LH11-1半潛式平臺的船體-系泊系統測量

屈 衍，杜 宇，武文華，時忠民，岳前進

(1.中海油研究總院，北京 100027;2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116023)

浮式平臺現場監測可以為結構在海洋環境作用下的響應提供重要的評估與校核依據，也是提高結構安全運行水平、改進結構設計的重要手段［1-2］。在墨西哥灣以及亞太海域，很多深水浮式結構都安裝了現場測量系統進行結構在颶風條件下的響應測量［3-4］。Igor Prislin［5-6］等在Oryx Neptune Spar上開展了現場測量，在測量數據基礎上，對設計中采用的TDSIM軟件時域分析結果進行了校核。在Horn Mountain SPAR上，現場測量系統也記錄了平臺在颶風過程中的運動數據，John Halkyard［7-8］等人介紹了測量結果與頻域及時域分析結果的比較情況。Xu Qi［9］，Steve Perryman［10］等對 Holstein Spar在 Rita、Ike 和 IVAN 颶風中的響應進行了分析。在TLP平臺上，Per Tigen等［11］對北海Heidrun TLP上的測量結果進行了介紹，對數值分析結果進行了校核與比較。R N Perego，G Li等［12］比較了IVAN臺風中Marlin TLP的運動響應與全耦合數值分析的結果。在Marco Polo TLP現場測量的現場監測中［13］，平臺裝備了用于測量海洋環境、結構運動、張力腿和結構應變的測量裝置，從2004年到2009年進行了連續的大規模測量。利用現場實測結果對該TLP的設計、室內試驗結果進行了校核。上述實測結果介紹中，多數結論認為目前的分析方法對平臺在颶風過程中的運動響應預測可以達到一定精度。但對某些極端情況分析，如SPAR的垂蕩運動等，仍存在計算中難以準確分析的問題。其原因在于設計中水動力阻尼、附加質量等難以準確模擬，系泊系統、立管系統對結構的影響仍難以精確考慮。

為了更好的了解浮式結構在南海的使用情況，在LH11-1油田的“南海挑戰號”半潛式平臺上安裝了現場監測系統，對平臺的海洋環境、結構運動以及系泊系統響應進行了連續測量，獲得了平臺在幾個臺風過程中的響應數據。這里對平臺上的現場測量工作以及監測結果進行了介紹，并與平臺、系泊系統耦合運動分析結果進行對比分析。

1 LH11-1半潛式平臺簡介

LH11-1油田位于中國南海距離香港215 km處，水深約260～300 m，油田采用FPSO-半潛式平臺-水下中央管匯的開發模式［14］。油氣田開發模式如圖1所示。

用于LH11-1油田的半潛式平臺前身為West Stadrill鉆井平臺，是一艘Sedco 700型平臺。平臺1993年購入并在1995年完成改造，作為浮式生產平臺在LH11-1海域使用(見圖2)。南海挑戰號平臺是一艘雙浮筒、八立柱結構，平臺有橫撐、斜撐作為結構加強構件。

圖1 LH11-1油氣田開發模式示意Fig.1 LH11-1 Oil Field development

圖2 LH11-1海域的南海挑戰號半潛式平臺Fig.2 Nanhai Tiaozhan semisubmersible at LH11-1 Oil Field

平臺設計為11點系泊的系泊系統布置形式。該布置形式與平臺所在海域的海洋環境相對應。針對平臺所在位置臺風的主要路徑為NE到E方向，在平臺的側舷布置了6根系泊纜。系泊系統布置以及平臺的方位如圖3所示。單根系泊鏈布置為懸鏈線模式，采用錨鏈-錨纜-錨鏈的組成模式，具體系泊系統布置位置參數如表1所示。

表1 LH11-1平臺系泊系統參數Tab.1 Mooring system component of LH11-1 SEMI

2 現場監測系統

布置在挑戰號平臺上的現場監測系統由風、浪、流環境監測系統、平臺運動監測系統和系泊系統運動監測系統組成。其中風速測量裝置有兩套，分別為機械螺旋槳式和超聲波式。兩套裝置互為備份使用。風速測量儀布置在平臺頂層甲板設備間的屋頂高處。波浪測量分別采用了放置在水中的壓力式測量裝備和安裝在平臺甲板向下發射信號，測量甲板與海面之間距離的測波雷達進行測量。為了避免平臺運動對測量結果的影響，雷達測量裝置處加裝了運動補償裝置。波浪測量裝置如圖4所示。

流速的測量通過ADCP進行。測量中采用了兩套ADCP，由錨鏈懸掛于水深20m處分別向上和向下發送信號，測量表層流速以及全剖面流速。浮式平臺的運動測量分別采用差分GPS和慣導系統。由于平臺垂蕩運動在一般海況下并不顯著，差分GPS在測量平臺垂蕩運動中，精度可能達不到要求。因此為了補充垂蕩測量結果，可以采用低頻加速度傳感器對垂蕩運動加速度進行測量。本項目測量中，差分GPS，慣導系統安裝在頂層甲板工具間屋頂，與風速傳感器在同一高度。現場安裝效果如圖5所示。

圖3 LH11-1挑戰號平臺的系泊系統布置Fig.3 Mooring system arrangement of Nanhai Tiaozhan FPS

圖4 安裝與甲板位置的波浪測量雷達Fig.4 Downward looking wave height radar sensors and heave motion compensation device

在平臺上有預先安裝在止鏈器上的壓力測量裝置對錨鏈的張力進行間接測量。為了與張力數據相比較，設計了利用對錨鏈姿態直接測量，進而反算系泊力的測量方法。水下傾角傳感器分別布置在水下20 m、50 m深度。傳感器設計為自容式，自帶能源和數據存儲裝置，運行結束由水下機器人(ROV)進行回收。圖6分別展示了水下傾角，加速度傳感器及水下安裝情況。

為了觀測波浪對平臺的作用情況，在平臺外舷安裝了4組攝像頭，分別記錄波浪與平臺各個立柱間作用情況以及甲板氣隙。同時，攝像頭記錄的波浪在立柱位置的作用情況，也是對波高測量結果的補充驗證。圖7顯示為臺風過程中，攝像頭記錄的波浪與立柱作用情況的視頻截圖。

圖5 安裝在半潛式平臺上的差分GPS，慣導系統和風速測量傳感器Fig.5 DGPS，INS and wind sensor installed on the SEMI

圖6 水下自容式傾角，加速度傳感器及潛水員安裝Fig.6 Subsea inclinometer and accelerometer sensor

3 洛坦臺風中平臺測量結果

圖7 攝像頭記錄的臺風過程中波浪作用在挑戰號平臺立柱上視頻截圖Fig.7 Pictures of wave acting on the FPS captured by the video cameras installed on the SEMI

現場測量期間南海經歷了多次臺風過程。其中多數臺風路徑不在LH11-1海域附近，因此平臺并未經歷極端海況。2011年7月28日左右路過平臺周邊海域的洛坦臺風是其中一次典型的臺風過程。這里選取該臺風過程進行分析與比較。洛坦臺風過程中風速測量系統測量的風速、風向結果如圖8和圖9所示。圖中可見28日全天陣風風速從10 m/s增加到20 m/s水平。隨著臺風中心與平臺位置的相對變化，風向從70°變化到120°左右。風向的變化在平臺運動的連續數值分析中需要進行考慮。

圖8 洛坦臺風過程中風速變化情況Fig.8 Wind velocity of Nock-Ten typhoon measured on the Nanhai Tiaozhan FPS on July 28，2011

臺風過程中，監測系統測量得到的波浪結果如圖10所示。結果顯示臺風過程中，平臺所在海域有效波高在3.0 m左右，在晚上增加到3.5 m左右。譜峰周期在7～9 s之間。浪向在100°左右方向。

由于平臺不在洛坦臺風的路徑上，環境條件基本在一年一遇設計水平。平臺運動相對較小。圖11分別顯示了監測系統在平臺上測量得到的平臺運動情況。在風、浪、流的作用下，平臺橫蕩、縱蕩位移約為3 m左右。平臺運動方向在下午16點左右發生了改變，其原因為風向、浪向在下午發生了改變。

慣導系統對平臺的轉動情況實現了較好的測量。在臺風過程中，平臺的橫搖，縱搖角度都在0.5°左右。在28日下午，由于風向，浪向的變化，縱搖增加到-1.5°，如圖11(c)所示。

圖10 洛坦臺風過程中波浪要素Fig.10 Wave direction of Nock-Ten typhoon measured on the Nanhai Tiaozhan SEMI on July 28，2011

圖11 洛坦臺風過程中挑戰號半潛式平臺運動情況Fig.11 Heave of Nanhai Tiaozhan SEMI on July 28，2011

4 半潛平臺運動的數值分析

利用現場測量數據，可以對平臺在實際海洋環境中的運動響應進行評估，進而對數值分析結果，水池實驗結果進行驗證。由于分析工具的限制，目前對整個臺風過程進行數值分析重現尚有較大難度，其主要原因是在實際臺風過程中，風、波浪的作用方向和強度都是隨著時間變化的，而目前的數學分析工具均不能直接模擬這種非穩態的物理過程。因此，數值分析只能對其中選取的片段進行模擬驗證。選取了7月28日上午10:00到15:00之間的監測結果進行了平臺/系泊系統耦合運動分析比對。該時間段環境參數如表2所示。

表2 洛坦臺風中的海洋環境參數Tab.2 Environmental condition of Nock-Ten

平臺的耦合運動分析通過船體立管系泊系統耦合分析軟件Harp進行。該軟件由美國TAMU大學開發，專門用于浮式結構及其系泊立管系統在風浪流作用下的時域耦合運動分析［16］。軟件的水動力系數計算部分，由集成的WAMIT(Wave Analysis Mit)完成。WAMIT基于三維勢流理論，利用內部集成的POTEN和FORCE子程序對速度勢和水動力參數進行計算。浮體立柱自由表面邊界條件為線性，采用自由表面格林函數法對波浪與平臺間作用進行計算。船體運動時域部分由有限元模塊Charm3D進行，分析中對系泊和浮體立柱的拖曳力、自由表面效應，錨鏈的幾何非線性等非線性問題都進行了考慮。圖12中顯示為挑戰號的計算模型，表3為平臺模型參數，表4中列出了系泊系統計算的水動力系數。

表3 挑戰號平臺模型參數Tab.3 FPS principal dimensions

表4 系泊系統計算參數Tab.4 Hydrodynamic coefficients for mooring line

圖12 南海挑戰號船體、系泊系統耦合運動分析模型Fig.12 Hull and mooring coupled analysis model of the Nanhai Tiaozhan SEMI

以表2中洛坦臺風中的典型海洋環境參數為輸入條件，這里進行了3小時的平臺耦合運動分析。圖13～16中顯示了各個自由度運動時程功率譜的計算分析結果與測量結果比較情況。考慮到垂蕩運動的測量精度無法滿足需求，而首搖結果主要由風浪的方向改變造成，本文未對其結果進行比較。分析結果可以看出，耦合運動分析結果對低頻，波頻運動分量都有較好的反應。但是從能量分布來看，測量得到的波頻運動分量大于計算得到的波頻分量。

圖13 平臺橫蕩運動功率譜密度結果比較Fig.13 Power spectrum density of measured and calculated surge

圖14 平臺的縱蕩運動功率譜密度結果比較Fig.14 Power spectrum density of calculated surge and sway

測量與計算得到的時域運動統計結果對比如圖17所示。測量結果對比前，對高頻信號進行了濾波處理。對比結果表明，平臺的平動，轉動計算分析結果與測量結果都有所不同。其計算量級在可接受范圍之內。兩者相差的主要原因應該在于計算模型與實際結構之間的差別，海洋環境作用模擬方法與實際作用過程仍有差別。

圖15 平臺橫搖結果比較Fig.15 Power spectrum density of measured and calculated roll

圖16 平臺縱搖結果比較Fig.16 Power spectrum density of measured and calculated pitch

圖17 平臺運動統計結果對比Fig.17 Statistical results of measured and calculated

5 結語

1)在南海挑戰號上安裝的現場監測系統成功對臺風期間的海洋環境，平臺運動結果進行了連續測量。測量結果表明由于臺風路徑距離平臺較遠，2011年平臺所在海域臺風基本為一年一遇水平。平臺運動相對較小。

2)采用耦合運動分析Harp軟件，對平臺在臺風期間的運動情況進行了計算分析，計算結果與測量結果對比表明，測量結果的波頻分量大于計算結果。統計結果表明計算的精度在可接受的范圍內。

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