南海張力腿平臺(tái)在位總體性能數(shù)值計(jì)算分析

張法富，高靜坤，楊小龍，蔡元浪

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067)

南海張力腿平臺(tái)在位總體性能數(shù)值計(jì)算分析

張法富1，高靜坤2，楊小龍1，蔡元浪1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 深圳 518067)

系統(tǒng)闡述了張力腿平臺(tái)(TLP)在位總體性能分析的設(shè)計(jì)工況分類原則及數(shù)值計(jì)算流程，簡(jiǎn)要介紹了頻域及時(shí)域分析方法。結(jié)合南海TLP前端設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了TLP數(shù)值建模遵循的原則以及平臺(tái)質(zhì)量特性、張力筋腱和立管的剛度及外部阻尼的計(jì)算方法。最后通過(guò)實(shí)例計(jì)算給出南海環(huán)境條件下TLP在位總體性能計(jì)算結(jié)果。所用流程及方法可供南海深水浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)參考。

張力腿平臺(tái)；在位總體性能；南海；數(shù)值計(jì)算；前端設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著南海油氣勘探的發(fā)現(xiàn)及我國(guó)深水油氣開(kāi)采技術(shù)能力的提升，南海深水油氣資源的開(kāi)采已具備條件。與其他深水浮式平臺(tái)相比，張力腿平臺(tái)(TLP)適用作業(yè)水深300～1 500 m，具有耐波性能良好、可使用干式采油以及技術(shù)成熟、有良好的安全記錄等優(yōu)點(diǎn)，雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，已成為海上深水油氣田開(kāi)發(fā)的重要裝備之一。目前全球在役的TLP平臺(tái)已有29座，按結(jié)構(gòu)形式可分為傳統(tǒng)式、SeaStar系列、MOSES系列以及延伸式4種形式[1]。

TLP各階段設(shè)計(jì)采用循環(huán)設(shè)計(jì)理念[2]，TLP主尺度設(shè)計(jì)是漸次遞進(jìn)、逐步優(yōu)化的過(guò)程。我國(guó)南海環(huán)境條件惡劣，近年來(lái)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等極具破壞力的極端海況頻繁出現(xiàn)，對(duì)平臺(tái)安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。TLP平臺(tái)總體性能分析為平臺(tái)設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)，并為船體結(jié)構(gòu)、上部組塊、張力筋腱、張力腿基礎(chǔ)及立管等設(shè)計(jì)提供輸入數(shù)據(jù)。本文主要對(duì)TLP在位總體性能工況定義、分析流程、涉及理論及數(shù)值建模方法進(jìn)行了較為深入的研究，通過(guò)實(shí)例計(jì)算給出在位總體性能運(yùn)動(dòng)RAO及時(shí)域分析結(jié)果，相關(guān)方法可作為T(mén)LP在位總體性能分析的基礎(chǔ)或參考。

1 在位總體性能分析流程

TLP總體性能分析可分為服役前和在位兩個(gè)階段。服役前指平臺(tái)塢內(nèi)建造至海上安裝的過(guò)程，在位階段主要指平臺(tái)在位條件下可能經(jīng)歷的各種工況。本文對(duì)TLP在位總體性能分析進(jìn)行探討。根據(jù)南海環(huán)境條件，TLP的設(shè)計(jì)工況可以分為以下幾類：設(shè)計(jì)操作條件，一年一遇臺(tái)風(fēng)；設(shè)計(jì)極端條件，百年一遇臺(tái)風(fēng)；設(shè)計(jì)生存條件，千年一遇臺(tái)風(fēng)；鉆井作業(yè)條件，十年一遇非臺(tái)風(fēng)。

設(shè)計(jì)工況的定義需考慮安全等級(jí)進(jìn)行分類，安全等級(jí)A,B和S的定義同美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)規(guī)范[2]，A代表操作條件，B代表極端條件，S代表生存條件。TLP在位總體性能分析工況分類如表1所示。

表1 在位總體性能分析工況分類

表1中完整工況及艙室破損工況與一般定義相同，張力筋腱進(jìn)水工況主要評(píng)估某一根張力筋腱進(jìn)水后平臺(tái)的性能，進(jìn)水原因包括碰撞，滲水等；張力筋腱移除工況為假定進(jìn)行張力筋腱移除作業(yè)后，在張力筋腱尚未回接就位前，平臺(tái)遭遇風(fēng)暴，此時(shí)需要對(duì)平臺(tái)在惡劣海況下的總體性能進(jìn)行評(píng)估。在總體性能分析中，每一個(gè)作業(yè)工況都對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值分析模型，模型中的重心位置、質(zhì)量分布等需要考慮到作業(yè)類型、壓載方案的影響。另外，環(huán)境條件中還應(yīng)包括潮位影響，以期得到平臺(tái)在最惡劣條件下的表現(xiàn)。

對(duì)于不同的設(shè)計(jì)階段以及不同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式和功能要求，設(shè)計(jì)工況存在很大差異。設(shè)計(jì)工況制定完成后，需要利用軟件工具對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行數(shù)值分析。通過(guò)軟件計(jì)算得到TLP平臺(tái)在所有設(shè)計(jì)工況的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及張力筋腱/立管拉力響應(yīng)、氣隙值和上部組塊加速度、船體及甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需的水動(dòng)力載荷等。TLP在位總體性能數(shù)值分析流程如圖1所示。

2 分析方法

目前商用軟件對(duì)浮體總體響應(yīng)的分析方法主要基于頻域分析與時(shí)域分析[3-4]。本文對(duì)三維勢(shì)流理論及速度勢(shì)求解、邊界條件等經(jīng)典水動(dòng)力學(xué)理論[5-7]不再展開(kāi)討論，主要探討頻域及時(shí)域分析方法計(jì)算TLP在位總體性能時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。

2.1 頻域分析法

頻域分析法通過(guò)諧波分析或者拉普拉斯和傅立葉變換得到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程的解。浮體頻域運(yùn)動(dòng)方程為

[-ω2(M+A(ω)+iω(B(ω)+Bv+Be)+C+Ce]X(ω,β)=F(ω,β),

(1)

式中：ω為波浪頻率；β為相位角；X(ω,β)為位移；M為質(zhì)量矩陣；A(ω)為與頻率相關(guān)的附加質(zhì)量矩陣；B(ω)為與頻率相關(guān)的勢(shì)流阻尼矩陣；Bv為線性化的黏性阻尼矩陣；Be為外部連續(xù)阻尼矩陣，例如來(lái)自系泊系統(tǒng)的阻尼矩陣；C為靜水回復(fù)剛度矩陣；Ce為外部連續(xù)剛度矩陣，例如來(lái)自張力腿的線性變化剛度；F(ω,β)為波浪激勵(lì)力[8-9]。

頻域分析法是用于TLP在位性能評(píng)估的首要方法，包括評(píng)估總體運(yùn)動(dòng)、加速度和上部組塊/船體/甲板設(shè)計(jì)以及立管和張力腿系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的水動(dòng)力載荷。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作用于船體水下部分水動(dòng)壓力/載荷以及船體附近局部節(jié)點(diǎn)處的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)也需要通過(guò)頻域分析獲得。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)域分析需要用到頻域分析的計(jì)算結(jié)果。

2.2 時(shí)域分析法

時(shí)域分析是對(duì)運(yùn)動(dòng)方程直接時(shí)間積分，能夠包含波浪和運(yùn)動(dòng)變量的非線性因素。浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中:[aij]為浮體的慣性質(zhì)量陣；[mij(t)]為浮體的附加質(zhì)量陣；[Kij(t)]為遲滯函數(shù)陣；[Cij]為靜水回復(fù)力陣；[Fi(t)]為波浪激勵(lì)力陣；[xi(t)]為浮體位移陣[5]。

式(2)中方程可以加入非線性回復(fù)力，非線性阻尼力以及系泊力的影響。TLP時(shí)域耦合分析同時(shí)對(duì)船體運(yùn)行響應(yīng)及張力腿/立管動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行求解，作用于張力腿和立管的動(dòng)態(tài)拖曳力和慣性效應(yīng)可以模擬為由環(huán)境載荷引起的總體響應(yīng)之一部分。非線性耦合分析要考慮TLP一些非線性連接部件，例如非線性液壓張緊器、張力腿斷裂瞬態(tài)效應(yīng)等。TLP時(shí)域分析流程如下：

(1) 確定環(huán)境條件，如風(fēng)速、流速、有義波高和周期、方向及風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間；

(2) 確定TLP的風(fēng)流力系數(shù)和TLP水動(dòng)力模型；

(3) 確定張力腿和系泊布置、質(zhì)量特性和預(yù)張力；

(4) 準(zhǔn)備時(shí)域分析輸入文件；

(5) 輸出文件進(jìn)行后處理；

(6) 運(yùn)用修正因子對(duì)運(yùn)動(dòng)、加速度、氣隙和張力腿張力等進(jìn)行修正。

表2 典型南海環(huán)境條件

3 實(shí)例計(jì)算

海洋石油工程股份有限公司對(duì)TLP的研究[10-11]已經(jīng)有十余年的技術(shù)積累。在此基礎(chǔ)上，本文依托工信部科研課題，以南海某油田TLP前端設(shè)計(jì)為例，采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)TLP在位總體性能進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。

3.1 環(huán)境條件

典型南海環(huán)境條件如表2所示，表中各工況對(duì)應(yīng)的環(huán)境重現(xiàn)期與表1中相同。從表2可以看出南海環(huán)境條件非常惡劣，對(duì)TLP設(shè)計(jì)構(gòu)成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3.2 TLP主尺度

南海某油田前端設(shè)計(jì)提出TLP+浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)方案，油田水深404 m，TLP采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，TLP主尺度如表3所示。

表3 TLP主尺度

3.3計(jì)算模型

3.3.1船體濕表面模型建模原則

TLP船體部分幾何模型(水下濕表面模型)用于進(jìn)行水動(dòng)力分析。對(duì)于有限元建模，需遵循以下原則：(1)網(wǎng)格對(duì)角線長(zhǎng)度需小于最小波長(zhǎng)的1/7；(2)幾何形狀突變區(qū)域(邊緣、拐角)網(wǎng)格需精細(xì)劃分；(3)水線附近網(wǎng)格需精細(xì)劃分，以確保計(jì)算波浪漂移力及短周期波浪的精確度。

除以上原則外，搭建一系列網(wǎng)格尺寸逐步縮小的模型，對(duì)每個(gè)模型進(jìn)行快速水動(dòng)力分析，直到對(duì)比結(jié)果收斂，也是確定水動(dòng)力分析模型的重要手段。

3.3.2質(zhì)量特性

TLP質(zhì)量特性的準(zhǔn)確性關(guān)系到靜態(tài)平衡位置和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果。船體和上部組塊重量在每個(gè)操作工況是不同的，所以需要建立對(duì)應(yīng)于不同工況的質(zhì)量矩陣。在頻域水動(dòng)力分析中，張力腿和立管的有效質(zhì)量需要考慮，本文取張力腿和立管干重的1/3為垂向有效質(zhì)量和水平有效質(zhì)量。TLP平臺(tái)質(zhì)量矩陣計(jì)算公式為

(3)

式中：m為結(jié)構(gòu)質(zhì)量;xcg,ycg和zcg為重心坐標(biāo);Iij為慣性矩，rij為相對(duì)于坐標(biāo)i和j的慣性半徑。

在時(shí)域耦合分析中，張力腿和立管需要建立詳細(xì)的有限元模型，其質(zhì)量影響軟件會(huì)自動(dòng)考慮。

3.3.3張力腿和立管剛度計(jì)算

頻域分析時(shí)，張力腿和立管剛度對(duì)船體結(jié)構(gòu)的影響不可忽略。對(duì)于張力腿和立管，剛度計(jì)算公式如下：

K=TTKcT+

(4)

(5)

式中：EA,T,L,(cosα,cosβ,cosγ)分別為張力腿或立管的軸向剛度、預(yù)張力、長(zhǎng)度和方向余弦;(xp,yp,zp)和(Fx,Fy,Fz)分別表示導(dǎo)纜孔坐標(biāo)和管線預(yù)張力；從船體管線連接點(diǎn)到隨體坐標(biāo)系原點(diǎn)的剛度轉(zhuǎn)移矩陣為

(6)

時(shí)域分析中，軟件會(huì)根據(jù)有限元模型自動(dòng)計(jì)算張力腿和立管剛度。同時(shí)，頂部張緊式立管的張緊器剛度在頻域分析和時(shí)域分析中都需要考慮。

3.3.4TLP外部阻尼

除波浪輻射阻尼外，還需要考慮用于總體性能分析的外部阻尼。頻域分析時(shí)，基于工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)或者模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)自由度的臨界阻尼可用于計(jì)算外部阻尼。阻尼矩陣通過(guò)TLP的質(zhì)量矩陣、靜水剛度矩陣和附加剛度矩陣運(yùn)用假定的阻尼比率進(jìn)行計(jì)算。

在時(shí)域分析中，非線性阻尼主要源于TLP船體念性阻尼、TLP船體氣動(dòng)阻尼以及張力腿和立管阻尼。

綜合考慮以上因素建立船體濕表面模型及時(shí)域耦合模型，如圖2、圖3所示。利用勢(shì)流軟件SesamWadam，采用二階非線性方法，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行水動(dòng)力分析，利用SesamDeepC對(duì)平臺(tái)進(jìn)行時(shí)域分析。

圖2 濕表面模型Fig.2 Wet surface model

圖3 時(shí)域耦合分析模型Fig.3 Time domain coupled model

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖1計(jì)算流程，在位總體性能分析結(jié)果涉及運(yùn)動(dòng)、加速度、張力筋腱拉力及轉(zhuǎn)角、氣隙等，這體現(xiàn)了TLP設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。TLP運(yùn)動(dòng)RAO如圖4所示。

采用雙參數(shù)韋伯爾分布對(duì)時(shí)域計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，結(jié)果如表4所示。由于TLP在位總體性能分析工況復(fù)雜，本文僅列出各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果的極值。

表4 在位總體性能分析結(jié)果

通過(guò)圖4 TLP運(yùn)動(dòng)RAO及表4中結(jié)果可以看出：(1)平臺(tái)在垂蕩、縱搖和橫搖三個(gè)自由度存在明顯的高頻響應(yīng)，這是張力腿平臺(tái)區(qū)別于其他浮式平臺(tái)的顯著特征；(2)最大水平位移、最大垂向位移、張力筋腱底部/頂部最大轉(zhuǎn)角均在千年一遇環(huán)境條件完整工況下出現(xiàn)；(3)百年一遇環(huán)境條件，氣隙滿足要求，千年一遇環(huán)境條件局部出現(xiàn)負(fù)值氣隙；(4)對(duì)于張力筋腱最大張力，百年一遇環(huán)境條件，在有壓載補(bǔ)償?shù)那闆r下移除一根張力筋腱為危險(xiǎn)工況。

圖4 TLP運(yùn)動(dòng)RAOFig.4 TLP motion RAOs

4 結(jié) 語(yǔ)

本文TLP在位總體性能分析完整地計(jì)算了TLP主尺度設(shè)計(jì)關(guān)心的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果表明表3中TLP主尺度方案能夠滿足南海環(huán)境條件要求。高頻波浪載荷對(duì)船體和張力筋腱的強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)有較大影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。在工程實(shí)踐中，生存工況允許一定程度的負(fù)值氣隙，對(duì)下甲板進(jìn)行局部加強(qiáng)可能是比較實(shí)際的做法。由于數(shù)值計(jì)算不能準(zhǔn)確模擬TLP設(shè)計(jì)過(guò)程中波浪爬升等非線性因素，本文計(jì)算結(jié)果需經(jīng)模型試驗(yàn)修正。

[1] 董艷秋. 深海采油平臺(tái)波浪載荷及響應(yīng)[M].天津：天津大學(xué)出版社,2005.

[2] American Petroleum Institute. API-RP-2T. Planning, designing, and constructing tension leg platforms[S]. 2010.

[3] Det Norske Veritas. WADAM User Manual[M].H?vik: Det Norske Vertitas, 2014.

[4] SIMO Project Team. SIMO-Theory Manual Version4.6 rev0[M]. Trondheim: Norwegian Marine Technology Research Institute, 2015.

[5] 劉應(yīng)中, 繆國(guó)平. 船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

[6] Faltinsen O.M. 船舶與海洋工程環(huán)境載荷[M].楊建民,肖龍飛 譯.上海:上海交通大學(xué)出版社,2008.

[7] 戴遺山. 艦船在波浪中運(yùn)動(dòng)的頻域與時(shí)域勢(shì)流理論[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[8] 余建星, 張中華,于皓. 張力腿平臺(tái)總體響應(yīng)分析方法研究[J]. 海洋通報(bào),2008, 27(2):97.

[9] 任順利, 陳建民,梁艷霞. 張力腿剛度對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響分析[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2008,37(5):28.

[10] “典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組. 張力腿平臺(tái)水動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中國(guó)造船,2005, 46(增刊):477.

[11] 國(guó)家863計(jì)劃“典型深水平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究”課題組. 張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度分析研究[J]. 中國(guó)造船,2005,46(增刊):470.

In-PlaceGlobalPerformanceNumericalAnalysisforTLPatSouthChinaSea

ZHANG Fa-fu1, GAO Jing-kun2, YANG Xiao-long1, CAI Yuan-lang1

(1.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China; 2. CNOOC China Ltd. Shenzhen, Shenzhen， Guangdong 518067, China)

The load case category and numerical calculation procedure of tension leg platform (TLP) in-place global performance analysis are systematically stated. Meanwhile, the frequency domain method and time domain method are simply introduced. According to a TLP front end engineering design project at South China Sea, modeling principles related to panel meshing, calculation methods of TLP mass properties, stiffness introduced by tendons and risers, and TLP external damping are introduced. At last, the main results of in-place global performance analysis are listed. The procedure and methods used could be a reference for other analogous projects at South China Sea.

tension leg platform; in-place global performance; South China Sea; numerical calculation; front end engineering design

2016-04-03

工信部科研課題“500米水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”

張法富(1984—)，男，工程師，主要從事浮式結(jié)構(gòu)物總體性能、動(dòng)力定位等設(shè)計(jì)研究工作。

U674.38+1

A

2095-7297(2016)02-0105-06