風(fēng)浪流聯(lián)合作用下油氣資源開發(fā)保障平臺系泊系統(tǒng)響應(yīng)的計(jì)算分析

袁洪濤1,2，陳正豪，陳剛2，孔令海

(1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001;2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137;3.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

在惡劣的海洋環(huán)境條件下，平臺的系泊定位能力尤為重要，為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)平臺在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)，國內(nèi)外很多專家學(xué)者做了相應(yīng)的研究[1-11]。本文采用AQWA計(jì)算平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜的張力響應(yīng)。

1 平臺系泊模型及環(huán)境條件

1.1 水動(dòng)力模型

根據(jù)平臺的型線圖建立有限元模型，平臺的主尺度及主要參數(shù)見表1，平臺的面元模型見圖1。

表1 平臺主尺度及主要參數(shù) m

圖1 平臺水動(dòng)力模型

1.2 系泊參數(shù)

目標(biāo)平臺采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，系泊纜分為4組，每組4根，船艏船艉各2組，艏艉每組間夾角為55°，每組內(nèi)系泊纜夾角為5°。系泊纜采用三段式的組合，即：鋼鏈-鋼纜-鋼鏈，上部與船體導(dǎo)纜孔連接及底部與錨點(diǎn)連接處為了防止摩擦破壞均用鋼鏈，中間為減輕系泊重量采用鋼纜。系泊纜相關(guān)參數(shù)見表2，系泊布置見圖2。

1.3 環(huán)境條件

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，海洋環(huán)境條件應(yīng)選取南海百年重現(xiàn)期有臺風(fēng)的海況。具體的環(huán)境參數(shù)見表3。

1.4 計(jì)算工況

根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)的最大值和張力的最大值可能出現(xiàn)在：風(fēng)浪同向，流與之夾角為0°、30°、45°、90°；流浪同向，風(fēng)與之夾角為0°、30°、45°、90°。具體工況見表4。

2 平臺頻域計(jì)算分析

2.1 平臺幅值響應(yīng)算子

由于平臺船體是關(guān)于中縱剖面對稱，因此浪向角選取0°～180°，浪向角間隔45°。平臺6自由度運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子見圖3。

由計(jì)算結(jié)果可以看到，對某一運(yùn)動(dòng)模態(tài)的響應(yīng)幅值算子不僅與頻率有關(guān)，與浪向角也有關(guān)；由于平臺是關(guān)于中縱剖面對稱，所以在0°和180°浪向、45°和135°浪向的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子基本相似；就縱蕩和橫蕩而言，在入射波角頻率小于0.5 rad/s時(shí)產(chǎn)生較大響應(yīng)，在大于0.5 rad/s時(shí)響應(yīng)基本趨于0，表現(xiàn)出強(qiáng)低頻效應(yīng)；在6自由度運(yùn)動(dòng)中橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)是最大的，主要集中在0.3～0.6rad/s之間，在0.5 rad/s左右，90°浪向角時(shí)響應(yīng)達(dá)到最大值，在0.8 rad/s之后響應(yīng)趨于0；相對于橫搖而言，縱搖和艏搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較小，艏搖在頂浪、順浪、橫浪時(shí)響應(yīng)基本為0，只有在斜浪時(shí)有一定的響應(yīng)。

表2 系泊纜參數(shù)

圖2 系泊布置示意

環(huán)境屬性波浪波浪譜JONSWAP有義波高/m13.3 譜峰升高因子3譜峰周期/s15.5 風(fēng)風(fēng)譜1 h平均風(fēng)速/( m·s-1)NPD55 流水面流速/( m·s-1)1.97

圖3 平臺6自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO

2.2 平臺附加質(zhì)量

平臺6自由度附加質(zhì)量見圖4。可以看出，縱搖、艏搖附加質(zhì)量在量級上大于其他4個(gè)自由度，橫蕩和艏搖附加質(zhì)量的變化趨勢一致，都是先增后減。

圖4 平臺附加質(zhì)量

2.3 平臺輻射阻尼

平臺6自由度輻射阻尼見圖5。由計(jì)算結(jié)果可以看出，縱搖、艏搖輻射阻尼在量級上大于其他四個(gè)自由度，并且縱搖和垂蕩、艏搖和橫蕩輻射阻尼的變化趨勢一致，都是先增后減。

圖5 平臺輻射阻尼

3 平臺系泊系統(tǒng)時(shí)域計(jì)算分析

3.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

對表4中不同風(fēng)浪流夾角的7種計(jì)算工況計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值見表5。其中最大位移表示平臺六自由度偏移量的最大值，標(biāo)準(zhǔn)差表示平臺運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。由計(jì)算結(jié)果可以看到，在流浪同向橫風(fēng)即工況7時(shí)，平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)到達(dá)最大值；流浪同向，風(fēng)與浪的夾角由0°增加到90°時(shí)，平臺偏移量最大值逐漸增加，平均值也逐漸增加的；風(fēng)浪同向，流與浪的夾角由0°增加到90°時(shí)，平臺偏移量的最大值先增后減再增，但平均值逐漸增加。總體來說風(fēng)浪同向，流與浪的夾角增加時(shí)，平臺的偏移量也逐漸增加；風(fēng)或流與浪有夾角時(shí)，斜風(fēng)產(chǎn)生的平臺偏移量比斜流產(chǎn)生的平臺偏移量要大，說明平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對風(fēng)載荷更敏感；風(fēng)浪同向(流浪同向)，流(風(fēng))與浪的夾角增加時(shí)，平臺偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，說明隨著流(風(fēng))與浪的夾角增加，平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性更好，同時(shí)斜風(fēng)的平臺偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差基本比斜流的平臺偏移量的標(biāo)準(zhǔn)差要大，說明斜風(fēng)的平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性比斜流的平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性要差。

表5 不同工況下平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值 m

3.2 系泊纜張力響應(yīng)分析

按圖2的系泊布置進(jìn)行系泊，對不同的風(fēng)浪流夾角分別計(jì)算系泊纜的張力響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表6。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出工況7為最危險(xiǎn)工況，工況7下系泊纜張力的柱狀圖見圖6，張力最大的系泊纜的張力時(shí)歷曲線見圖7。

可以看到，在流浪同向橫風(fēng)即工況7時(shí)，系泊纜張力響應(yīng)達(dá)到最大值，并且其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差都達(dá)到最大值，說明頂浪、頂流和橫風(fēng)這種工況是最危險(xiǎn)的，系泊纜張力大、張力標(biāo)準(zhǔn)差也大，在這種工況下系泊纜易發(fā)生疲勞破壞；流浪同向，風(fēng)與浪的夾角由0°增加到90°時(shí)，系泊纜張力最大值逐漸增加，平均值也逐漸增加；風(fēng)浪同向，流與浪的夾角由0°增加到90°時(shí)，系泊纜張力最大值基本是逐漸增加的，平均值也逐漸增加；風(fēng)或流與浪有夾角時(shí)，斜風(fēng)產(chǎn)生的系泊纜張力比斜流產(chǎn)生的系泊纜張力要大，說明斜風(fēng)對系泊纜張力的影響要大于斜流；風(fēng)浪同向，流與浪的夾角增加時(shí)，系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差是逐漸減小的，說明隨著流與浪的夾角增加，系泊纜張力響應(yīng)的穩(wěn)定性更好；流浪同向，風(fēng)與浪的夾角增加時(shí)，系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增加，說明隨著流與浪的夾角增加，系泊纜張力響應(yīng)的穩(wěn)定性更差；并且在斜風(fēng)的工況下系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差都比斜流的工況下系泊纜張力的標(biāo)準(zhǔn)差要大，說明系泊纜在斜風(fēng)的工況下更不穩(wěn)定，更易被破壞。

表6 不同工況下系泊纜張力響應(yīng)值 N

圖6 工況7下系泊纜張力

圖7 工況7下10#系泊纜張力-時(shí)歷曲線

4 結(jié)論

分析結(jié)果表明，在頂浪、頂流、橫風(fēng)的工況下平臺的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力響應(yīng)最大，油氣資源開發(fā)保障平臺服役期間的艏向布置應(yīng)盡量避開頂浪、頂流、橫風(fēng)的環(huán)境組合工況。另外，系泊方案的設(shè)計(jì)以及系泊纜的強(qiáng)度分析、平臺系泊結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)需要考慮此組合工況。