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(大連船舶重工集團設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116005)

張力腿平臺(TLP)總體運動性能是張力腿平臺設(shè)計中最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要校核內(nèi)容包含平臺水平位移、升沉運動、筋腱張力和氣隙等。本文采用時域耦合分析方法，考慮風(fēng)、浪、流、筋腱、立管等的影響，驗證張力腿平臺在500 m水深南海環(huán)境作業(yè)下的可行性。

目標(biāo)平臺是傳統(tǒng)型張力腿平臺，在500 m水深的中國南海海域范圍內(nèi)從事鉆井和生產(chǎn)作業(yè)。平臺主體是由4根圓形立柱和環(huán)形浮箱組成，平臺共設(shè)有8根筋腱，分別與4個立柱相連接，井口設(shè)計有12根立管。主要設(shè)計參數(shù)參見表1。

表1 平臺主要參數(shù)

1 分析方法

張力腿平臺在各種環(huán)境載荷作用下的總體運動性能受多種非線性因素影響，以及筋腱和立管的制約，因此，必須采用時域耦合的分析方法，本平臺采用SESAM軟件的HytroD和DeepC模塊完成，應(yīng)用HytroD先完成頻域分析獲得所需要的水動力參數(shù)，在應(yīng)用DeepC開展時域耦合分析，由于張力腿平臺的特殊性，以及數(shù)值分析的局限性，根據(jù)模型試驗結(jié)果對數(shù)值分析結(jié)果修正處理。

1.1 水動力分析

張力腿平臺由于其特殊的定位方式，相對于其他浮式平臺水動力分析更為復(fù)雜，在頻域分析時不僅需要考慮張力腿筋腱預(yù)張力對整個系統(tǒng)平衡的影響，還需要考慮張力腿平臺筋腱剛度和質(zhì)量對平臺水動力性能的影響，其運動方程為:

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣；A1為水動力附加質(zhì)量；A2為筋腱附加質(zhì)量；C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣；k為筋腱附加剛度。

筋腱附加質(zhì)量一般根據(jù)經(jīng)驗估算，垂向分量取為筋腱濕重的一半(不考慮水動力附加質(zhì)量)，水平分量取為筋腱濕重(考慮水動力附加質(zhì)量)，根據(jù)輸入的模型參數(shù)及剛度特性，并考慮到模型的質(zhì)量和附加質(zhì)量等因素，推得平臺運動響應(yīng)RAO。

1.2 分析工況

根據(jù)API規(guī)范選取1 000年一遇、100年一遇和1年一遇的南海環(huán)境海況計算，分析中風(fēng)載荷計算采用NPD風(fēng)譜，其平均風(fēng)速為53, 48, 和 25 m/s；波浪載荷計算采用JONSWAP譜，其有義波高分別為16.5、13.6和7.5 m；表面流速分別為2.8、2.5和1.6 m/s；保守考慮風(fēng)浪流同向。

平臺工況主要分為完整工況和破損工況，其中破損工況又分為艙室破損工況、一根筋腱移除工況和筋腱破損工況。不同工況對應(yīng)的安全類型不同，API定義安全類別A是對應(yīng)于操作工況，安全類別B是對應(yīng)于極端工況，安全類別S對應(yīng)于生存工況。工況組合見表2。

表2 分析工況

1.3 數(shù)值模型校準(zhǔn)

在時域分析中，筋腱和立管均按照實際屬性建立，基于桿件理論的三維有限元法，每根筋腱或立管都被離散成一系列的梁單元，單元不僅具有水動力屬性如附加質(zhì)量和粘性阻尼，也同時具備結(jié)構(gòu)單元屬性，如自重、浮力和結(jié)構(gòu)剛度。分析模型見圖1。

在執(zhí)行時域耦合分析前，一個必不可少的過程是數(shù)值模型的校準(zhǔn)[1]。數(shù)值模型的校準(zhǔn)通常包括水平推力試驗、衰減試驗等以獲得TLP平臺水平剛度、固有周期和各種響應(yīng)的幅值響應(yīng)算子等，這些關(guān)鍵參數(shù)需要和水池模型試驗對比，以確保數(shù)值模型的可靠性。

平臺水平剛度表征水平力和位移的關(guān)系，以及平臺水平位移和沉降的關(guān)系，見圖2。

平臺筋腱張力和水平位移曲線表征其不同位置筋腱張力和水平位移的關(guān)系，見圖3。

平臺模型根據(jù)靜態(tài)位移調(diào)整后，開始做自由衰減試驗，得到平臺各個自由度的周期和阻尼。平臺數(shù)值衰減試驗結(jié)果見表3，結(jié)果顯示耦合分析模型合理，可用于進一步分析。

表3 自然周期和阻尼比

1.4 波浪載荷模擬

高頻載荷主要包括高頻彈振(spring)和超高頻鳴振(ringing)。兩者都會導(dǎo)致張力腿平臺筋鍵在垂直面內(nèi)的運動,這些運動反過來又會在筋鍵系統(tǒng)中產(chǎn)生軸向的振蕩。spring 響應(yīng)可以通過數(shù)值分析確定,數(shù)值分析是對二階波浪力的二次傳遞函數(shù)(QTF)進行計算,通常會涉及和頻力?，F(xiàn)在還沒有能夠模擬張力腿 ringing 響應(yīng)的商業(yè)的計算機程序,因此必須依靠模型試驗獲得[2]。計算中采用JONSWAP譜，譜峰升高因子取2.4，波浪譜形式見圖4。

1.5 風(fēng)載荷模擬

張力腿平臺的風(fēng)載荷占環(huán)境載荷很大比例，風(fēng)載荷直接影響到平臺的水平位移進而影響筋腱的尺寸選取、筋腱預(yù)張力選取以及平臺船體主尺度的確定。通過風(fēng)洞試驗或數(shù)值計算得到風(fēng)載荷系數(shù)，本文采用NPD風(fēng)譜，其計算公式如下。

(2)

取10 m高處1 h平均風(fēng)速，風(fēng)譜密度函數(shù)如下。

(3)

1.6 流載荷模擬

流載荷與風(fēng)載荷類似，流載荷系數(shù)通過風(fēng)洞試驗或數(shù)值計算得到，內(nèi)波是南海的一種特殊環(huán)境條件，通常情況下把內(nèi)波等效為分層流，一般內(nèi)波只與1年一遇海況疊加，因此,流速一般由風(fēng)生流、涌流和內(nèi)波組成[3]。

2 數(shù)值分析結(jié)果修正

張力腿平臺在波浪作用下的運動響應(yīng)分為波頻響應(yīng)( 5 s 25 s) 和高頻響應(yīng)(HF< 5 s) 。由于經(jīng)驗公式和完整的二階傳遞函數(shù)法(QTF法)理論的不完善，通常高頻響應(yīng)依賴模型試驗結(jié)果[4]。

2.1 運動修正

張力腿平臺動力成分中高頻響應(yīng)對水平運動和升沉運動影響很小，因此數(shù)值統(tǒng)計時忽略高頻響應(yīng)的影響，將運動時歷曲線離散成低頻響應(yīng)和波頻波頻，進而根據(jù)模型試驗結(jié)果修正。

Xmax=Xmean+

(4)

式中：Xmax為平臺最大位移；Xmean為平臺水平位移；α為波頻和低頻的耦合系數(shù)。

XWFmax=3HWFCorrWF·STDWF;

XLFmax=3HLFCorrLF·STDLF

3HWFCorrWF,3HLFCorrLF為基于模型試驗的修正系數(shù)；STDWF,STDLF為數(shù)值分析波頻和低頻的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 氣隙修正

張力腿平臺氣隙計算公式如下:

Airgap=Airgap0-ZTide-ZSubs-Zcrest

(7)

式中：Airgap0為初始靜氣隙；ZTide為最大潮水位；ZSubs為樁基最大下沉；Zcrest為相對波面升高, 包含平臺非線性的平臺升沉和波面升高。

隨著新規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的頒布，對氣隙預(yù)報的準(zhǔn)確性和波浪抨擊的預(yù)報要求越來越嚴(yán)格，本文采用時域耦合的分析方法開展氣隙預(yù)報研究，根據(jù)模型試驗結(jié)果對數(shù)值分析中的相對波面升高修正，并考慮潮和涌引起的水深變化對氣隙的影響。氣隙計算示意見圖6。

2.3 筋腱張力修正

數(shù)值修正的過程中，對于動態(tài)響應(yīng)，分別考慮數(shù)值模型和水池模型對應(yīng)的高頻、波頻和低頻的相互關(guān)系，以及高頻、波頻和低頻三者之間的相關(guān)性，再通過一定的組合方式得到修正后的動態(tài)響應(yīng)。動態(tài)響應(yīng)再和預(yù)張力、平均力以及設(shè)計余量疊加即得到最大或最小的筋腱張力。筋腱張力的修正公式可表示為

(5)

式中：Tmax/min為最大/最小筋腱張力；Tpre為筋腱預(yù)張力；Tmean為定常載荷下筋腱張力；Tmar為筋腱設(shè)計余量，考慮建造和安裝誤差，以及潮和涌的影響等；TWFmax=WFextreme·WFcorr·STDWF-prediction；THFmax=HFextreme·HFcorr·STDHF-prediction；TLFmax=LFextreme·LFcorr·STDLF-prediction;WFcorr、HFcorr、LFcorr為模型試驗和數(shù)值分析波頻、高頻和低頻響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差的修正系數(shù);

WFcorr=STDWF-model/STDWFprediction;

HFcorr=STDHF-model/STDHF-predicition;

LFcorr=STDLF-model/STDLF-predicition；

STDWF-model、STDHF-model、STDLF-model為模型試驗波頻、高頻和低頻響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；STDWF-predicition,STDHF-predictionl,STDLF-predicition為數(shù)值分析波頻、高頻和低頻響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差；α為波頻、高頻和低頻的耦合系數(shù)；WFextreme,HFextrem,LFextreme為模型試驗波頻、高頻和低頻動態(tài)響應(yīng)極值和標(biāo)準(zhǔn)差的比值；WFextreme=(WFmax-WFmean)/STDWF-model；HFextrem=(HFmax-HFmean)/STDHF-model；LFextreme=(LFmax-LFmean)/STDLF-model；WFmax;HFmax，LFmax為筋腱波頻、高頻和低頻響應(yīng)極值；WFmean,HFmean,LFmean為筋腱波頻、高頻和低頻響應(yīng)平均值。

3 校核橫準(zhǔn)和分析結(jié)果

3.1 平臺運動分析結(jié)果

規(guī)范對平臺位移和轉(zhuǎn)角一般沒有具體要求，對于位移和轉(zhuǎn)角限制條件主要來自立管設(shè)計要求[5-6]。張力腿頂部和底部最大轉(zhuǎn)角主要由下面2個因素決定：

①避免張力腿與相鄰結(jié)構(gòu)物發(fā)生碰撞；

②張力腿柔性連接頭可容許轉(zhuǎn)動范圍，張力腿柔性接頭可根據(jù)平臺實際情況定制，據(jù)柔性連接頭供應(yīng)商確認(rèn)，柔性連接頭可容許轉(zhuǎn)動范圍可以達到12°。

計算得1 000年一遇、100年一遇和1年一遇的最大水平位移分別是68.21、55.89和 22.83 m，最大位移和水深比為13.64%，根據(jù)行業(yè)共識滿足作業(yè)要求，最大的升沉運動分別是4.56、2.99和0.70 m。1000年一遇、100年一遇和1年一遇的最大筋腱頂部轉(zhuǎn)角為11.57°、9.46°和 4.85°，滿足作業(yè)要求。水平位移數(shù)值分析時歷曲線見圖7。

3.2 筋腱張力分析結(jié)果

筋腱最大張力主要受筋腱預(yù)張力和環(huán)境條件影響，可以作為筋腱設(shè)計和安裝參考，目標(biāo)平臺筋腱最大張力為49 720 kN。發(fā)生在100年一遇海況一根筋腱移除的工況下。筋腱頂部最大張力規(guī)范沒有特殊要求，一般來說，要滿足強度設(shè)計要求。筋腱底部最小張力一般為正值，避免筋腱與樁基礎(chǔ)脫離，目標(biāo)平臺最小筋腱張力為3 800 kN。筋腱張力數(shù)值分析結(jié)果見圖8。

3.3 氣隙預(yù)報結(jié)果

張力腿平臺氣隙與常規(guī)半潛平臺不同，氣隙規(guī)范要求如下[7]。

1)100年一遇的海況環(huán)境下最小氣隙要大于1.5 m。

2)1 000年一遇的海況環(huán)境下最小氣隙要大于0 m。

100年一遇的環(huán)境海況下最小氣隙為2.68 m，1 000年一遇的環(huán)境海況下最小氣隙為0.24 m。目標(biāo)平臺氣隙滿足設(shè)計要求。某點氣隙數(shù)值預(yù)報結(jié)果見圖9。

4 結(jié)論

1)目標(biāo)平臺在南海500 m水深惡劣海洋環(huán)

境條件下，平臺總體運動性能良好。

2)南海環(huán)境惡劣，筋腱尺寸設(shè)計直徑較大，同時需要的筋腱預(yù)張力較高。筋腱預(yù)張力越大，平臺水平運動越小，筋腱底部張力出現(xiàn)負(fù)值的可能性越小，但是對筋腱強度和疲勞不利，因此筋腱預(yù)張力設(shè)計時需要綜合平衡考慮。

3)張力腿平臺的吃水較深，同時南海的流速相對較高，同時還有內(nèi)波影響，流載荷對平臺運動具有較大影響。

4)由于數(shù)值分析的局限性，數(shù)值分析結(jié)果需要模型試驗修正，其中高頻響應(yīng)建議直接采用模型試驗結(jié)果。

5)平臺氣隙采用時域耦合分析方法，在生存條件下最小氣隙為0.24 m，有足夠的氣隙空間。

6)分析未考慮張力腿平臺渦激運動和立管的渦激振動，其影響有待研究。