抑制半潜式平台垂荡响应的方法研究

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(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266555)

常用的深水平台主要有TLP、Spar和半潜式平台。相对于Spar平台和TLP平台，半潜式平台有着显著的优点，自20世纪60年代以来，半潜式平台在海洋油气资源的勘探开发中得到了广泛的应用，随着结构形式的不断改进，目前半潜式平台已经发展至第6代。但是相对于Spar和TLP平台，半潜式平台有一个明显的不足，那就是垂向运动幅度比较大，大大增加了钻采作业的升沉补偿成本。因此，研究抑制半潜式平台的垂向运动具有重大的理论价值和应用价值。

1 增加吃水深度对垂荡幅值的影响

1.1 吃水深度对垂荡响应幅值影响的理论分析

载荷作用下，半潜式平台的运动方程[1]为

(1)

式中：M——质量矩阵；

C——阻尼矩阵；

D1，D2——线性阻尼和二次阻尼矩阵；

f——速度矢量函数；

K——刚度矩阵；

x——位移矩阵；

F——外力。

通过调节压载水舱中压载水的质量来控制平台的吃水深度。压载水的质量越大，平台吃水深度越大，平台整体质量就越大。由式(1)可知，在平台所受垂向力不变的情况下，平台的垂向加速度随质量的增加而减小，从而使平台的垂向运动幅值降低。

半潜式平台的垂荡响应运动固有周期靠近波浪的能量周期，所以垂荡运动较其他自由度响应在常规海况下更容易发生共振。非线性动力学理论研究表明[2]，平台的吃水深度对抑制纵摇有效果。在数值计算过程中获得了抑制规律。

1.2 增加吃水深度对平台稳性的影响

初稳定高度是衡量平台稳定性的重要指标，已知

(2)

(3)

I——水线面惯性矩；

▽——平台排水体积。

1.3 吃水深度对半潜式平台垂荡响应影响的数值计算

理论分析得到：一定范围内增加平台吃水深度可以在保证平台稳性的基础上抑制半潜式平台垂荡响应幅值。为了得到增加平台吃水对垂向响应的抑制效果，运用SESAM/HydroD软件对在1 000 m水深情况下的同一艘半潜式平台在不同吃水条件下进行了动态响应计算，见图1。

图1 增加吃水前后垂荡响应幅值

计算中所用的波浪周期为：5、8、11、14、17、20、23、25 s。波向为0°，即沿X轴方向(艏艉方向，向艏为正)。该波浪周期为一般海况条件下的波浪周期[3]。

由图1可见：约在频率0.3 rad/s(波浪周期21 s)时，平台垂荡响应达到最大值，该频率下的响应为共振响应。比较图1a)、b)可知，增加吃水后，垂荡响应最大值减小了22.03%。

通过对平台的纵摇频域响应计算还得到，波向为0°时，增加吃水，半潜式平台纵摇幅值也有比较明显的降低，平台稳性增加。

图2a)为吃水6.23 m情况下半潜式平台对于单位幅度激励波幅对应的响应幅值，图2b)为吃水6.23 m情况下的响应幅值。对比两图可以看出，吃水深度增加以后，在频率大于0.35 rad/s(波浪周期小于18 s)时，半潜式平台的纵摇幅值大幅度减小。

图2 增加吃水前后纵摇的响应幅值

2 锚链刚度对垂荡响应幅值的影响

2.1 配置质量块的方法

锚缆的刚度与锚链端点的位移(也就是半潜式平台的位移)有着很大的关系。本文采用配置质量块的方法提高锚泊刚度。

配置的质量块见图3，在锚缆A处增加一质量块。当平台处于设计的下沉的最低时，质量块在重力作用下坐在海床上，这样不会对平台储备浮力造成影响。当平台从设计的最低位置上升时，链线上移，配置的质量块将对锚链施加一个向下的附加力，抑制平台上升。平台上升的幅度越大，质量块向下施加的附加力也越大，但以质量块的质量力为限。这样一来，使锚缆垂向刚度增加，平台升沉幅度减小。

图3 增加锚缆负重示意

2.2 抑制效果分析

以某半潜式平台为例进行数值计算。服役海域水深为1 000 m，锚泊线配置[4]见图4。

在有配置质量块的情况下，平台采用全锚缆形式锚泊，质量块重100t。利用SESAM/DeepC软件对平台响应情况进行时域分析，得到配置质量块前后的平台响应的结果，见图5、6。

图4 锚泊线分布情况

图5 未配置质量块时半潜式平台的垂荡响应

图6 配置质量块后半潜式平台的垂荡响应

比较图5与图6可知，配置的质量块对半潜式平台的垂荡响应具有比较明显的抑制效果，在950 s的时间历程内，最大幅值由原来的1.2 m降低到1.0 m，减小幅度达20%。

2.3 质量块的重量确定

为了经济地配置质量块，对不同质量下的抑制作用进行计算分析。图7是质量块大小对平台升沉的抑制曲线。

图7 质量块大小对垂荡响应幅值影响效果分析

由图7可以看出，在一定的工程条件下，当质量块质量达到一定大小时，对平台升沉的抑制幅值趋于平稳。因此，配置质量块的重量应取曲线开始趋于平缓处对应的重量，在本文的工程条件下，质量块的重量定为40 t即可。

3 结论

1)在工程允许的条件下，增加平台的吃水深度可以比较显著地降低平台的垂荡幅值，增加平台的稳性。

2)在锚泊情况下，通过在锚缆上配置质量块可以降低平台的垂荡响应幅值。当质量块的重量达到一定值时，抑制效果渐趋平稳。因此，在一定的工程条件下，配置的质量块重量有一个最佳值，在工程实际中应通过计算确定。

[1] 李润培，王志农.海洋平台强度分析[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[2] 田凯强.船舶参数激励-强迫激励非线性运动研究[D].天津：天津大学，1999.

[3] RAN ZhiHuang.Coupled dynamic analysis of floating structures in waves and currents[D].Texas：Texas A&M University,2000.

[4] 韩志勇，陈建民.海上石油工程[M].东营：中国石油大学出版社,2005.