深海半潛式平臺不同構型的運動性能

張文旭，陸超，李亞軍，李海軍，康美澤

深海半潛式平臺不同構型的運動性能

張文旭，陸超，李亞軍，李海軍，康美澤

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

深海半潛式平臺的運動性能預報是平臺方案設計階段的重要工作，而平臺性能的優(yōu)劣主要取決于水下的浮體構型。通過對國外主推的半潛平臺設計方案進行構型特點分析，分別對立柱、連接橫撐以及下浮筒進行多方案設計，共組合得到8個平臺設計方案。應用數(shù)值方法首先對A1方案完成性能計算，并與該平臺的模型試驗結果對比，驗證了理論預報的可靠性。基于該理論方法，分別完成了8個平臺方案的系列水動力性能預報，并采用指標權重法得到了各個平臺方案的綜合運動效能，通過對比分析，明確了不同構型對于運動性能的影響規(guī)律。研究表明：浮體構型對于半潛式平臺的運動性能有較大影響，且尖角型浮筒、變截面立柱及圓管型橫撐的構型具有更優(yōu)的綜合運動性能。

半潛式平臺；水動力；運動性能

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：張文旭，陸超，李亞軍，等.深海半潛式平臺不同構型的運動性能［J］.中國艦船研究，2015，10（5）：27-33.

ZHANGWenxu，LUChao，LIYajun，etal.Motion performanceofdifferent typesof semisubmersiblep latforms in deep water［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：27-33.

0　引言

目前已探明的世界海洋石油儲量的80%以上在水深500 m以內(nèi)，而全部海洋面積的90%以上的水深在200～6 000m之間，因而大量的海域面積有待探明。此外，世界上大部分地區(qū)的近海油氣資源已日趨減少，海洋開發(fā)向深海發(fā)展已成必然趨勢，深海平臺技術已成為海上市場關注的焦點［1］。半潛式平臺由于性能優(yōu)良、抗風能力強、甲板面積大、適應水深范圍廣等優(yōu)點，成為深海資源開發(fā)的主力裝備之一［2］。

深海平臺的水動力性能不僅關系到平臺的作業(yè)效率及經(jīng)濟效益，更直接影響平臺的使用安全，是衡量平臺性能優(yōu)劣的核心指標。因此，在概念/方案設計階段，首先需要確定的是平臺構型。國內(nèi)對不同浮體構型的平臺運動性能研究較少。

鑒于此，本文以某深海半潛式平臺為母型，提出多個浮體構型方案，從運動性能的角度出發(fā)，采用數(shù)值方法對不同平臺進行計算分析，總結出平臺構型的設計規(guī)律，以便為深海半潛式平臺的方案設計提供有價值的參考。

1　半潛式平臺的構型設計

半潛式平臺主要由上部甲板、浮體和系泊系統(tǒng)等組成，其中浮體又分為立柱、橫撐和下浮筒3個部分。目前，半潛平臺的設計能力主要集中在美國和歐洲，圖1分別給出的是國外知名設計公司（瑞典GVA、美國F&G、荷蘭GustoMSC、挪威AKER）現(xiàn)階段主推的平臺船型方案。通過對比目前常見的浮體形式，不難發(fā)現(xiàn)半潛式平臺的構型正逐步趨于大型化和簡單化［3］，目的在于降低結構疲勞風險，同時提高經(jīng)濟性。

圖1　不同的平臺方案效果圖Fig.1　Different platform design sketch

本文結合半潛式平臺外形的發(fā)展趨勢和特點，分別對下浮筒、立柱以及連接橫撐的構型進行多方案設計。

1.1下浮筒設計

下浮筒主要為平臺提供足夠的排水量和專用液艙艙容。目前，應用最廣的是雙浮筒型，且從減小拖航阻力角度出發(fā)［2，4］，較為常見的下浮筒外形優(yōu)先考慮尖角型（30°）和半圓型（圖2）。

圖2　下浮筒方案Fig.2　Pontoons'plan

1.2立柱設計

立柱主要用于支撐上部結構和設備的載荷，同時為保證平臺的穩(wěn)性提供足夠的水線面面積。在半潛式平臺日益簡單化的趨勢下，當前多數(shù)主流平臺采用的立柱數(shù)目為4個。如圖3所示，立柱外形選取變截面型和直筒型。

圖3　立柱方案Fig.3　Two plans for columns

1.3橫撐設計

橫撐主要用于保持平臺的結構完整性，通常設置在立柱的底端附近。當前的主流平臺多采用圓管式雙橫撐構成，大翼形橫撐也被GVA7500等平臺所采用（圖4）。

圖4　橫撐方案Fig.4　Two plans for bracings

1.4組合設計

為了系統(tǒng)研究不同浮體構型對于平臺運動性能的影響，在不顯著改變排水量（吃水、型深保持不變）的前提下，僅對上述浮體設計方案進行組合，共得到8組平臺方案，如表1所示。

表1　平臺設計方案Tab.1　Design schem es for p latform s

2　運動性能理論基礎

2.1平臺運動響應的計算原理

半潛平臺在規(guī)則波浪中受波浪力的作用將在波浪場中做振蕩運動，其速度勢φ可以分解為3個部分

式中：φI為入射波速度勢；φR為輻射波速度勢，表示平臺在自由面做搖蕩運動引起的流場波動；φD為繞射波速度勢，表示平臺對入射波的流場擾動。

引入微幅波假定，假設平臺在波浪中做諧振運動，將自由表面條件和物面條件線性化，則輻射勢φR和繞射勢φD在流場中和流場邊界上分別滿足拉普拉斯方程、線性自由面條件、固面邊界條件以及遠方輻射條件。利用Rankine源和邊界元可以對平臺波浪運動的線性定解問題進行數(shù)值求解，獲得流場內(nèi)的輻射勢φR和繞射勢φD。利用輻射勢φR可進一步求得平臺各自由度下的附加質量 μij和阻尼系數(shù) λij。基于繞射勢φD和入射勢φI，可以求得平臺在波浪中的受力F［5］。

當平臺在波浪中做六自由度運動時，由牛頓第二定律可以得到規(guī)則波中平臺運動的控制方程

式中：mij為平臺的實際質量；cij為平臺剛度。通過求解該頻率運動方程，即可得到平臺的運動響應。

2.2平臺運動響應短期預報理論

一般情況下，海面上的波浪不是規(guī)則波而是隨機的不規(guī)則波，因此，應該采用隨機概率理論的方法來計算由不規(guī)則波浪產(chǎn)生的平臺運動響應。波浪誘導平臺運動響應的短期預報建立在以下基本假設［6］之上：

1）波浪運動和浮體運動是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程；

2）浮體為線性系統(tǒng)；

3）波浪譜和平臺的運動響應譜為窄帶譜。

基于上述理論假設，平臺運動的譜密度函數(shù)與波浪的譜密度函數(shù)存在下列關系

在窄帶譜假設下，短期海況的波浪幅值、平臺運動幅值服從瑞利分布，平臺運動幅值的概率密度函數(shù)為

式中，m0為平臺運動響應譜的零階原點距，

3　水動力模型的構建

本文對于半潛平臺的水動力分析采用SESAM軟件的Wadam模塊進行，該模塊采用三維頻域方法（零航速），可完成不同形式的海洋結構物波浪運動及波浪載荷的計算分析［7］。

半潛式平臺的三維水動力模型（以A1方案為例）如圖5所示，包括濕表面模型（panel模型）、Morison模型和質量模型，3種模型均采用SESAM程序的Genie模塊建立。其中，濕表面模型的高度可以從基線直到水面之上或立柱的頂端（平臺在作業(yè)和自存工況下的吃水是不一致的）；質量模型以簡化的重量重心和慣性半徑數(shù)據(jù)給出；小尺寸的撐桿以Morison模型表示。圖6給出了平臺的計算域模型。

圖5　平臺水動力模型Fig.5　Hydrodynamicmodel

圖6　平臺計算域模型Fig.6　Computationalmodel

根據(jù)自由衰減模型試驗結果，平臺系泊系統(tǒng)通過預設附加阻尼的方式等效給出，垂蕩、縱搖運動的附加阻尼設定為3%，而橫搖運動的附加阻尼則設定為2.8%。

4　數(shù)值方法的驗證

為了驗證數(shù)值分析方法的可靠性，首先對A1方案完成數(shù)值計算，并將計算結果與該平臺方案的模型試驗數(shù)據(jù)進行對比。圖7～圖9給出了平臺橫浪下（90°）橫搖和迎浪下（0°）垂蕩、縱搖運動的頻率—響應曲線對比，可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計算結果同模型試驗值的趨勢相吻合，這說明本數(shù)值計算方法是可靠的。

圖7　橫搖運動RAO曲線對比Fig.7　RAO curve comparison for roll

圖8　垂蕩運動RAO曲線對比Fig.8　RAO curve comparison forheave

圖9　縱搖運動RAO曲線對比Fig.9　RAO curve comparison for pitch

5　不同構型的計算結果

5.1運動響應傳遞函數(shù)

一般而言，平臺的橫搖和縱搖運動固有周期明顯大于可能遇到的波浪周期，而垂蕩運動在遭遇相當嚴重的波浪時，直接關系到平臺相關設備作業(yè)的安全性［4］，因此深海半潛式平臺對于垂蕩運動的要求更加苛刻。

圖10給出了部分平臺方案在作業(yè)吃水下垂蕩運動的響應曲線，縱坐標為單位波幅下的運動幅值。可以看出，各個平臺方案垂蕩運動的固有周期均大于20 s，這表明平臺的波浪運動遠離波浪能量的集中頻帶，均適合深遠海域作業(yè)。

圖10　不同構型方案的垂蕩運動Fig.10　Differentschemesmotion curves forheave

5.2運動響應短期預報

平臺于不規(guī)則波中的短期運動響應預報主要包括作業(yè)工況和自存工況2種不同的運動狀態(tài)，波浪譜為JONSWAP譜，采用表2所示的海況條件分別進行運動響應的短期預報。

表2　計算海況參數(shù)Tab.2　Sea condition parameters

表3給出了各個構型方案的運動響應短期預報的最大值和最小氣隙值。

表3　運動短期預報最大值及最小氣隙值Tab.3　Forcasted values for d ifferen t schem es

在作業(yè)工況及自存工況下，半潛式平臺都要保證足夠的氣隙，以防止甲板上浪。從計算結果可以看出，各個平臺方案的最小氣隙均滿足要求，但不同工況下的運動指標卻各有差異。為全面考量各平臺方案的水動力特性，現(xiàn)采用指標權重法得到綜合運動效能以真實評判各方案的優(yōu)劣。

首先，通過對不同工況的特點進行分析，確定出各個運動指標的權重系數(shù)。作業(yè)工況下，平臺的波浪運動主要約束關鍵設備的運行以及駐守人員的舒適性，因此各個運動指標的重要程度相當；自存工況下，平臺日常作業(yè)停滯，自身需要抵御大風浪環(huán)境，尤其是避免甲板砰擊和波浪爬升［9］，因此，垂蕩指標更為重要。各運動指標的權重系數(shù)ζ如表4所示。

表4　運動指標的權重Tab.4　W eight valuesofm otion param eters

其次，需要根據(jù)平臺的作業(yè)分布確定2種工況的權重系數(shù)τ。通過查閱不同海域區(qū)塊的全年波浪散布圖，自存海況出現(xiàn)的概率要遠遠低于作業(yè)海況，兼顧到自存海況下的平臺安全性，確定2種工況的權重系數(shù)如表5所示。

表5　設計工況的權重Tab.5　W eigh t values for design cond itions

結合上述權重系數(shù)，綜合運動效能Λ可由下式求得

式中：i為平臺工況數(shù)；j為平臺運動指標數(shù)；Z為各個運動指標的最大幅值。利用式（5），求出了各個平臺方案的綜合運動效能Λ，如表6所示。

表6　綜合運動效能表Tab.6　Com p rehensivem otion efficiency

6　平臺運動性能分析

由表3可以看出，A1方案的垂蕩運動最好，相比于方案A4的幅值減小6.9%；A5方案的縱搖和橫搖運動最優(yōu)，相比于方案A2的幅值分別減小14.5%和15.9%。由表6可知，A6方案的綜合運動效能最優(yōu)，相比于A4方案，性能提升4.5%。

兩兩對比A1和A5，A2和A6，A3和A7，A4和A8的設計方案，平臺構型的區(qū)別僅在于下浮筒的端部。圖11為不同構型方案下綜合效能的比較。由圖11（a）和表6可知，具有尖角型浮筒的平臺方案水動力綜合性能更優(yōu)，平均提升2.89%。

兩兩對比A1和A3，A2和A4，A5和A7，A6和A8的設計方案，平臺構型區(qū)別于立柱的截面變化。由圖11（b）和表6可知，平臺采用變截面的立柱形式具有更優(yōu)的綜合運動效能，平均提升0.93%。

兩兩對比A1和A2，A3和A4，A5和A5，A7和A8的設計方案，平臺構型的差異體現(xiàn)在連接橫撐的選型不同。由圖11（c）和表6可得，橫撐選型的不同對于運動性能的影響并不明顯，主要是由于橫撐相比于下浮筒和立柱而言，屬于小尺寸構件，因而對于整體運動的影響甚微。但總體而言，圓管式橫撐相比于翼形橫撐稍有優(yōu)勢。

圖11　不同構型方案下的綜合效能比較Fig.11　Comprehensive efficiency for different schemes

7　結　論

本文采用數(shù)值方法對不同浮體構型的平臺方案進行了系列水動力計算，計算結果與模型試驗比較接近，偏差符合工程精度。通過對系列平臺構型方案的計算結果進行整合分析，可以得到如下結論：

1）在排水量基本不變的前提下，浮體構型對于半潛式平臺的運動性能有著較大影響，需要在方案論證階段進行優(yōu)選。

2）對于下浮筒構型，尖角型浮筒的平臺運動性能更優(yōu)，在具體設計時亦可對端部的角形度數(shù)結合拖航阻力等性能做進一步優(yōu)化。

3）對于立柱構型，在主體部位采用適當?shù)淖兘孛嬖O計往往能獲得較優(yōu)的運動性能。在具體設計時，建議結合平臺作業(yè)吃水，對變截面的位置和尺寸進行優(yōu)化。

4）對于連接橫撐，由于橫撐尺寸較小，其對平臺運動性能的影響并不顯著，具體選擇應更多地從結構強度以及布置等方面來綜合考慮。

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［責任編輯：胡文莉］

M otion per form ance of d ifferen t types of sem isubm ersib le p latform s in deep water

ZHANGWenxu，LU Chao，LIYajun，LIHaijun，KANGMeize
China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

Themotion performance of semisubmersible p latforms is of vital importance during the concept design stage，and the performance is largely decided by the floater's type.By analyzing the floater's characteristics ofmajor foreign semisubmersible platforms，this paper establishes eight design schemes for pontoon，column，and bracing，and applies the numericalmethod to hydrodynamic performance calculation for scheme-A1.The result's credibility is further verified throughmodelexperiments.Based on this theory，the motion performance of the eight platform schemesare predicted respectively，and the comprehensive performance is then obtained with themethod ofweighting.Through comparison，it is concluded that the floater has great in fluence on the motion performance，and sharp pontoon，tapered column，and tubular bracing types demonstrate better comprehensive performance.In brief，the research provides a worthy reference for the type selection of semisubmersible p latforms during the conceptdesign stage.

semisubmersible p latform；hydrodynamic；motion performance

U661.42

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.005

2015-01-19網(wǎng)絡出版時間：2015-10-8 11∶10

國家發(fā)改委海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)化專項資金資助項目

張文旭（通信作者），男，1986年生，碩士，助理工程師。研究方向：艦船總體設計與優(yōu)化。E-mail：465791792@qq.com

李亞軍，男，1984年生，博士，工程師。研究方向：艦船總體設計與優(yōu)化。E-mail：wh701sm@163.com

網(wǎng)絡出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1110.014.htm l