張力響應區(qū)間為(9.2～10)×106N。

圖12 12點系泊方案中完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應Fig.12 Tension response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

圖13 12點系泊方案中破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應Fig.13 Tension response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

對比完整工況和破損工況下系泊纜的張力響應發(fā)現(xiàn),當系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時,對系泊纜的張力影響很大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的最大張力在破損作業(yè)工況下增大了15%，系泊纜的最大張力增大了26%。

對比作業(yè)工況和極限工況下系泊纜的張力響應發(fā)現(xiàn),極限工況下系泊纜的張力響應極值和幅值都更大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的張力響應在完整極限工況下增大了一倍,工況條件對系泊纜張力的影響十分顯著。

4 結 論

(1)當系泊系統(tǒng)處于破損狀態(tài)時,平臺的縱蕩、橫蕩和橫搖等要遠大于系泊系統(tǒng)處于完整狀態(tài)時的數(shù)值,系泊系統(tǒng)狀態(tài)下對垂蕩和縱蕩自由度位移(角度)的影響較小。極限工況下,平臺的運動和張力響應要比作業(yè)工況下的響應更大。

(2)在作業(yè)工況下,8點系泊方案、12點系泊方案的張力響應和平臺位移響應均滿足設計要求,但是12點系泊方案的運動響應和張力響應值更小;在極限工況下,8點系泊方案、12點系泊方案的張力極值超出了設計規(guī)范許用張力,但是12點系泊方案的張力值略小。