500 m水深張力腿平臺總體運動性能分析

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(大連船舶重工集團設計研究院有限公司，遼寧 大連 116005)

張力腿平臺(TLP)總體運動性能是張力腿平臺設計中最為重要的關鍵技術之一，主要校核內容包含平臺水平位移、升沉運動、筋腱張力和氣隙等。本文采用時域耦合分析方法，考慮風、浪、流、筋腱、立管等的影響，驗證張力腿平臺在500 m水深南海環境作業下的可行性。

目標平臺是傳統型張力腿平臺，在500 m水深的中國南海海域范圍內從事鉆井和生產作業。平臺主體是由4根圓形立柱和環形浮箱組成，平臺共設有8根筋腱，分別與4個立柱相連接，井口設計有12根立管。主要設計參數參見表1。

表1 平臺主要參數

1 分析方法

張力腿平臺在各種環境載荷作用下的總體運動性能受多種非線性因素影響，以及筋腱和立管的制約，因此，必須采用時域耦合的分析方法，本平臺采用SESAM軟件的HytroD和DeepC模塊完成，應用HytroD先完成頻域分析獲得所需要的水動力參數，在應用DeepC開展時域耦合分析，由于張力腿平臺的特殊性，以及數值分析的局限性，根據模型試驗結果對數值分析結果修正處理。

1.1 水動力分析

張力腿平臺由于其特殊的定位方式，相對于其他浮式平臺水動力分析更為復雜，在頻域分析時不僅需要考慮張力腿筋腱預張力對整個系統平衡的影響，還需要考慮張力腿平臺筋腱剛度和質量對平臺水動力性能的影響，其運動方程為:

(1)

式中：M為質量矩陣；A1為水動力附加質量；A2為筋腱附加質量；C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣；k為筋腱附加剛度。

筋腱附加質量一般根據經驗估算，垂向分量取為筋腱濕重的一半(不考慮水動力附加質量)，水平分量取為筋腱濕重(考慮水動力附加質量)，根據輸入的模型參數及剛度特性，并考慮到模型的質量和附加質量等因素，推得平臺運動響應RAO。

1.2 分析工況

根據API規范選取1 000年一遇、100年一遇和1年一遇的南海環境海況計算，分析中風載荷計算采用NPD風譜，其平均風速為53, 48, 和 25 m/s；波浪載荷計算采用JONSWAP譜，其有義波高分別為16.5、13.6和7.5 m；表面流速分別為2.8、2.5和1.6 m/s；保守考慮風浪流同向。

平臺工況主要分為完整工況和破損工況，其中破損工況又分為艙室破損工況、一根筋腱移除工況和筋腱破損工況。不同工況對應的安全類型不同，API定義安全類別A是對應于操作工況，安全類別B是對應于極端工況，安全類別S對應于生存工況。工況組合見表2。

表2 分析工況

1.3 數值模型校準

在時域分析中，筋腱和立管均按照實際屬性建立，基于桿件理論的三維有限元法，每根筋腱或立管都被離散成一系列的梁單元，單元不僅具有水動力屬性如附加質量和粘性阻尼，也同時具備結構單元屬性，如自重、浮力和結構剛度。分析模型見圖1。

在執行時域耦合分析前，一個必不可少的過程是數值模型的校準[1]。數值模型的校準通常包括水平推力試驗、衰減試驗等以獲得TLP平臺水平剛度、固有周期和各種響應的幅值響應算子等，這些關鍵參數需要和水池模型試驗對比，以確保數值模型的可靠性。

平臺水平剛度表征水平力和位移的關系，以及平臺水平位移和沉降的關系，見圖2。

平臺筋腱張力和水平位移曲線表征其不同位置筋腱張力和水平位移的關系，見圖3。

平臺模型根據靜態位移調整后，開始做自由衰減試驗，得到平臺各個自由度的周期和阻尼。平臺數值衰減試驗結果見表3，結果顯示耦合分析模型合理，可用于進一步分析。

表3 自然周期和阻尼比

1.4 波浪載荷模擬

高頻載荷主要包括高頻彈振(spring)和超高頻鳴振(ringing)。兩者都會導致張力腿平臺筋鍵在垂直面內的運動,這些運動反過來又會在筋鍵系統中產生軸向的振蕩。spring 響應可以通過數值分析確定,數值分析是對二階波浪力的二次傳遞函數(QTF)進行計算,通常會涉及和頻力。現在還沒有能夠模擬張力腿 ringing 響應的商業的計算機程序,因此必須依靠模型試驗獲得[2]。計算中采用JONSWAP譜，譜峰升高因子取2.4，波浪譜形式見圖4。

1.5 風載荷模擬

張力腿平臺的風載荷占環境載荷很大比例，風載荷直接影響到平臺的水平位移進而影響筋腱的尺寸選取、筋腱預張力選取以及平臺船體主尺度的確定。通過風洞試驗或數值計算得到風載荷系數，本文采用NPD風譜，其計算公式如下。

(2)

取10 m高處1 h平均風速，風譜密度函數如下。

(3)

1.6 流載荷模擬

流載荷與風載荷類似，流載荷系數通過風洞試驗或數值計算得到，內波是南海的一種特殊環境條件，通常情況下把內波等效為分層流，一般內波只與1年一遇海況疊加，因此,流速一般由風生流、涌流和內波組成[3]。

2 數值分析結果修正

張力腿平臺在波浪作用下的運動響應分為波頻響應( 5 s 25 s) 和高頻響應(HF< 5 s) 。由于經驗公式和完整的二階傳遞函數法(QTF法)理論的不完善，通常高頻響應依賴模型試驗結果[4]。

2.1 運動修正

張力腿平臺動力成分中高頻響應對水平運動和升沉運動影響很小，因此數值統計時忽略高頻響應的影響，將運動時歷曲線離散成低頻響應和波頻波頻，進而根據模型試驗結果修正。

Xmax=Xmean+

(4)

式中：Xmax為平臺最大位移；Xmean為平臺水平位移；α為波頻和低頻的耦合系數。

XWFmax=3HWFCorrWF·STDWF;

XLFmax=3HLFCorrLF·STDLF

3HWFCorrWF,3HLFCorrLF為基于模型試驗的修正系數；STDWF,STDLF為數值分析波頻和低頻的標準差。

2.2 氣隙修正

張力腿平臺氣隙計算公式如下:

Airgap=Airgap0-ZTide-ZSubs-Zcrest

(7)

式中：Airgap0為初始靜氣隙；ZTide為最大潮水位；ZSubs為樁基最大下沉；Zcrest為相對波面升高, 包含平臺非線性的平臺升沉和波面升高。

隨著新規范和標準的頒布，對氣隙預報的準確性和波浪抨擊的預報要求越來越嚴格，本文采用時域耦合的分析方法開展氣隙預報研究，根據模型試驗結果對數值分析中的相對波面升高修正，并考慮潮和涌引起的水深變化對氣隙的影響。氣隙計算示意見圖6。

2.3 筋腱張力修正

數值修正的過程中，對于動態響應，分別考慮數值模型和水池模型對應的高頻、波頻和低頻的相互關系，以及高頻、波頻和低頻三者之間的相關性，再通過一定的組合方式得到修正后的動態響應。動態響應再和預張力、平均力以及設計余量疊加即得到最大或最小的筋腱張力。筋腱張力的修正公式可表示為

(5)

式中：Tmax/min為最大/最小筋腱張力；Tpre為筋腱預張力；Tmean為定常載荷下筋腱張力；Tmar為筋腱設計余量，考慮建造和安裝誤差，以及潮和涌的影響等；TWFmax=WFextreme·WFcorr·STDWF-prediction；THFmax=HFextreme·HFcorr·STDHF-prediction；TLFmax=LFextreme·LFcorr·STDLF-prediction;WFcorr、HFcorr、LFcorr為模型試驗和數值分析波頻、高頻和低頻響應標準差的修正系數;

WFcorr=STDWF-model/STDWFprediction;

HFcorr=STDHF-model/STDHF-predicition;

LFcorr=STDLF-model/STDLF-predicition；

STDWF-model、STDHF-model、STDLF-model為模型試驗波頻、高頻和低頻響應標準差；STDWF-predicition,STDHF-predictionl,STDLF-predicition為數值分析波頻、高頻和低頻響應標準差；α為波頻、高頻和低頻的耦合系數；WFextreme,HFextrem,LFextreme為模型試驗波頻、高頻和低頻動態響應極值和標準差的比值；WFextreme=(WFmax-WFmean)/STDWF-model；HFextrem=(HFmax-HFmean)/STDHF-model；LFextreme=(LFmax-LFmean)/STDLF-model；WFmax;HFmax，LFmax為筋腱波頻、高頻和低頻響應極值；WFmean,HFmean,LFmean為筋腱波頻、高頻和低頻響應平均值。

3 校核橫準和分析結果

3.1 平臺運動分析結果

規范對平臺位移和轉角一般沒有具體要求，對于位移和轉角限制條件主要來自立管設計要求[5-6]。張力腿頂部和底部最大轉角主要由下面2個因素決定：

①避免張力腿與相鄰結構物發生碰撞；

②張力腿柔性連接頭可容許轉動范圍，張力腿柔性接頭可根據平臺實際情況定制，據柔性連接頭供應商確認，柔性連接頭可容許轉動范圍可以達到12°。

計算得1 000年一遇、100年一遇和1年一遇的最大水平位移分別是68.21、55.89和 22.83 m，最大位移和水深比為13.64%，根據行業共識滿足作業要求，最大的升沉運動分別是4.56、2.99和0.70 m。1000年一遇、100年一遇和1年一遇的最大筋腱頂部轉角為11.57°、9.46°和 4.85°，滿足作業要求。水平位移數值分析時歷曲線見圖7。

3.2 筋腱張力分析結果

筋腱最大張力主要受筋腱預張力和環境條件影響，可以作為筋腱設計和安裝參考，目標平臺筋腱最大張力為49 720 kN。發生在100年一遇海況一根筋腱移除的工況下。筋腱頂部最大張力規范沒有特殊要求，一般來說，要滿足強度設計要求。筋腱底部最小張力一般為正值，避免筋腱與樁基礎脫離，目標平臺最小筋腱張力為3 800 kN。筋腱張力數值分析結果見圖8。

3.3 氣隙預報結果

張力腿平臺氣隙與常規半潛平臺不同，氣隙規范要求如下[7]。

1)100年一遇的海況環境下最小氣隙要大于1.5 m。

2)1 000年一遇的海況環境下最小氣隙要大于0 m。

100年一遇的環境海況下最小氣隙為2.68 m，1 000年一遇的環境海況下最小氣隙為0.24 m。目標平臺氣隙滿足設計要求。某點氣隙數值預報結果見圖9。

4 結論

1)目標平臺在南海500 m水深惡劣海洋環

境條件下，平臺總體運動性能良好。

2)南海環境惡劣，筋腱尺寸設計直徑較大，同時需要的筋腱預張力較高。筋腱預張力越大，平臺水平運動越小，筋腱底部張力出現負值的可能性越小，但是對筋腱強度和疲勞不利，因此筋腱預張力設計時需要綜合平衡考慮。

3)張力腿平臺的吃水較深，同時南海的流速相對較高，同時還有內波影響，流載荷對平臺運動具有較大影響。

4)由于數值分析的局限性，數值分析結果需要模型試驗修正，其中高頻響應建議直接采用模型試驗結果。

5)平臺氣隙采用時域耦合分析方法，在生存條件下最小氣隙為0.24 m，有足夠的氣隙空間。

6)分析未考慮張力腿平臺渦激運動和立管的渦激振動，其影響有待研究。