半潛式平臺并靠水動力載荷特性分析

丁凱　童波

摘 要：半潛式支持平臺可為生產平臺提供生活及工程方面的支持，以提高生產平臺的效率。而在靠泊時平臺間會產生復雜的水動力干擾，因此很有必要對平臺并靠泊時的水動力載荷特性進行分析研究。本文基于三維勢流理論，在頻域內分別計算平臺單體以及兩平臺并靠的水動力干擾，重點研究了平臺間距、浪向以及水動力相互作用對各平臺水動力載荷的影響，研究結果對平臺的靠泊作業有著指導意義。

關鍵詞：平臺靠泊;水動力相互作用;一階波浪力;平均漂移力;遮蔽效應

中圖分類號：U656.6? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0043-05

半潛式支持平臺是為生產平臺服務的輔助平臺，可以提供給生產平臺更多的生活及工程方面的支持，使得生產平臺的生產效率得以提高，同時可給平臺上工作人員提供一個舒適的居住壞境。另外，生活平臺通過棧橋與生產平臺連接，將傳統生產平臺中的生活區與生產作業區分離出來，在生產平臺發生重要事故等緊急情況下，人員可以從生產平臺撤離到支持平臺保證人員安全。

與平臺單體水動力響應不同的是，由于靠泊時兩個平臺通過棧橋連接在一起，一個平臺的運動響應會受到另一個平臺的影響，同時，又會引起平臺間流場特性的改變，對另一個平臺的響應產生干擾[2]。很多學者進行了關于多浮體水動力響應的研究，S.A. Sannasiraj等人[3]通過二維數值模擬方法發現了多浮體間的共振頻率點，并分析了浮體間的遮蔽效應。Buchner[4]采用數值模擬與模型試驗相結合的方法研究了雙船旁靠布置時多浮體間動力響應干擾問題。付強等[5]計算了旁靠系泊油船與FPSO頻域內的水動力相互作用，發現穿梭油船波浪力受影響較大，同時平均漂移力的相互影響主要集中在高頻段。周珂、胡志強等人[6]對不同浪向下雙船旁靠問題進行了研究，發現水體共振加劇了浮體的運動響應，并對浮體受到的平均波浪漂移力產生了較大的影響。

綜上可知，目前的研究工作一般是針對FPSO的外輸旁靠系統，而對于兩座半潛式平臺海上靠泊時的水動力響應問題研究很少。本文主要針對半潛式生活平臺與生產平臺靠泊狀態的浮體間水動力特性展開研究。

1 計算方法

目前，多浮體系統受到的一階波浪載荷一般采用三維勢流理論進行計算，總速度勢Ф可表示為：

式中：ω為入射波的頻率，?I、?D、?R分別為入射波速度勢、繞射波速度勢和輻射勢。

考慮多浮體A和B之間相互影響，單位簡諧波作用下總的速度勢可以表示為：

式中：?Ia、?Ib表示浮體A和B的入射波速度勢;?Daa、?Dba分別表示浮體A的繞射波速度勢以及浮體B的存在對浮體A繞射勢產生的影響，?Dbb、?Dab同理;?Riaa表示浮體A第i自由度的輻射勢，?Rjba表示浮體B第j自由度的運動對浮體A第i自由度輻射勢的影響，?Rjbb、?Riab同理;xia和xjb分別表示浮體A第i自由度的位移和浮體B第j自由度的位移。

對結構物濕表面進行離散，利用源匯分布法模擬流場，結構物表面速度勢可以通過格林函數擬合得到[7]。之后由伯努利方程可以得到浮體濕表面的壓力分布如下：

式中：ρ為流體密度;P為單元上的動壓力。

省略伯努利方程中的高階項，對浮體的濕表面進行積分，則可求出作用在浮體上的一階波浪力。

通常計算平均波浪漂移力的方法有近場法和遠場法。遠場法計算較近場法簡潔，但只能給出平均波浪漂移力中三個水平方向的分量[8]，并且在多體計算中，只能得到作用在兩個結構上總的平均漂移力，而使用近場法則可以分別計算得到兩座平臺上6個自由度的平均波浪漂移力[9]，所以本文水動力采用近場法計算。

2 水動力計算模型

2.1平臺主尺度

半潛式生活平臺進行靠泊時，通過棧橋與生產平臺連接。本文中棧橋的初始長度為38.5m，故靠泊初始時兩平臺間距為38.5m左右，靠泊時兩座半潛式平臺的相對位置如圖1所示。

生活平臺向生產平臺靠泊進行人員輸送一般都在良好的海況條件下進行，所以本文只針對兩平臺的作業工況開展研究。兩平臺主尺度以及在作業工況下的吃水、排水量等信息如下表所示：

2.2水動力計算模型

本文計算采用的生活平臺和生產平臺的濕表面橫、縱對稱，全局坐標系原點位于生產平臺水平面中心位置，靠泊時兩平臺舷側相互平行，中心連線與Y坐標軸重合。坐標系及環境載荷方向定義如圖2所示。根據兩平臺外形尺寸，建立水動力計算模型，如圖3所示。

3 平臺間距對浮體系統水動力性能作用

本文中棧橋可以有±8m的伸縮量，所以分別選取30.5m、38.5m、46.5m進行多體水動力分析，并同平臺單體計算結果進行比較。因為靠泊時，縱蕩、橫蕩以及艏搖三個自由度的運動會導致兩平臺相對位置發生較大變化，所以主要研究水動力相互作用對這三個自由度波浪載荷的影響。

3.1平臺間距對浮體一階波浪力的影響

圖4為浪向角為0°時，生活平臺和生產平臺單體以及兩平臺間距為30.5m、38.5m、46.5m時縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的一階波浪力曲線。

由圖4可知，浪向角為0°時，平臺單體和考慮水動力相互作用之后不同平臺間距時的縱蕩波浪力曲線差別均不大。由于結構的對稱性，平臺單體橫蕩和艏搖自由度所受一階波浪力幾乎為0，考慮兩平臺相互作用之后，波浪力曲線在周期20s以內發生了很大變化，這是由于流場相互影響產生的平臺間隙水體振動引起的，說明間隙水體振動的周期在20s以內?？紤]水動力相互作用之后，不同間距對應的兩平臺橫蕩和艏搖一階波浪力曲線同樣差別不大。

3.2平臺間距對浮體平均波浪漂移力的影響

對于油船旁靠情況，浮體間距較近時，水動力相互干擾對平均波浪漂移力的影響程度要大于其它水動力參數[10]。因而在兩平臺靠泊時，也很有必要研究水動力相互作用對平均波浪漂移力的影響。

圖5為浪向角為0°時，生產平臺和生活平臺單體以及兩平臺間距為30.5m、38.5m、46.5m時縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的平均波浪漂移力曲線。

由圖5可知，波浪0°入射時，平臺單體和考慮水動力相互作用之后不同平臺間距時的平均波浪漂移力曲線差別不大。橫蕩和艏搖方向的平均波浪漂移力曲線波動明顯，且不同間距對應的平臺橫蕩和艏搖自由度平均波浪漂移力曲線之間的差異大于一階波浪力曲線，平均波浪漂移力比一階波浪力對平臺間隙水體振動更加敏感。由水動力相互作用產生的兩平臺橫蕩和艏搖自由度的平均波浪漂移力在方向上具有對稱性，例如橫蕩自由度生產平臺受力為正值的周期段，生活平臺受力為負值。

4 波浪方向對浮體系統水動力性能作用

本節對38.5m間距情況下，浪向角為90°、135°、180°、225°、270°時，兩平臺受到的一階波浪力和平均波浪漂移力進行了分析。

4.1 波浪方向對浮體一階波浪力的影響

圖6為平臺間距38.5m時，生產平臺和生活平臺單體以及兩平臺在不同浪向條件下縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的一階波浪力曲線。

由圖6可知，90°、270°浪向以及135°、225°浪向下的一階波浪力曲線差別不大，這是由于兩平臺距離較遠，遮蔽效應不明顯造成的。90°、270°方向的波浪不能引起明顯的縱蕩和艏搖載荷，而180°方向的波浪卻能引起較為顯著的橫蕩和艏搖自由度的波浪力，這個規律在不同浪向的平均波浪漂移力曲線中也有體現，此種現象表明：

（1）縱浪比橫浪更容易引起兩平臺間明顯的水動力相互作用;

（2）橫蕩和艏搖自由度的波浪載荷比縱蕩自由度更容易受到水動力相互作用的影響。

以上現象的產生主要與兩座半潛式平臺旁靠時沿縱向平行布置有關。首先波浪縱向入射時，平臺對波浪的散射作用會使另一平臺受到橫向載荷從而產生橫向運動。平臺間的縫隙內入射波、繞射波和輻射波疊加，引起平臺長度方向受力的不均勻，從而產生艏搖力矩。同時因為兩座半潛式平臺主尺度不同，整個靠泊系統只關于Y軸對稱而不關于X軸對稱，系統的不對稱性會加劇橫向載荷和艏搖力矩的產生。平臺橫蕩、橫搖和艏搖運動產生的輻射波能量可以很大程度上傳遞到平臺間的縫隙內，引起另一平臺的受力，而縱向運動的輻射波則不會對另一平臺產生很大影響。

4.2波浪方向對浮體平均波浪漂移力的影響

圖7為平臺間距38.5m時，生產平臺和生活平臺單體以及兩平臺在不同浪向條件下縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度受到的平均波浪漂移力曲線。

由圖6和圖7可知，由于平均波浪漂移力對間隙水體振動更為敏感，所以不同浪向角對應的平均波浪漂移力曲線之間的差異比一階波浪力曲線要大。同時由于平均波浪漂移力具有方向性，所以90°和270°以及135°和225°兩組浪向下，平臺橫蕩和艏搖平均波浪漂移力的方向接近對稱。

5 結論

本文對兩平臺間水動力相互作用以及平臺間距和波浪方向改變對每座半潛式平臺一、二階波浪載荷造成的影響進行了研究，得出以下結論：

（1）因為兩平臺靠泊時初始間距較大，約為半潛式平臺下浮體寬度的2倍，且±8m的間距增減沒有改變兩平臺初始間距較大的情況，所以在主要受力方向上兩平臺波浪載荷受平臺間距變化影響不大，兩平臺之間不存在明顯的遮蔽效應。

（2）平臺受到的二階波浪載荷對間隙水體的振動較為敏感，水動力相互作用對平臺二階波浪載荷產生的影響要大于一階波浪載荷。

（3）由于兩平臺平行旁靠時的相對位置以及多浮體系統自身的對稱性，使得縱浪比橫浪更容易在兩平臺之間引起明顯的水動力相互作用，間隙水體振動對不同自由度波浪載荷的影響程度也不相同，橫蕩和艏搖自由度的波浪載荷比縱蕩自由度更容易受到水動力相互作用的影響。

（4）兩平臺間隙水體振動的周期小于20s，因為實際海域中波浪周期一般都在20s以內，所以考慮兩平臺水動力相互作用是必要的。

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