深水半潜式生产平台耦合动力特性对比研究

赵晶瑞，范 模，段梦兰

(1.中海油研究总院，北京 100027;2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

深水半潜式生产平台耦合动力特性对比研究

赵晶瑞1，2，范 模1，段梦兰2

(1.中海油研究总院，北京 100027;2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

应用数值模拟与模型试验相结合的方法研究半潜式生产平台系泊状态下的耦合动力特性。建立耦合分析模型，时域内计算求解平台的动力响应，选取缩尺比为1∶60，采用等效截断模型方法对数值模拟结果进行验证。通过对比模型试验与数值模拟结果发现:等效截断系泊系统可以较好地模拟平台的位移响应，但在系泊张力方面却差异较大，此外极端海况下平台的甲板上浪问题也必须得到充分重视。

半潜式生产平台;耦合动力分析;等效截断;模型试验;数值模拟

半潜式生产平台是一种新型的深水顺应式生产平台，由于具有较大的甲板面积和相对较低的建造难度，以及抗风浪能力强等特点，是目前数量最多，更新换代最快的一类深水浮式平台，被广泛应用于世界各地的深水油气开发项目［1］。生产平台长期固定于无遮蔽的深水海域，承受极端的环境载荷，其运动响应、缆绳张力以及甲板上浪等技术指标是立管系统安装乃至整体油田开发方案制定的重要依据。一直以来，业界通常采用数值模拟与模型试验相结合的方法来获得以上数据［2］。

在数值模拟方面，随着水深的不断增加，系泊缆绳与平台主体间的耦合动力特性已达到必须考虑的程度［3］，必须将平台主体与系泊系统的动力响应作为一个整体求解，其中主体的水动力系数、一阶波浪力以及二阶波浪力首先在频域中计算，然后将其转换到时域内，联立求解方程得到耦合系统的整体运动响应［4-6］。而在模型试验方面，考虑到平台实际作业水深不断加大和试验水池水深有限的矛盾，国内外学者提出了混合截断式模型试验技术解决这一难题［7-10］，其基本思想［11］是采用数值模拟方法计算平台在实际海洋环境下的运动响应与缆绳张力，在进行模型试验之前，根据给定比例尺将缆绳截断，其截断处缆绳运动与张力根据计算结果进行数值重构，从而保证模型实验结果能够较为准确地模拟实际情况。等效设计的难点在于:1)缆绳垂向与水平向恢复特性的准确模拟，即截断水深系泊缆与水面夹角、缆绳周向角等随水平位移的变化率将大于全水深系泊缆;2)非均匀材质与特殊装置的使用产生摩擦阻尼难以量化;3)缆绳本身的质量动力特性与粘性阻尼的准确模拟。因此该领域的科研工作也成为海洋工程界的热点问题之一。

以两类目前最流行的半潜式生产平台作为研究对象，结合南海某油气田特定的环境条件，首先采用数值模拟方法计算平台极端载荷下的运动响应与系泊张力，之后在上海交通大学海洋深水试验池中，采用被动等效截断模型试验技术进行平台模型试验，从而对之前的数值模拟结果进行验证，分析等效截断系泊系统与全水深系泊系统的性能差异，最终对于两类半潜式生产平台能否与多点系泊系统相配合，在我国南海深水海区作为井口生产平台的方案可行性进行前期论证。

1 平台主尺度与设计环境条件

两座半潜式生产主体采用了最流行的深吃水设计理念，具有双浮箱与双横梁船体，立柱部分分别为对心倾斜四立柱式与垂直六立柱式，其主尺度参数如表1所示。

表1 两类半潜式平台主尺度参数Tab.1 Main scale particulars of two semi platforms

两座半潜式生产平台均采用4×4共16根钢质悬链线系泊缆进行定位，钢缆直径为180 mm，破断张力为21 300 kN;锚链直径为152 mm，破断张力为20 157 kN，系泊系统设计参数如表2所示。

表2 两类半潜式平台系泊系统参数Tab.2 Main parameters of mooring system of two semi platforms

以四立柱半潜式平台为例，图1、2是该平台多点系泊系统的总体布置图与耦合计算模型图。

图1 四立柱平台系泊系统总体布置Fig.1 The general arrangement of mooring system of 4-leg semi platforms

图2 四立柱平台耦合计算模型示意Fig.2 The coupled calculation model of 4-leg semi platforms

半潜式生产平台的假想作业海区选取为南海某油气田，最大作业水深为1 500 m，拟悬挂SCR刚性立管，根据国外工程经验，须保证平台在设计环境条件下的最大水平偏移小于8%的作业水深。此次试验中对于平台在该海区不同重现期的环境条件下的运动特性进行了时域模拟，分别包括一年一遇，百年一遇与五百年一遇等，其多点扩展式系泊系统的设计载荷强度取为百年一遇环境条件，具体参数如表3所示。

表3 海洋环境主要参数Tab.3 Main parameters of environment condition

2 数值模拟方法

采用挪威船级社(DNV)出品的SESAM软件与美国Ultramarine公司出品的MOSES软件数值分析半潜式平台的系泊耦合动力特性，根据主尺度图纸建立两座平台的水动力计算模型如图3、4所示。

图3 四立柱半潜式平台水动力模型示意Fig.3 Hydrodynamic model of 4-leg semi platform

图4 六立柱半潜式平台水动力模型示意Fig.4 Hydrodynamic model of 6-leg semi platform

在依据三维势流理论计算得到平台船体的附加质量、阻尼系数及波浪激励力等数据之后，采用耦合时域方法计算平台与系泊系统耦合动力响应，半潜式平台船体6自由度时域运动方程可表示:

式中:M为平台船体质量矩阵，A(ω)为频域内附加质量矩阵，C为频域内势流阻尼矩阵，D2为平方项粘性阻尼矩阵，K(x)为非线性恢复刚度矩阵，q为外力矢量，可展开表示为

其中，qwind为风力为一阶波浪力为二阶波浪力，qcur为海流力，qmoor为由系泊系统以及立管系统所产生的耦合作用力。

之后根据Cummins脉冲理论对于耦合系统进行时域求解计算，其中平台与系泊系统的运动响应在每个时间步中联合求解，完全考虑了两者的全耦合动力特性，动力平衡方程可表示为

其中，RI、RD和RS分别表示整体惯性力、整体阻尼力与相互作用力为平台船体与系泊系统整体的位移、速度与加速度矢量;RE表示外部激励力矢量，主要包括重浮力、与平台位移相关的回复力，系泊缆绳水动力载荷与特定集中力等。

3 模型试验

模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行，其海洋深水试验池最大水深为10 m，配有先进的造波、造流、造风系统，可以模拟各种实际海洋环境条件，通过大面积可升降假底，可根据试验要求改变水深。本次试验按照1∶60海洋工程常规比例尺设计，其系泊系统由上海交通大学深水工程试验室进行设计，系泊等效截断设计时主要考虑以下因素:1)系泊系统水平/垂向回复力特性一致;2)保证系泊系统垂向回复力/位移特性一致;3)保证具有代表性的系泊缆张力特性一致。以四立柱平台180°方向为例，图5、6是该平台全水深系泊系统截断水深系泊系统的整体水平回复力与最大缆绳张力随平台水平偏移量的变化对比曲线。

通过图5与图6发现，当平台出现100 m左右的水平偏移时，数值模拟与模型试验的结果极为接近，即在小位移情况下，截断式系泊系统基本上可以模拟全水深条件下系泊系统的整体刚度与静态缆绳张力。模型试验包括静水自由衰减试验与风、浪、流组合下的加载试验。在加载试验中，假设各类环境载荷入射方向相同，考虑3种典型角度(180°迎浪方向，225°首斜浪方向与270°横浪方向)，以及不同作业状态，对两座平台以下数据进行了测量和处理:1)平台6个自由度的运动，即纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇及首摇;2)每根缆绳导缆孔处缆绳张力;3)平台主甲板下缘各处的气隙高度值。

图5 四立柱平台水平回复刚度曲线Fig.5 Horizontal stiffness curves of 4-leg semi platform

图6 四立柱平台缆绳张力变化曲线Fig.6 The maximum tension of 4-leg semi platform

4 数值模拟与模型试验结果的对比与分析

以下是两种方法得到的平台运动响应与缆绳张力对比结果。以四立柱半潜式平台为例，表4是该平台不同方向百年一遇环境载荷作用下的各自由度运动响应最大值情况;表5为此时最大系泊缆绳张力情况。图7为四立柱平台纵荡、纵摇与缆绳张力谱情况。

表4 四立柱平台生存状态运动响应最大值情况Tab.4 The maximum motion responses of 4-leg semi platform in survival condition

表5 四立柱平台系泊系统最大缆绳张力情况Tab.5 The maximum tension of 4-leg semi platform mooring system

通过表4与表5中数据结果进行对比并结合图7可以发现:

1)平台6自由度运动响应方面，两种方法得到的结果吻合较好，特别是水平向运动响应，最大幅值的相对误差仅在5%以内，其中低频与定常频率成分占主导地位，数值模拟与模型试验结果均小于8%的作业水深，满足生产平台悬挂SCR立管的设计要求;垂荡响应方面，运动幅值在180°方向达到最大，响应的谱峰周期与波浪谱峰周期接近，实验值略大于计算值;而纵横摇响应方面，波频成分与低频成分所占比重较为接近，现象表明，极端载荷下平台可能出现低频共振摇摆现象。数值模拟方法得到的计算结果可以较为准确地模拟半潜式平台恶劣海况下的运动响应。

2)缆绳张力方面，数值模拟与模型试验结果显示，当环境载荷呈225°入射时，系泊缆绳将出现最大张力，两种方法得到的结果相差较大，其中试验结果比计算结果大17%左右，通过对于张力时间历程的谱分析发现，两者在除波频与定常段符合较好，而在低频段差异较为明显，因此导致如此大的误差，其可能原因:被动截断式系泊系统基于静力等效原则进行设计，系泊缆绳的质量动力与粘性阻尼特性与全水深系泊系统相差较大，此外，大比例尺模型试验时流体的粘性作用被放大无疑会加剧这一现象。

图7 四立柱平台生存状态运动响应谱与最大系泊张力谱Fig.7 The motion and maximum tension spectra of 4-leg semi platform in survival condition

3)在最小气隙值方面，采用频域法计算得到的平台最小气隙值大于3 m，满足规范要求，而采用模型试验方法得到的气隙值小于零，表明此时平台已经出现甲板上浪。通过现场观测发现，极端环境载荷下半潜式生产平台产生了较大的定常倾角，瞬时波面与平台各自由度运动间也会出现较大的相位差，以及波浪沿立柱表面的局部爬升现象等非线性问题，都使上浪问题变得更为复杂和难以预测，因此采用数值模拟方法计算甲板上浪较为困难，须结合模型试验才能得出较为可信的结果(见图8)。

图8 百年一遇环境条件下两座平台的甲板上浪情况Fig.8 The green water condition of two semi platforms in a hundred years condition

表6为两座半潜式平台百年一遇环境载荷下最大水平位移与最大缆绳张力的对比情况。

表6 两座平台最大水平偏移与最大缆绳张力对比Tab.6 The comparison of horizontal offsets and mooring line tension between two platforms

通过对比发现，相对于六立柱平台中，四立柱平台水平向的最大偏移量与缆绳张力较小，由此可见，尽量减小平台的水线面面积，能有效降低平台所承受的水平方向流体载荷，增大缆绳的安全裕度，有助于提高深水浮式平台极端环境下的操作安全性。

5 结语

以两座预想安装在我国南海，作业水深为1 500 m的半潜式生产平台为研究对象，采用数值模拟与模型试验相结合方法对平台的运动响应特性进行对比研究，得到结论如下:

两座半潜式生产平台在该油汽田百年一遇环境条件下的最大水平偏移量小于8%的作业水深，满足设计要求，由于四立柱平台受到的水平环境载荷更低，缆绳的安全裕度也更大，采用两种方法得到的结果吻合校核;当极端环境载荷呈斜45°角入射时，缆绳出现最大系泊张力，是系泊系统的最危险状态。截断式系泊系统难以准确模拟缆绳的质量动力与粘性阻尼特性，导致最大系泊张力的试验结果与计算结果相差较大，此外数值模拟方法不能准确评估深水平台的甲板上浪问题，需结合模型试验才能得出较为可信的结果。

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Comparative study of coupled dynamic characteristics for deepwater semi-submerged production platforms

ZHAO Jing-rui1，2，FAN Mo1，DUAN Meng-lan2
(1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China;2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The characteristics of coupled dynamic response for the moored semi-submerged production platforms are studied by the model experimental approach and the numerical simulation method in this paper.The coupled analysis models are established and the dynamic responses are obtained in time domain.An equivalent truncated model test is adopted，with the model scale 1:60，and the 6 DOF motion of the two platforms and the mooring line tensions are recorded in order to validate the numerical results.By comparing the full-depth numerical results，it is concluded that the dynamic response of the platform can be modeled quite well，but the difference of the mooring line tension is significant.In addition，enough attention should be paid to the green water problem in rough sea.

semi-submerged production platform;coupled dynamic analysis;equivalent truncated;model test;numerical simulation

P751

A

1005-9865(2012)04-0049-06

2011-11-25

中海油总公司综合科研课题“南海深水浮式平台水动力模型试验研究”资助项目

赵晶瑞(1983－)，男，山西大同人，博士后，从事深水浮体系泊定位及设计方法研究。E-mail:zhaojr2@cnooc.com.cn