中國南海張力腿平臺的波浪水池模型試驗(yàn)與數(shù)值分析對比

王 飚， 楊小龍， 秦立成， 王 磊

(1. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451； 2. 上海交通大學(xué) 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(船海協(xié)創(chuàng)中心)， 上海 200240)

0 引 言

我國南海蘊(yùn)藏著豐富的深海油氣資源，發(fā)展適合南海深水油氣開發(fā)的平臺結(jié)構(gòu)成為近年來的研究熱點(diǎn)。張力腿平臺(Tension Leg Platform， TLP)由于其具備適用水深范圍廣，耐波性能優(yōu)良，可干式采油等優(yōu)點(diǎn)，在國外得到了廣泛應(yīng)用。近2年，國內(nèi)對TLP的研究逐漸從科研走向生產(chǎn)，未來幾年，極有可能采用TLP進(jìn)行南海油氣的開發(fā)。TLP的波浪響應(yīng)本身具有強(qiáng)非線性，在淺水中則表現(xiàn)更加明顯，這使得對其進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值預(yù)報(bào)更為困難，工程上通過水池模型試驗(yàn)對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行修正[1-13]。

颶風(fēng)卡特里娜和麗塔襲擊了墨西哥灣以后，API [API RP 2T]對工程設(shè)計(jì)推薦了新的環(huán)境準(zhǔn)則和更為嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[14]，海洋工程的參與者也有機(jī)會可以回顧審查過去的設(shè)計(jì)原則并關(guān)注未來的項(xiàng)目[15]。受益于DeepStar JIP，對包括TLP在內(nèi)的浮式結(jié)構(gòu)物的分析和模型試驗(yàn)都進(jìn)行了進(jìn)一步的研究[16]。為準(zhǔn)確預(yù)報(bào)TLP的高階波浪響應(yīng)，本文在上海交通大學(xué)海洋工程深水國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)的水池模型試驗(yàn)研究，水池長50 m，寬40 m，最深處水深10 m，設(shè)有可移動(dòng)的假底來模擬不同的水深。采用1∶60的縮尺模型。本文描述了TLP船體模型的建模，環(huán)境校準(zhǔn)及試驗(yàn)準(zhǔn)備的過程，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析并與數(shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行對比，最后提出了一套滿足工程實(shí)際的響應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)方法。

1 模型試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 船體建模

TLP船體包括4個(gè)立柱，立柱底部通過4個(gè)旁通相連接。平臺由8根張力腿筋腱系泊，每個(gè)立柱上各連接2根。在原型比尺下，筋腱連接在船體靠近立柱底部的位置，距離基線約4 m。

TLP的主尺度和質(zhì)量分布見表1和表2。圖1展示了制作完成的下浮體模型。

表1 TLP原型和模型的主尺度 m

表2 TLP原型和模型的質(zhì)量信息

圖1 帶附屬結(jié)構(gòu)物的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 腿筋腱和TTR建模

每根筋腱的模型包括上下兩部分的鋁管和中間的彈簧。鋁管的直徑和壁厚需要計(jì)算保證模型相似，模型外徑和原型外徑需要保證幾何相似，而中空鋁管內(nèi)部需要進(jìn)行配載來保證質(zhì)量相似。鋁管內(nèi)部使用了平均分布的鋼絲進(jìn)行配載來保證張力腿筋腱在水中的濕重相似。鋁管的各個(gè)部分需要在模型試驗(yàn)期間保證水密性。

考慮到模型試驗(yàn)中相對較淺的水深，筋腱模型的模型精度會對張力腿張力響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響，因此筋腱模型的相關(guān)特性需要在水池試驗(yàn)前仔細(xì)校準(zhǔn)標(biāo)定，如濕重、軸線剛度等，同時(shí)要對其進(jìn)行水密性試驗(yàn)以避免試驗(yàn)過程中鋁管發(fā)生滲水。

圖2 鋁管及中間的連接彈簧

波浪水池模型試驗(yàn)中，原型的12根立管簡化模擬為4根，簡化模型中考慮了立管張緊器的影響。和張力腿筋腱模型類似，等效的TTR模型進(jìn)行了全尺度模擬，沒有進(jìn)行截?cái)?。同樣使用合適直徑及壁厚的鋁管進(jìn)行模擬。這些鋁管進(jìn)行了水密處理以保證在試驗(yàn)中浮力不發(fā)生變化。配載重量置于鋁管內(nèi)部以保證濕重相似。張力彈簧布置在兩段鋁管中間以模擬立管的軸向剛度(見圖2)。立管模型的特征參數(shù)，包括濕重，軸向剛度等需要在試驗(yàn)前進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

1.3 環(huán)境模擬和校準(zhǔn)

TLP平臺原型所處水深為404.69 m，折合模型水深為6.745 m, 試驗(yàn)中用到的海況見表3(Jonswap 譜 gamma值 = 2.4)。海況條件包括一年一遇，百年一遇，千年一遇，分別對應(yīng)平臺的操作工況，極限工況和生存工況。

模型試驗(yàn)所需的大量波浪都在試驗(yàn)前進(jìn)行了無流狀態(tài)下的標(biāo)定。對于隨機(jī)的波浪現(xiàn)象，校準(zhǔn)的參數(shù)以下：有義波高Hs，譜峰周期Tp，波譜密度曲線，最大波高，最大波峰高度。

表3 試驗(yàn)中用到的環(huán)境條件

風(fēng)的模擬是通過對平臺施加風(fēng)載荷時(shí)歷曲線實(shí)現(xiàn)的，并沒有采用風(fēng)扇陣列造風(fēng)，而是通過電腦控制的動(dòng)態(tài)伺服絞車直接施加風(fēng)載。風(fēng)力的時(shí)間曲線和對應(yīng)的風(fēng)譜都在試驗(yàn)前進(jìn)行了校準(zhǔn)。流載荷是通過施加重塊實(shí)現(xiàn)的。力的作用點(diǎn)等效考慮了流載荷對船體，張力腿筋腱以及TTR的作用。

1.4 氣隙波高儀的設(shè)置

為了在波浪試驗(yàn)中得到準(zhǔn)確的氣隙結(jié)果，試驗(yàn)中設(shè)置了22個(gè)氣隙波高儀。波高儀的布置位置經(jīng)過了仔細(xì)考慮以能綜合評估試驗(yàn)的氣隙結(jié)果。圖3顯示了斜浪時(shí)波高儀的布置情況。

圖3 斜浪氣隙波高儀布置圖(紅點(diǎn)代表波高儀)

2 試驗(yàn)結(jié)果和對比

試驗(yàn)過程進(jìn)行了大量的工況并對其進(jìn)行了深入的研究，限于篇幅，本文只列出了千年一遇斜浪工況的部分關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果。模型試驗(yàn)的結(jié)果和數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對比。在耦合分析中，通過非線性的時(shí)域豐度進(jìn)行了動(dòng)力分析，求解了整個(gè)系統(tǒng)的完整方程，同時(shí)考慮了浮體的剛體運(yùn)動(dòng)以及柔性桿件(立管和張力腿筋腱)。每個(gè)時(shí)間步都滿足了動(dòng)態(tài)平衡，保證了浮體和柔性體的耦合效果。

2.1 自由衰減試驗(yàn)

圖4～圖6顯示了典型的縱蕩、升沉和橫搖的衰減試驗(yàn)結(jié)果。每個(gè)自由度的衰減試驗(yàn)都進(jìn)行2次，對升沉和橫搖，2次試驗(yàn)的初始位移是一致的；但是對縱蕩，兩次的初始位移分別是5 m和10 m。表4列出了固有周期和系統(tǒng)阻尼占臨界阻尼的百分比。可以看出，模型試驗(yàn)的周期結(jié)果和數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果吻合良好。對于系統(tǒng)阻尼，縱蕩和橫蕩的阻尼出現(xiàn)了一些差別，試驗(yàn)中增加的阻尼來自于結(jié)構(gòu)附屬物的流體力學(xué)阻尼及張力腿筋腱立管等的結(jié)構(gòu)阻尼。

圖4 縱蕩自由衰減試驗(yàn)

圖5 升沉自由衰減試驗(yàn)

圖6 橫搖自由衰減試驗(yàn)

2.2 極限工況位移結(jié)果

圖7顯示了TLP平臺的位移對比結(jié)果，A602-R1～R6代表千年一遇海況的6個(gè)種子的結(jié)果，包含數(shù)值分析得到的預(yù)報(bào)值和模型試驗(yàn)的導(dǎo)出值。可以看出，兩者最大位移的結(jié)果相當(dāng)接近，差別小于5%。

表4 固有周期和臨界阻尼的百分比

圖7 千年一遇海況最大位移

2.3 筋腱張力

圖8和圖9顯示了千年一遇海況下迎浪處張力腿筋腱的張力?？梢钥闯?，平均值和極值都相當(dāng)接近。數(shù)值分析的波頻標(biāo)準(zhǔn)差(STD)有所高估，而高頻標(biāo)準(zhǔn)差有所低估，這可能是由于張力腿筋腱在惡劣海況下的高階響應(yīng)造成的。

圖8 千年一遇最大迎浪筋腱張力

2.4 氣隙和上浪

研究多立柱式平臺的上浪氣隙響應(yīng)是最近的研究熱點(diǎn)之一，這對于油氣開發(fā)的安全操作而言非常重要。氣隙A(t)的定義如下：

A(t)=S-[η(t)-σ(t)]

R(t)=η(t)-σ(t)

σ(t)=ξ3(t)+yξ4(t)-xξ5(t)

其中：S代表甲板底部和平均海平面之間的初始靜間隙；η(t)代表波面高度；σ(t)代表甲板指定參考點(diǎn)垂向運(yùn)動(dòng)；R(t)代表相對于甲板參考點(diǎn)的波面高度；ξ3(t)，ξ4(t)，ξ5(t)分別為甲板的升沉、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)。

圖9 千年一遇最大筋腱張力標(biāo)準(zhǔn)差

圖10顯示了一個(gè)極值氣隙出現(xiàn)時(shí)的模型試驗(yàn)截圖，最惡劣的情況發(fā)生在背浪處的立柱前沿。由圖11可以看出，數(shù)值分析的氣隙結(jié)果可能是低估的。這主要是由于立柱附近的波浪爬升是強(qiáng)非線性的，很難被數(shù)值模擬準(zhǔn)確捕捉。同樣可以看出，不同種子數(shù)下的模型試驗(yàn)氣隙結(jié)果有明顯差異(超過2 m)。因此建議，如果氣隙是工程關(guān)心的參數(shù)，則應(yīng)該進(jìn)行足夠多的種子數(shù)以便準(zhǔn)確捕捉試驗(yàn)結(jié)果的差異。

圖10 負(fù)氣隙截圖

圖11 21號氣隙波高儀處的相對波面高度(氣隙)

2.5 張力腿筋腱彈振和鳴振

模型試驗(yàn)中，觀察并記錄了張力腿平臺高頻響應(yīng)如彈振和鳴振現(xiàn)象。彈振是由于二階和頻激勵(lì)在高頻固有周期處產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，這種響應(yīng)可以在商業(yè)軟件中捕捉到，而鳴振是由于極限波浪的沖擊載荷在高頻固有周期附近產(chǎn)生的瞬間的自由振動(dòng)。這種強(qiáng)非線性現(xiàn)象現(xiàn)有的計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用尚存在理論難度，工程上多通過水池模型試驗(yàn)的方法解決。圖12給出了千年一遇海況下迎浪筋腱的彈振和鳴振的響應(yīng)幅度。

圖12 千年一遇海況下筋腱彈振鳴振響應(yīng)的幅度

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正

3.1 方 法

基于模型試驗(yàn)的測得結(jié)果，為了有效地指導(dǎo)工程實(shí)際，本文給出了工程上的修正方法。位移和張力的設(shè)計(jì)值通過下式進(jìn)行校準(zhǔn)：

2α(THFmaxTWFmax+TWFmaxTLFmax+

THFmaxTLFmax)]1/2

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Tmax和Tmean代表設(shè)計(jì)參數(shù)的最大值和平均值；WFcorr,HFcorr,LFcorr分別代表模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬模型試驗(yàn)結(jié)果間的波頻，高頻和低頻標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)；α為波頻，高頻和低頻最大值之間的耦合系數(shù)；腳標(biāo)model和prediction分別表示數(shù)據(jù)來自于模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。

3.2 最大位移和筋腱張力

千年一遇工況的修正系數(shù)見表5，這些系數(shù)會應(yīng)用到數(shù)值校準(zhǔn)分析。

3.3 氣 隙

同樣應(yīng)用上文提到的修正方法，氣隙的千年一遇標(biāo)準(zhǔn)差修正系數(shù)和極值修正系數(shù)分別為1.059和5.067。這些系數(shù)會修正數(shù)值分析的結(jié)果，修正后的氣隙等值線圖見圖13。最惡劣的氣隙(-1.24 m)出現(xiàn)在背浪立柱的前沿，21號氣隙波高儀位置處。這表示這個(gè)位置的局部結(jié)構(gòu)可能需要加強(qiáng)。

表5 位移和筋腱張力的修正系數(shù)結(jié)果

圖13 千年一遇斜浪下氣隙等值線圖

4 結(jié) 語

相對較淺的水深加之惡劣的環(huán)境對南海近海張力腿平臺的設(shè)計(jì)應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。本文的模型試驗(yàn)結(jié)果可以為類似的工程提供很有意義的參考。

(1) 對于平臺位移而言，主要由低頻運(yùn)動(dòng)和波頻響應(yīng)構(gòu)成，商業(yè)軟件進(jìn)行的耦合分析可以對此進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)；

(2) 在500 m水深以淺的TLP系統(tǒng)顯示出了很強(qiáng)的非線性特質(zhì)，特別是張力腿筋腱的高階響應(yīng)。試驗(yàn)中捕捉到明顯彈振和鳴振現(xiàn)象；

(3) 氣隙的測量也表明了響應(yīng)的強(qiáng)非線性，惡劣海況下，可以清晰地觀測到迎浪測立柱的波浪爬升現(xiàn)象；

(4) 本文對張力腿平臺的強(qiáng)非線性響應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)提出了一種滿足工程實(shí)際的修正方法，該方法綜合考慮了高頻、波頻和低頻修正，可供今后類似工程項(xiàng)目參考。