半潜式海洋平台的水动力分析及波浪载荷预报

陈明璐，嵇春艳，刘 珍

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

半潜式海洋平台的水动力分析及波浪载荷预报

陈明璐，嵇春艳，刘 珍

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

基于Morison方程与三维绕射理论相结合的方法，对一深水半潜式钻井平台进行了水动力分析，并进行了基于三维水动力分析的设计波方法的波浪载荷预报，为平台结构设计提供必要参数。同时，对半潜式海洋平台的水动力分析及波浪载荷预报的方法和流程进行了归纳总结。

半潜平台；水动力分析；设计波

当陆上油气资源经过长期、大规模开发之后，世界范围内的油气勘探与开发已转向了广袤的海洋。随着海洋油气开发逐渐向深海推进，传统的导管架平台和重力式平台由于其自重和工程造价的限制，已不能适应深水油气资源开发的需要。另一方面，从我国的现状来看，目前我国南海深水已有了重大的油气发现，而深海钻采设备的开发还处于前期研究阶段，开展深水平台特别是主流设备——半潜式钻井平台的研究和开发是非常必要的。

1 研究方法及现状

Hooft[1]假设半潜式平台可以分为几部分，其尺寸相对于波长足够小，各部分之间的水动力载荷互不影响。半潜式平台的水动力性能研究的方法主要有3种：基于Morison公式计算、基于二维势流理论和基于三维势流理论。

近年来，国内很多学者也对半潜式平台波浪荷载计算方法进行了研究。刘海霞[2]等提出大型半潜式平台的波浪载荷计算采取Morison公式和势流理论相结合的方法，对于小结构物，波浪载荷采用Morison公式计算；对于大结构物，波浪载荷用线性绕射理论计算。李辉[3]等对深水半潜式平台波浪载荷计算的确定性和随机性设计波法进行了研究，并以两艘不同形式的半潜式平台作为实际算例进行了对比分析。王世圣[4]等利用三维水动力模型，对具有不同横撑结构形式的两种典型深水半潜式钻井平台的波浪载荷进行了分析研究。对于半潜式平台这种大型结构物，三维方法理论上讲要比二维方法更为准确，但是三维问题在具体求解计算上还存在较大困难，尚无完整统一的计算方法[5]。

2 基于三维水动力理论的设计波方法

世界上各主要深水油田的海洋环境通常都较为恶劣，并且半潜式平台与一般航行船舶不同，在遇到恶劣海况时不能规避，因而在结构设计阶段必须要考虑其在生命期内可能要遭遇的极限海况，要具备足够的强度抵御“百年一遇”的恶劣海况，以保障人身及财产的安全。目前，各大船级社规范均要求半潜式平台的波浪载荷预报采用直接计算方法，其中波浪载荷预报推荐采用。

基于三维水动力理论的设计波方法主要有确定性及随机性方法，其中，随机性方法通过系统特征波浪载荷响应短期统计预报的极值得到设计规则波波高，考虑了波浪的随机性和不规则性，因而更加科学、合理。采用随机性设计波法，确定设计规则波参数：

（1）根据平台尺度确定各典型波浪工况下的浪向和特征波长；

（2）计算单位波幅的特征响应，即响应幅算子(RAOs)；

（3）计算并设计有义波高Hs；

（4）选择适合海浪谱，采用谱分析的方法计算不规则波中波浪载荷的响应谱；

（5）计算每个海况下的短期预报极值，计算该浪向的最大规则波波幅。

3 数值计算

3.1 海洋平台结构概况及坐标系统

建立一新型深水半潜式海洋平台（第六代）的有限元模型，平台作业水深为3 000 m，最大钻井深度可达10 000 m。平台采用南海恶劣海况作为设计参数，可在南海、西非等深水海域工作。海洋平台的主船体由两个下浮体、四个立柱、四根横撑及两个下浮体组成。两个下浮体由位于立柱下部的四根横撑连接，上部箱体结构由四个立柱与下浮体相连。采用SESAM/GeniE模块建立海洋平台模型，并根据重量报告调整结构重量中心位置。坐标系按照X轴为纵向轴，尾部指向首部为正；Y轴为横向轴，中心线指向左舷为正；Z轴为垂向轴，基面向上为正。海洋平台的有限元模型见图1所示。

图1 半潜平台有限元模型

图2 海洋平台水动力模型

3.2 位移边界条件

海洋平台结构有限元计算时需消除6个自由度的刚体运动，选取3个不共线的节点约束刚体位移，节点取在下浮体的一个与水平面平行的平面内。

3.3 水动力分析

建立半潜式海洋平台在2 400 m工作水深时的水动力模型（如图2），包括采用三维绕射理论计算的湿表面模型和Morison理论计算的Morison模型，以及模拟平台质量的质量模型。

图3给出了半潜平台在16 m吃水下垂荡运动幅值响应函数，垂荡运动对波浪比较敏感的区域频率一般在0.25～0.31 rad/s，频率为0.28 rad/s时响应最大。

图3 半潜平台六自由度响应RAO

3.4 设计波方法

3.4.1 设计海况

由风、流引起的环境荷载较稳定，不会对海洋平台总体结构强度产生明显影响，而且在采用设计波方法进行海洋平台结构设计时可以不考虑风、流荷载的影响，这在ABS及DNV等规范中均有描述，故这部分荷载在本文分析中不予考虑。本文选取海洋平台设计工作区域海况的海浪谱，采用JONSWAP谱，参数如表1所列。

表1 设计海况参数

表2 自存工况下设计波参数

表3 作业工况下设计波参数

3.4.2 设计波参数的确定

根据海洋平台自存和作业工况下的设计海况，基于ABS规范[6]确定设计波参数要求，计算波浪诱导的最大典型剖面载荷，进而确定自存工况和作业工况下的设计波，根据规范要求与工程实践经验，本文选取最大水平分离力、最大纵向剪切、最大扭矩及最大垂向弯矩4种典型荷载确定的设计波参数见表2～表3。

4 结论

本文结合分析实例，研究了一半潜式钻井平台的水动力性能及波浪载荷预报的分析方法和流程。通过理论研究和数值分析可以得到以下结论：

（1）海洋工程结构中，对于大型半潜式平台根据其结构特点采取Morison方程和绕射理论相结合的方法进行水动力分析。基于这一理论方法进行粘性修正，采用SESAM／WADAM计算大型半潜式平台的水动力数值预报，结果可行、可信。

（2）斜浪情况下，纵向剪切和关于横轴的扭矩响应最大，这时对结构的撑杆及平台主甲板的影响较大，对撑杆抵抗纵向剪切及平台甲板的抗扭强度要求较高；横浪情况下，水平分离力响应较大，此时对水平撑杆、主甲板及立柱与上部箱体的连接处强度要求较高；迎浪情况下，垂向波浪弯矩响应最大，此时波峰或波谷位于下浮体中部，对下浮体及平台总体的抗弯能力要求较高。

（3）本文对一深水半潜式平台的六自由度运动进行了理论预报，基本上得到了令人满意的结果。但该结果仍有未考虑的影响因素，如临界阻尼等的影响，所以需进一步进行模型试验，结合模型试验进行局部修正。

[1]HOOFT J P.A Mathematical Method of Determining Hydrodynamic Induced Forces on a Semisubmersible[J].Transaction-Society of Naval Architects and Marine Engineers,1971,79∶28-70.

[2]刘海霞,肖熙.半潜式平台结构强度分析中的波浪载荷计算[J].中国海洋平台，2003,18(2)∶1-4.

[3]李辉,任慧龙,陈北燕,等.深水半潜式平台波浪载荷计算方法研究[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2009,37(3)∶122-125.

[4]王世圣,谢彬,冯玮,等.两种典型深水半潜式钻井平台运动特性和波浪载荷的计算[J].中国海上油气，2008,20(5)∶349-352.

[5]钱昆.浮体在大幅波浪中的运动和荷载计算研究[D].大连∶大连理工大学，2004.

[6]ABS.ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[M]，2008.

Hydrodynamic Analysis and Wave Load Forecast of Semi-submersible Platform

CHEN Ming-lu,JI Chun-yan，LIU Zhen
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China)

Combining the Morison equation and 3D diffraction theory,the hydrodynamic analysis of a deep-water semi-submersible drilling unit was carried out,and wave load calculation was also completed with method of design wave based on 3D diffraction theory.The results provide necessary parameters for structural design of deep-water semi-submersible drilling unit.Meanwhile,the method and procedure of hydrodynamic analysis and wave load calculation for semi-submersible drilling unit were summarized.

semi-submersible platform;hydrodynamic analysis;design wave

P75

A

1003-2029（2012）04-0068-04

2012-02-15

国家自然科学基金资助项目（51209107）

陈明璐（1986-），女，硕士，研究方向为海上结构物性能。Email：chenminglu0119@163.com