基于AQWA的南海半潛式海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)破斷分析

朱曉洋 胡金鵬

摘 ? ?要：本文基于三維勢(shì)流理論，針對(duì)南海海域工作的某半潛式海洋平臺(tái)，運(yùn)用水動(dòng)力分析軟件AQWA進(jìn)行頻域分析和時(shí)域分析，得到不同環(huán)境下海洋平臺(tái)的附加質(zhì)量、興波阻尼系數(shù)等水動(dòng)力系數(shù)以及各自由度的幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)浪流對(duì)海洋平臺(tái)的聯(lián)合作用，以及系泊系統(tǒng)與海洋平臺(tái)之間的耦合作用，在時(shí)域內(nèi)研究了海洋平臺(tái)在南海百年一遇極端海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜繩的張力，分析系泊破斷時(shí)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩張力的變化情況，分析結(jié)果可為南海海域半潛式海洋平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：半潛式海洋平臺(tái);AQWA;耦合作用;極端海況;系泊破斷

中圖分類號(hào)：P731.22?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Based on the three-dimensional potential flow theory， this paper uses the hydrodynamic analysis software AQWA to perform frequency domain analysis and time domain analysis on a semi-submersible offshore platform working in the South China Sea. The additional mass and wave damping coefficient of the ocean platform in different environments are obtained. The hydrodynamic coefficients and the amplitude response transfer functions （RAOs） of the respective degrees. On this basis， considering the combined effect of wind and wave on the offshore platform， considering the coupling between the mooring system and the offshore platform， the motion response and mooring of the offshore platform in a once-in-a-century extreme sea condition of the south China sea are studied in the time domain. The changes of platform motion response and mooring line tension during mooring line breakage are considered and analyzed， which will provide a corresponding scientific basis for the preliminary design of the semi-submersible offshore platform in the South China Sea.

Key words： Semi-submersible offshore platform; AQWA; Coupling; Extreme sea conditions; Mooring Lines breaking

1 ? ?引言

隨著海洋油氣開采逐步向深水領(lǐng)域邁進(jìn)，深水半潛式鉆井平臺(tái)在我國(guó)海域的應(yīng)用越來越廣泛。半潛式平臺(tái)的水下部分主要由立柱、浮箱和橫撐這類柱體結(jié)構(gòu)組成，其數(shù)值預(yù)報(bào)方法一般采用Morison理論和勢(shì)流理論。由于平臺(tái)在惡劣的環(huán)境載荷作用下會(huì)產(chǎn)生波頻搖蕩和低頻漂移運(yùn)動(dòng)，因此開展半潛平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性的分析工作具有重要意義。許多學(xué)者針對(duì)水動(dòng)力的各種特性對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響做了大量研究。劉海霞[1]等對(duì)大型半潛式平臺(tái)的波浪載荷計(jì)算采取Morison公式和勢(shì)流理論相結(jié)合的方法，對(duì)于小尺寸結(jié)構(gòu)物采用Morison公式計(jì)算;李輝[2]等對(duì)深水半潛式平臺(tái)波浪載荷計(jì)算的確定性和隨機(jī)性設(shè)計(jì)波法進(jìn)行了研究，并以兩艘不同形式的半潛式平臺(tái)作為實(shí)際算例進(jìn)行了對(duì)比分析;王世圣[3]等利用三維水動(dòng)力模型，對(duì)具有不同橫撐結(jié)構(gòu)形式的兩種典型深水半潛式鉆井平臺(tái)的波浪載荷進(jìn)行了分析研究;宋安科[4]對(duì)第五半潛式平臺(tái)進(jìn)行了水動(dòng)力分析，得到了水動(dòng)力時(shí)間歷程響應(yīng)曲線;吳瀾等[5]針對(duì)深水半潛式平臺(tái)建立了三維水動(dòng)力模型，使用 AQWA 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了水動(dòng)力系數(shù)變化特征并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)。

AQWA是計(jì)算三維流體動(dòng)力學(xué)的重要工具，廣泛應(yīng)用于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的流體動(dòng)力學(xué)性能評(píng)估及分析。本文使用AQWA計(jì)算半潛式海洋平臺(tái)的水動(dòng)力特性、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊系統(tǒng)與平臺(tái)之間的耦合作用，通過比較不同海況下的計(jì)算數(shù)值得出結(jié)論，最后進(jìn)一步考慮系泊纜繩斷裂時(shí)的特殊情況。本文的計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果，將為半潛式海洋平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)提供重要的參考作用。

2 ? ?數(shù)值模型建立

2.1 ?平臺(tái)的主要參數(shù)

研究對(duì)象是南海某半潛式海洋平臺(tái)，作業(yè)水深1000 m。平臺(tái)的主要構(gòu)件為：4根立柱、2個(gè)平行浮體以及2個(gè)橫撐浮子。平臺(tái)的長(zhǎng)、寬、高為：l×b×h=98 m×75 m×40 m;吃水深度d=23.5 m;質(zhì)量m=5.6×107 kg;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ixx=9.1×1016 kg·mm2、Iyy=6.2×1016 kg·mm2 、Izz=1.3×1017 kg·mm2。

2.2 ? 網(wǎng)格劃分

利用AWQA進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格，定義網(wǎng)格單元最大尺寸為3 m、變形公差為1 m。選擇網(wǎng)格劃分形式為連接網(wǎng)格，得到四邊形網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2.3 ? 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系泊纜為單一成分纜，具體參數(shù)如下：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度纜繩重量185.4 kg/m;等效界面面積1.33×10-2 m2;軸向剛度7.25×107 N;破斷力6.08×106 N;拖曳力直徑9.2×10-2 m;縱向阻力系數(shù)為0.025。

纜繩數(shù)目選為8根，纜繩成對(duì)稱分布，纜繩夾角α=46.8°。其中，1、3、5、7號(hào)纜繩的張力傾角β=33.2°，2、4、6、8號(hào)纜繩的張力傾角γ=24.1°，具體纜繩布置和角度定義如圖2所示。

2.4 ? 模型建立

根據(jù)以上參數(shù)，在AWQA中建立平臺(tái)及系泊系統(tǒng)模型，如圖3所示。

2.5 ? 海洋環(huán)境條件

本文環(huán)境條件采用南海百年一遇的極端海況條件，見表1。

3 ? ?數(shù)值結(jié)果分析

3.1 ? 水動(dòng)力分析

水動(dòng)力分析主要計(jì)算平臺(tái)在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)和受力響應(yīng)及相關(guān)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如附加質(zhì)量、附加阻尼、波浪力和幅值響應(yīng)傳遞函數(shù)（RAOs），為后續(xù)的時(shí)域耦合分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

附加質(zhì)量以mij表示，m11、m22和m33分別表示縱蕩、橫蕩和垂蕩三個(gè)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的附加質(zhì)量，如圖4所示;平臺(tái)在規(guī)則波中縱蕩、橫蕩和垂蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，如圖5所示。

從圖4可以看出m22> m33> m11，這是因?yàn)槠脚_(tái)橫向浸濕面積大于垂向浸濕面積、垂向浸濕面積大于縱向浸濕面積，在規(guī)則波的作用下平臺(tái)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，受到橫蕩附加質(zhì)量最大、縱蕩附加質(zhì)量最小;在高頻和低頻處，附加質(zhì)量比較穩(wěn)定，在0.6～1.2 rad/s頻率之間，即在常見的波浪周期內(nèi)，附加質(zhì)量波動(dòng)較大，并出現(xiàn)波峰和波谷（其值均在107量級(jí)）。

由圖5可知，平臺(tái)在高頻區(qū)域（ω>1.2 rad/s）運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值的變化幅度較小，該頻率范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)良好;平臺(tái)的垂蕩固有周期為20.9s（ω=0.3rad/s）;縱蕩和橫蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化趨勢(shì)一致，這是由平臺(tái)為對(duì)稱性結(jié)構(gòu)所致。

3.2 ? 時(shí)域耦合分析

當(dāng)風(fēng)、浪、流三者同向作用時(shí)，平臺(tái)的系泊系統(tǒng)將產(chǎn)生最大的臨界力。因此本文假設(shè)風(fēng)、浪、流作用在同一方向上，再分別以與x軸正方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°這七個(gè)方向進(jìn)行時(shí)域耦合分析，其中規(guī)定0°和90°的方向如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行七個(gè)方向的時(shí)域耦合分析，模擬計(jì)算時(shí)間為10 800 s，得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力，進(jìn)一步計(jì)算安全系數(shù)和偏移量。安全系數(shù)指系泊纜斷裂強(qiáng)度與所受最大張力之比。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：（1）在七個(gè)方向的環(huán)境力作用下，系泊纜繩的安全系數(shù)均大于1;當(dāng)環(huán)境力方向?yàn)?0°時(shí)，平臺(tái)的系泊纜張力最大，其原因是在60°環(huán)境力方向上，平臺(tái)的受風(fēng)面積和受流面積都達(dá)到最大值，此時(shí)所受的環(huán)境載荷達(dá)到最大值4 791 kN;平臺(tái)的環(huán)境力主要是由NO.8系泊纜分擔(dān)，其強(qiáng)度尤為重要;（2）當(dāng)環(huán)境力方向?yàn)?°時(shí)，平臺(tái)沿X方向的偏移量最大（達(dá)到8.480%），沿Y方向的偏移量為0;當(dāng)環(huán)境力方向?yàn)?0°時(shí)，平臺(tái)沿Y方向的偏移量最大（達(dá)到15.23%），沿X方向的偏移量為0，這兩種情況均符合實(shí)際。

3.3 ? 特殊情況下的時(shí)域耦合分析

平臺(tái)在工作中偶爾會(huì)因?yàn)槟承┨厥馇闆r（如：海洋生物的破壞、極端載荷的沖擊等）造成某條系泊纜的斷裂。本文針對(duì)兩種系泊纜意外斷裂的特殊情況再次進(jìn)行七個(gè)方向的時(shí)域耦合分析，得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力。

（1）NO.1系泊纜斷裂

假設(shè)NO.1系泊纜斷裂，進(jìn)行七個(gè)方向的時(shí)域耦合分析。斷裂前后各系泊纜所受的最大張力變化情況，如圖6所示;平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化情況，如圖7所示。

從圖6可以看出：即使NO.1系泊纜斷裂，其余系泊纜所受的最大張力均小于系泊纜的斷裂強(qiáng)度，安全系數(shù)均大于1;NO.1系泊纜斷裂后，NO.2和NO.3系泊纜最大張力變大，且隨著環(huán)境載荷與x軸正方向夾角的增大而增大;NO.4系泊纜最大張力略有減小，但當(dāng)夾角大于78°時(shí)又略有增大;NO.5、NO.6和NO.7系泊纜最大張力減小，且減小幅度與夾角變化關(guān)系不大;NO.8系泊纜最大張力顯著增大，且隨著夾角的增大而增大。平臺(tái)的環(huán)境力依舊主要由8號(hào)系泊纜分擔(dān)，其最大張力達(dá)到5 723 kN，非常接近斷裂強(qiáng)度。

從圖7可以看出：NO.1系泊纜斷裂后，平臺(tái)沿x方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)減小，沿y方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大，且隨著夾角的增大，變化幅值也變大。

（2）NO.2號(hào)系泊纜斷裂

假設(shè)NO.2號(hào)系泊纜斷裂，進(jìn)行七個(gè)方向的時(shí)域耦合分析.斷裂前后各系泊纜所受的最大張力變化情況，如圖8所示;平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化情況，如圖9所示。

從圖8可以看出：當(dāng)NO.2系泊纜斷裂時(shí)，其余系泊纜所受的最大張力仍小于系泊纜的斷裂強(qiáng)度，安全系數(shù)均大于1;NO.2系泊纜斷裂后，NO.1號(hào)、NO.3和NO.4系泊纜最大張力變大，且隨著環(huán)境載荷與x軸正方向夾角的增大而增大;NO.5系泊纜最大張力略有減小，減小幅度與夾角無關(guān);NO.6、NO.7和NO.8系泊纜最大張力減小，且減小幅度與夾角變化關(guān)系不大。平臺(tái)的環(huán)境力依舊主要是由NO.1和NO.8系泊纜分擔(dān)，NO.1最大張力達(dá)到5 064 kN，接近系泊纜斷裂強(qiáng)度。

從圖9可以看出：NO.2系泊纜斷裂后，平臺(tái)沿x方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)減小，且隨著夾角的增大，變化的幅值也變大;沿y方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)增大，變化的幅值較小。

4 ? ?結(jié)論

本文采用基于勢(shì)流理論和時(shí)域耦合動(dòng)力方法的AWQA軟件，對(duì)某半潛式海洋平臺(tái)在規(guī)則波中進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)分析，然后進(jìn)行時(shí)域耦合分析，計(jì)算平臺(tái)在南海百年一遇的極端海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力響應(yīng)，并考慮當(dāng)系泊纜斷裂后的響應(yīng)變化情況，得到以下結(jié)論。

（1）半潛式平臺(tái)在高頻區(qū)域（ω>1.2 rad/s）運(yùn)動(dòng)性能表現(xiàn)良好，響應(yīng)幅值很小。縱蕩和橫蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化趨勢(shì)一致，這是由平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性所決定的。該方法可以初步預(yù)報(bào)半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能，為平臺(tái)型線設(shè)計(jì)提供參考;

（2）當(dāng)環(huán)境力方向在60°附近時(shí)，平臺(tái)的系泊纜張力和水平偏移最大，因而在系泊方案設(shè)計(jì)中需要引起重視;

（3）在七個(gè)不同方向的環(huán)境力的作用下，NO.8系泊纜所受張力一直是最大的，因此在系泊方案設(shè)計(jì)中要著重考慮其強(qiáng)度;

（4）當(dāng)NO.1或者NO.2系泊纜斷裂后，其余各系泊纜的安全系數(shù)依然大于1，平臺(tái)能維持在正常狀態(tài)，但是其余系泊纜的張力和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)發(fā)生顯著變化，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮此種特殊情況。

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