覃剛，李亞男，唐文獻(xiàn)，張建，丁浩，張宗政

(1. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430084 2. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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1200m半潛式鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

覃剛1，李亞男2，唐文獻(xiàn)2，張建2，丁浩2，張宗政2

(1. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430084 2. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：采用中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求，對(duì)工作水深為1200m的深水半潛式鉆井平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了目標(biāo)平臺(tái)所受海洋環(huán)境載荷的組成及分類，在風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了時(shí)域耦合分析，研究規(guī)則波與非規(guī)則波下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；對(duì)比分析了系泊纜預(yù)緊力對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果表明，帶有預(yù)緊力的系泊纜能明顯抑制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，即可以通過人為的增加平臺(tái)阻尼來限制半潛式平臺(tái)的定位精度，對(duì)深水半潛式海洋鉆井平臺(tái)的耐波性設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：深水半潛式平臺(tái)；時(shí)域耦合；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；預(yù)緊力；耐波性

0引言

隨著海洋油氣開采逐步由淺水大陸架海區(qū)向深水領(lǐng)域邁進(jìn)，各種新型深水海洋平臺(tái)相繼應(yīng)運(yùn)而生，深水半潛式鉆井平臺(tái)在我國(guó)海域的應(yīng)用越來越廣泛。

國(guó)外對(duì)于浮式平臺(tái)的研究起步較早，1950年John[1]等學(xué)者對(duì)浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究；Wu[2]等學(xué)者對(duì)規(guī)則波下半潛式平臺(tái)的浮體和錨泊系統(tǒng)的作用力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；近年來，隨著半潛式平臺(tái)的廣泛使用，國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于半潛式平臺(tái)的研究也日漸增多，2007年，孫金麗[3]等人在時(shí)域內(nèi)數(shù)值模擬了波浪作用下錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)；2010年周素蓮[4]等人研究了不同的系泊方式對(duì)錨泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)影響；2011年，翟鋼軍[5]等人對(duì)風(fēng)浪聯(lián)合作用下深水半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型進(jìn)行了研究分析。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，只考慮波浪或者風(fēng)浪的影響會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的片面性，在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下錨泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的大小決定了結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定和工作性能，因此有必要研究風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下深水半潛式平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)，本文對(duì)深水半潛式平臺(tái)在考慮非線性影響下采用時(shí)域計(jì)算方法進(jìn)行時(shí)域耦合分析、定位及安全性能分析。

采用中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》的設(shè)計(jì)要求，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取合適的系泊纜，建立目標(biāo)平臺(tái)受風(fēng)、浪、流的共同作下的水動(dòng)力模型；分析目標(biāo)平臺(tái)所承受海洋環(huán)境載荷的組成及分類，研究深水半潛式海洋平臺(tái)的動(dòng)力特性。

1半潛式平臺(tái)水動(dòng)力模型

建立深海半潛式鉆井平臺(tái)在1200 m工作水深的水動(dòng)力模型，包括用來模擬水面以下平臺(tái)形狀的濕表面模型和模擬平臺(tái)質(zhì)量的質(zhì)量模型。動(dòng)力濕表面模型如圖1(a)所示，表1為目標(biāo)平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)；利用頻域計(jì)算的結(jié)果，對(duì)半潛平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行非線性時(shí)域耦合分析。圖1(b)系泊纜布錨方式及風(fēng)、浪、流載荷施加方向，系泊系統(tǒng)采用8條纜對(duì)稱的布錨方式，鋼絲繩模擬系泊纜，系泊纜長(zhǎng)1290m，直徑924mm，軸向剛度EA7.846×108，最小破斷力8.396×106N，濕質(zhì)量35.3kg/m。

表1　目標(biāo)平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1　平臺(tái)模型及系泊纜布置示意圖

2數(shù)值計(jì)算理論

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算采用AQWA軟件，其計(jì)算理論主要基于經(jīng)驗(yàn)公式Morison法和三維勢(shì)能理論。Morison法主要考慮波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的粘滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)，對(duì)于尺度大于0.2的海工結(jié)構(gòu)物，波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用主要是附加質(zhì)量效應(yīng)和繞射效應(yīng)，主要采用三維勢(shì)流理論計(jì)算波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用力。對(duì)于半潛式平臺(tái)的浮體和立柱采用勢(shì)流理論計(jì)算波浪力，對(duì)于橫撐和系泊纜則采用Morison方程計(jì)算，由Morison方程計(jì)算得到的粘性阻尼增加到由勢(shì)流理論得到的阻尼項(xiàng)中，得到更加精確合理的結(jié)果，以下為Morison方程的計(jì)算公式(即作用在長(zhǎng)度為DZ的垂直剛性圓柱切片上的水平力)：

(1)

式中：力的正方向?yàn)椴ɡ说膫鞑シ较?；?為水的密度；D為圓柱直徑；u和a1分別為切片中未受擾動(dòng)流體的水平流速和加速度；CM和CD為質(zhì)量系數(shù)和阻力系數(shù)。

3環(huán)境載荷

3.1　風(fēng)、流載荷的計(jì)算

作用于平臺(tái)的風(fēng)載荷由風(fēng)力FW和力矩Mw組成，其一般表達(dá)式為：

(2)

(3)

式中：Cw為風(fēng)力系數(shù)，由于本半潛式平臺(tái)船體屬于大結(jié)構(gòu)物，本計(jì)算取值為1；ρ0為20°時(shí)的空氣密度，取1.224×10-3Kn·S2·m-4；A為平臺(tái)在迎風(fēng)方向的投影面積；L為風(fēng)力作用點(diǎn)到平臺(tái)重心的距離。

流載荷的計(jì)算方法跟風(fēng)載荷類似，其一般表達(dá)式為：

(4)

(5)

式中：Cc為流體的阻力系數(shù)，由于本半潛式平臺(tái)船體屬于大結(jié)構(gòu)物，本計(jì)算取值為1；ρc為海水密度；A為平臺(tái)在流速方向的投影面積；L為流力作用點(diǎn)到平臺(tái)重心的距離。

3.2　環(huán)境載荷的施加

自存工況采用中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行模擬分析，設(shè)計(jì)水深1200m，綜合考慮系泊纜動(dòng)力學(xué)和風(fēng)、浪、流的共同作用，取波浪(規(guī)則波和不規(guī)則波)幅值均4.16m，周期均為10s；風(fēng)速取自存狀態(tài)51.5m/s；流速取1.5m/s。本文針對(duì)風(fēng)、浪、流同向(沿x軸正向)的海況進(jìn)行研究，均按迎浪方向考慮，仿真時(shí)間為5000s。

4計(jì)算結(jié)果及比較分析

4.1　規(guī)則波與不規(guī)則波對(duì)平臺(tái)(系泊纜無預(yù)緊力)的影響研究

在相同的風(fēng)、流作用下，研究半潛式平臺(tái)規(guī)則波與不規(guī)則波(相同波高和頻率)作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，以下從平臺(tái)的垂蕩、縱蕩、縱搖三個(gè)方面來進(jìn)行分析。由圖2(a)規(guī)則波下平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)平均幅值在1.4m，以簡(jiǎn)諧波的形式變化。與圖2(b) 不規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較可得，不規(guī)則波下的垂蕩運(yùn)動(dòng)平均位移為-3m,幅值相對(duì)規(guī)則波的幅值稍小，平穩(wěn)后最大幅值為0.9m，但是變化不均勻；規(guī)則波下的縱蕩位移和不規(guī)則波下的縱蕩位移都在20m左右，但是不規(guī)則波下的縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值較大，穩(wěn)定性差；規(guī)則波作用下的平臺(tái)縱搖角度最后穩(wěn)定在-2.6°左右，而不規(guī)則波下的縱搖角度在-4.7°-0.1°之間以簡(jiǎn)諧波的形式變化。

圖2　不同波浪下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線

4.2　規(guī)則波與不規(guī)則波對(duì)平臺(tái)(系泊纜有預(yù)緊力)的影響研究

對(duì)每根系泊纜施加5.5×106N的預(yù)緊力，相同的風(fēng)、浪作用下平臺(tái)對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波的響應(yīng)如圖3(a)、圖3(b)所示。規(guī)則波下帶有施加預(yù)緊力的系泊纜的平臺(tái)的垂蕩平均幅值在0.5m左右，不規(guī)則波下帶有加預(yù)緊力的系泊纜的平臺(tái)的垂蕩位移在-4.1m左右，但是運(yùn)動(dòng)幅值變化相對(duì)較大；規(guī)則波下的縱蕩位移在7.7m左右，不規(guī)則波下的縱蕩位移在8m左右，不規(guī)則波下的縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值較大，穩(wěn)定性差；規(guī)則波作用下的平臺(tái)縱搖角度最后穩(wěn)定在-2.3°左右，而不規(guī)則波下的縱搖角度在-4.6°~0.1°之間以簡(jiǎn)諧波的形式變化。

圖3　不同波浪下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線

4.3　帶預(yù)緊力的系泊纜對(duì)平臺(tái)的影響研究

由圖2(a)規(guī)則波下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線和圖3(a)規(guī)則波下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(系泊纜預(yù)張緊)時(shí)程曲線比較可得，帶有預(yù)張緊系泊纜平臺(tái)的垂蕩平均幅值較小，縱蕩位移和縱搖都較?。粓D2(b)規(guī)則波下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線和圖3(b)不規(guī)則波下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)(系泊纜預(yù)張緊)時(shí)程曲線比較與規(guī)則波相似，由此可得，帶有預(yù)緊力的系泊纜對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性影響更大，尤其是在限制平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)方面尤為突出。

5結(jié)果分析與討論

建立1200m水深錨泊系統(tǒng)水動(dòng)力模型，采用中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，綜合風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用對(duì)半潛式海洋鉆井平臺(tái)進(jìn)行錨泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析。分析中考慮了在相同的風(fēng)、浪、流以及系泊纜預(yù)緊力的影響因素，得到以下結(jié)論：

1) 三維水動(dòng)力時(shí)域耦合分析能夠充分考慮系泊纜和浮體之間的相互影響，實(shí)時(shí)分析浮體在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下所承受的彎矩、剪力和扭矩，實(shí)時(shí)反映平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

2) 在同等波高、頻率的規(guī)則波和不規(guī)則波下，半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，并且在規(guī)則波作用下運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，符合運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

3) 在相同的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，通過對(duì)平臺(tái)(系泊纜有無預(yù)緊力)對(duì)比分析，帶有預(yù)緊力的系泊纜能明顯抑制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，尤其是半潛式平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)，即可以通過人為的增加平臺(tái)阻尼來限制半潛式平臺(tái)的定位精度，對(duì)深水半潛式海洋鉆井平臺(tái)的耐波性設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

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Motion Response Research on 1200 m-deepwater Semi-submersible Drilling Platform

QIN Gang1,LI Ya-nan2,TANG Wen-xian2, ZHANG Jian2, DING Hao2，ZHANG Zong-zheng2

(1. Wuhan Marine Machinery Co., Ltd., Wuhan 430084, China;

2. School of mechanical engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract:Based on the design requirements of the China Classification Society“maritime mobile platform classification and construction specifications”，the structure of the 1200m-deepwater semi-submersible drilling platform is designed. The load classification of the marine environment of the target platform is analyzed. Considering the combined effects from wind, wave and flow, the time-domain coupled analysis on the mooring system of the semi-submersible platform is carried out. The motion response of the platform under regular wave and irregular wave is studied. The influence of mooring-line pretension force on platform motion is analyzed. The results show that the mooring-line with pretension force can obviously inhibit the platform motion, that is, the positioning accuracy of the semi-submersible platform can be controlled by artificially increasing platform damping. It provides a significant guidance for the seakeeping design of deepwater semi-submersible drilling platform.

Keywords:deepwater semi-submersible drilling platform; time domain coupled; motion response; pretension force; seakeeping

中圖分類號(hào)：P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0086-04

作者簡(jiǎn)介：覃剛(1963-)，男，湖北宜昌人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：2013年江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CXLX13702)

收稿日期：2014-11-04 2014-11-01