基于AQWA的半潛式平臺水動力分析及系泊性能計算分析

陳 鵬，馬 駿，黃進(jìn)浩，李艷青，薛慶雨

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082;2大連理工大學(xué)，遼寧 大連116024)

半潛式平臺因為具有相對總投資小，甲板空間和甲板可變載荷大，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，適應(yīng)水深范圍廣，作業(yè)功能全面等優(yōu)點，在深水油氣開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。半潛式平臺長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，為保證平臺的正常作業(yè)以及自存狀態(tài)的安全性，準(zhǔn)確確定其在海洋環(huán)境載荷作用下的運動響應(yīng)及其系泊纜張力響應(yīng)十分重要。系泊系統(tǒng)定位主要有兩種方式，懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)，目前張緊式系泊系統(tǒng)對于半潛式平臺是最常用的系泊方式［1］。隨著水深的增加，系泊纜的質(zhì)量和阻尼對系泊系統(tǒng)的影響變大，平臺自身的運動也進(jìn)一步影響到系泊纜的質(zhì)量和阻尼。因此，考慮平臺與系泊系統(tǒng)之間的耦合作用更加合理［2-4］。本文結(jié)合AQWA軟件，分析半潛式鉆井平臺在規(guī)則波中的水動力性能，并考慮隨機(jī)波浪及風(fēng)、流載荷的聯(lián)合作用，通過時域耦合分析方法研究整個系統(tǒng)的運動和動力響應(yīng)。

1 半潛式平臺系泊系統(tǒng)及環(huán)境條件

1.1 平臺參數(shù)及水動力模型

以第六代半潛式鉆井平臺為研究對象。該平臺具有勘探、鉆井、完井與修井作業(yè)等多種功能，最大作業(yè)水深3 000 m，鉆井深度可達(dá)10 000 m。平臺穩(wěn)性和強(qiáng)度按照南海惡劣海況設(shè)計，能抵御百年一遇的臺風(fēng);平臺具有雙浮體，4個長方形立柱將浮體與主甲板連接。平臺關(guān)于xz，yz平面對稱，其主要參數(shù)見表1，水動力分析模型見圖1。

表1 平臺的主要參數(shù)

圖1 平臺水動力分析模型

1.2 海洋環(huán)境條件

本文環(huán)境條件采用中國南海百年一遇海況條件作為系泊系統(tǒng)生存設(shè)計條件，見表2。

表2 海洋環(huán)境條件

1.3 系泊系統(tǒng)初步設(shè)計

對于張緊式系泊系統(tǒng)，根據(jù)API RP 2SM規(guī)范，設(shè)計每根纜索由鋼鏈、聚酯纜和鋼鏈三部分組成。本文纜索兩端的鋼鏈各取300 m。各部分的具體參數(shù)見表3。蕩和垂蕩的運動響應(yīng)幅值。

表3 系泊纜索參數(shù)

初步設(shè)計中，纜索數(shù)目選擇為8根，纜索對稱布置，纜繩夾角β=22.5°，纜繩水平角度φ=45°張力傾角α為45°，頂端預(yù)張力3 500 kN，具體纜繩布置和角度定義見圖2。

圖2 系泊纜編號及布置

根據(jù)以上資料參數(shù)，在AQWA中建立平臺及系泊系統(tǒng)模型，見圖3。

圖4 平臺附加質(zhì)量

圖3 半潛式平臺系泊系統(tǒng)計算模型(AQWA)

圖5 平臺自由狀態(tài)運動響應(yīng)幅值

2 水動力分析

水動力分析主要計算平臺在規(guī)則波中的運動和受力響應(yīng)及相關(guān)水動力學(xué)參數(shù)，如附加質(zhì)量、附加阻尼、波浪力和運動響應(yīng)傳遞函數(shù)(RAOS)，為后續(xù)的時域耦合分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

附加質(zhì)量以mij表示，m11、m22和m33分別表示縱蕩、橫蕩和垂蕩三個平動運動模態(tài)的附加質(zhì)量，見圖4。

圖5給出了半潛式平臺在規(guī)則波中縱蕩、橫

從圖4可以看出，m33＞m22＞m11，由于平臺的垂向面積大于平臺的橫向面積，平臺的橫向面積大于平臺的縱向面積，因而平臺的垂蕩附加質(zhì)量最大，縱蕩附加質(zhì)量最小。在高頻和低頻處，附加質(zhì)量比較穩(wěn)定，在0.6 rad/s和1.2 rad/s頻率之間，即在常見的波浪周期內(nèi)，附加質(zhì)量波動較大，并出現(xiàn)波峰波谷位置。

從圖5可以判斷該平臺運動性能的特點，平臺在高頻區(qū)域內(nèi)(ω≥0.7 rad/s)運動性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值很小;平臺的垂蕩固有周期為20.9 s(ω=0.3 rad/s)左右;縱蕩和橫蕩的運動響應(yīng)變化趨勢一致，這是由平臺結(jié)構(gòu)對稱性所決定。

3 時域耦合分析

一般來說，對于半潛式平臺，當(dāng)風(fēng)、浪、流同向時將對系泊系統(tǒng)上產(chǎn)生最大的力。因此，本文計算假定風(fēng)、浪、流作用在同一方向上，再分別以與坐標(biāo)成0°、15°、35°、45°、60°、75°、90°共7個方向進(jìn)行計算，其中規(guī)定0°為船艉指向船艏，90°為右舷指向左舷，見圖2。

對于半潛平臺而言，工作海域百年一遇海況下的最大水平位移需要控制在6%的水深范圍內(nèi)，根據(jù)API RP 2SK設(shè)計規(guī)范，對于完好的系泊系統(tǒng)使用動力分析計算時，系泊纜最大張力的安全系數(shù)取1.67。上述安全系數(shù)指系泊纜斷裂強(qiáng)度與所受最大張力之比，偏移量指系泊纜最大水平偏移與水深之比。對于1.3初步設(shè)計的系泊系統(tǒng)參數(shù)，以自存工況進(jìn)行7個方向的時域耦合分析，模擬計算時間為3 h，結(jié)果見表4。

表4 張緊式系泊初步方案計算結(jié)果

由表4可見，按照1.3的初步設(shè)計方案，系泊纜張力安全系數(shù)略小于1.67，平臺偏移量超過自存工況允許水深的6.0%，因而該方案還需改進(jìn)優(yōu)化。當(dāng)環(huán)境力方向為60°時，平臺的系泊纜張力和水平偏移最大，其原因是:在60°環(huán)境力方向上，平臺的受風(fēng)面積和受流面積都達(dá)到最大值，受到很大的環(huán)境載荷;平臺的的環(huán)境力主要由該方向上的NO.3系泊纜分擔(dān)，系泊剛度相對較弱。平臺在60°環(huán)境力作用下的NO.3系泊纜張力和運動響應(yīng)時程曲線見圖6。可以看出，平臺的水平運動具有明顯的低頻運動特性，而垂蕩則表現(xiàn)為波頻運動特性。

4 結(jié)論

1)本文方法能夠得到合理的響應(yīng)結(jié)果，可用于系泊系統(tǒng)的初步設(shè)計。

2)半潛式平臺在波浪高頻區(qū)域內(nèi)運動性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值很小。縱蕩和橫蕩的運動響應(yīng)變化趨勢一致，這是由平臺結(jié)構(gòu)對稱性決定的。該方法可以初步預(yù)報半潛式平臺的運動性能，為平臺型線設(shè)計提供參考。

圖6 平臺運動響應(yīng)及系泊纜張力時間歷程

3)平臺的水平運動具有明顯的低頻運動特性，而垂蕩則表現(xiàn)為波頻運動特性。當(dāng)環(huán)境力方向在60°附近時，平臺的系泊纜張力和水平偏移最大，因而在系泊方案設(shè)計中需要引起重視。

［1］韓 凌，杜 勤.深水半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)技術(shù)概述［J］.船海工程，2007，36(3):82-86.

［2］童 波，楊建民，李 欣.深水半潛平臺懸鏈線式系泊系統(tǒng)耦合動力分析［J］.中國海洋平臺，2008，23(6):1-7.

［3］ARCANDRA，TAHAR，KIM M H.Coupled-dynamic analysis of floating structures with polyester mooring lines［J］.Ocean Engineering，2008，38(35):1676-1685.

［4］MA W，LEE M Y，ZOU J，et al，Deepwater nonlinear coupled analysis tool［C］∥OTC 12085，2000.