深海半潜式平台的水动力及系泊系统时域耦合分析

王　玮， 刘小飞， 祝庆斌

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨150001)



深海半潜式平台的水动力及系泊系统时域耦合分析

王玮， 刘小飞， 祝庆斌

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨150001)

摘要：该文利用有限元分析软件ANSYS和水动力计算软件AQWA进行了有限元建模和水动力特性研究。考虑复杂的海洋环境载荷，包括随机波浪载荷、风载荷和流载荷的多重作用，浮式平台与系泊缆索之间的相互影响，采用时域耦合的分析方法对深海领域复杂工况下的半潜式钻井平台的水动力性能和系泊性能进行了分析。研究结果表明，规则波频域下，在纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇各方向上，附加质量和附加阻尼随着波浪频率的增加，呈现先增大后减小的趋势，但局部均有起伏，平台在高频波浪区域内运动性能表现良好，响应幅值较小。同时，通过将浮式平台和系泊系统进行时域耦合分析，得出在环境力入射角为45°时，平台运动响应的幅值和系泊系统缆索的最大张力符合规范要求。

关键词：半潜式平台；水动力性能；系泊系统；时域耦合分析

0引言

浮式平台系泊系统的有效程度会随着平台工作水深的逐渐加深而越来越差，其中的主要原因有：系泊的钢链和钢缆的长度、重量、导缆孔处的倾角都会随水深增大而变大，这一系列的变化都会使系泊缆索作用在平台上的拉力增大，因此平台需要的浮力增大，同时降低甲板的承载能力；而且根据悬链线式的系泊缆绳布置形式，系泊系统在深水区域的水下有着十分广的覆盖范围，因而会对在该水域周围的海洋作业带来不利影响[1，2]。通常1 000 m是悬链线式系泊系统能够继续合理工作的极限作业水深，所以一般大型深水结构物在其工作水深达到1 000 m～3 000 m左右时，是不能采用悬链式系泊系统作为其定位系统的。

在中国，最主要的油气勘探区域是南海海域，其海况恶劣，对浮式平台的系泊系统提出了很高的要求，即系泊系统需要更加合理，浮式平台的定位能力和系泊强度要求更高。在深水海域的浮式平台及其系泊系统运行时，由于其常年保持着工作状态，长期承受恶劣的海洋环境载荷作用，承担着诸多不确定环境因素的影响。因此，在进行深水海域系泊系统的定位能力和系泊强度设计和校核分析时，需要攻破诸多复杂的力学问题。目前研究系泊系统特性的重要手段主要有两种，即理论分析和数值模拟。

就深水浮式平台系泊系统的工作状态而言，有些研究学者提出了应该考虑复杂的动力学分析，提出基于系泊线伸长的非线性、系泊线几何非线性、流体载荷非线性、与海底接触非线性四大非线性问题[3]。

深海浮式平台系统运动响应受到系泊的动态特性的影响，并且随着水深的加深影响愈发明显，所以必然发展了耦合的时域分析方法。这种方法是通过把浮式平台的浮体和浮式平台的系泊系统作为一个耦合的整体来考虑，采用弹性杆模型来代替系泊的动力响应模型，同时考虑系泊系统的动态特性，应用有限元分析的方法，通过数值方法分析系泊系统的运动响应方程；其次将深海平台浮体的运动方程与其系泊的响应方程进行耦合，在时域下迭代计算其得到的耦合方程；最终经过处理得到深海浮式平台浮体的运动响应及其系泊系统的动力响应特性[4-7]。

1半潜式平台环境载荷与系泊缆索的参数

该文以半潜式平台为研究对象，平台具有双浮体，四立柱对称布置，将主甲板和浮体连接。平台关于xz, yz平面基本对称，平台模型参数见表1。

表1　平台参数

1.2半潜式平台系泊系统参数

平台采用张紧式系泊系统，API-RP-2SM规范作为参考依据，系泊系统由8根系缆组成，每根系缆由2种材料组成，缆索对称布置，缆绳夹角22.5°，缆绳水平角度45°，张力倾角45°，缆索具体数据见表2。

表2　锚泊链参数

1.3海洋环境条件

在半潜式平台系泊系统的运动响应分析过程中，考虑了平台在自存工况和作业工况下的环境载荷，工作水深1 200 m，自存工况下的环境载荷采用巴西海域十年一遇的海况下的风载荷、浪载荷和流载荷。波浪载荷采用JONSWAP谱，起始频率和终止频率分别0.252 Hz和1.400 Hz，Gamma值1.78，有义波高7.8 m，频率峰值0.465 Hz，浪向45°。根据API规范的风载荷，风速22.44 m/s，风向45°,具体数据分别见表3，表4。

表3　巴西海域十年一遇海况

表4　巴西海域流载荷

图1　半潜式平台的水动力模型

2计算结果分析

2.1半潜式平台的水动力性能分析

分析平台的水动力性能涉及以下3个方面：规则波中平台的受力情况和运动响应、分析附加质量和附加阻尼的频域特征、所受波浪力和平台运动响应传递函数(RAOS)等相关的水动力力学参数，半潜式平台的水动力模型如图1所示。

2.1.1附加质量和附加阻尼

歌词二：风雪之中咳嗽/依偎在她胸口/你要离开/这清贫如水巷口/走出后/不再回头/她立春/她立秋/她人比黄花瘦/霜白了头

由三维势流理论可知，在半潜式平台的立柱作小振幅的、周期性的振荡时，周围的流体也将会引起运动，形成向外运动的辐射波。这种辐射波会对立柱产生作用力和力矩，其中对应于半潜式平台立柱运动模态的振荡的加速度和速度分量就是附加质量和附加阻尼。该文中采用4 s～35 s周期的单位振幅的规则波，计算得到了相应的附加质量和附加阻尼系数。

总体而言，平台在六个自由度的各方向上的附加质量明显与波浪频率密切相关，随着它的增加先增大后减小，但局部均有起伏，横摇方向上附加质量的起伏最为明显，艏摇方向上的附加质量随频率的变化相对较为平缓。横向比较而言，平台在横摇、纵摇、艏摇这三个方向上的附加质量比三个方向上的附加质量在数量级上大很多。

平台在六个自由度的各方向上的附加阻尼随着波浪频率的增加大体呈现先增大后减小的变化特征，但局部均有起伏，横摇方向上附加阻尼的起伏最为明显。同时在低频区，各方向上的附加阻尼都很小，且变化不大。此外，在横摇、纵摇、艏摇三个自由度上的附加阻尼在数量级上远大于其他三个方向上的附加阻尼。

由此可见，半潜式平台的附加质量系数和附加阻尼系数与平台所处的波浪的频率关系密切，附加质量系数和附加阻尼系数在频率的中间段变化幅度都很大，即在常见的波浪周期内，附加质量和附加阻尼受频率影响明显，但低频和高频时都趋于缓和，趋于某个常数值，并且附加阻尼系数趋于零。

2.1.2波浪激励力

入射波在考虑了绕射影响后对无摇荡物体的作用力称为一阶波浪力，其包括入射波浪力和绕射波浪力。

由于数据较多，仅以波浪入射角为-180°为例，比较得出同一波浪入射角下，各个自由度所受波浪激励力。

各波浪入射角下平台在各自由度方向上的一阶波浪激励力情况见表5。

表5　各波浪入射角下平台所受波浪激励力

由表5可知，由于平台大体上既关于x轴对称，又关于y轴对称，所以平台受到的波浪激励力在波浪入射角关于坐标轴对称时也大体相同。

2.1.3半潜式平台响应

由于数据较多，仅以波浪入射角为-180°为例，比较得出同一波浪入射角下，各个方向上平台的运动如图2、图3所示。

图2　平台运动响应　　　　　　　　　　　　图3　平台运动响应

根据以上的受力分析结果，同时根据平台的模型特征，在分析各种波浪入射角下平台在各个方向上的运动自由度时，列出-180°，-135°，-90°三种角度的情况，三种波浪角下平台各自由度响应见表6。

表6　三种波浪角下平台各自由度响应

结合其他波浪入射角情况下的平台运动响应，可以得出平台在低频波浪作用下的运动响应较大，而在高频波浪区域的运动趋于稳定，运动幅值较小。在波浪方向为-180°时(平行于船首方向)，纵荡、垂荡、纵摇三个自由度上的响应较大，其他方向上响应较小；在波浪方向为-90°时，即垂直于船首方向，平台在横荡、垂荡、横摇这三个自由度上的响应较大，其他方向上响应较小；当波浪方向在-135°，即波浪为斜浪，平台在各自由度上的响应都较大。

2.2半潜式平台系泊系统时域耦合分析

以水动力性能分析为基础，建立半潜式平台系泊系统的模型，对平台在波浪载荷、风载荷、流载荷的联合作用下，进行时域耦合分析，从而得到半潜式平台的波浪荷载时程、运动响应时程、系泊缆索张力时程等数据，进而分析系统的运动和动力响应特征。系泊模型如图4所示，平台与系泊耦合模型如图5所示。

图4　系泊模型　　　　　　　　　　　　　　图5　平台系泊耦合模型

2.2.1浮式平台系泊系统时域耦合计算数据分析

运动响应时程相关数据见表7。

表7　运动响应时程分析

由表7分析可知，该半潜式平台纵荡的最大值可达40 m，小于深水海域浮式平台的作业要求，即最大值小于平台作业水深的6%。因为海况为十年一遇的自存工况，所以此时的运动响应满足平台设计的要求。

系泊缆索受力时程数据见表8。

表8　系泊缆索受力时程数据

为保证平台安全进行作业，定义系泊线的张力安全系数，即系泊线的断裂强度和其所受张力的比值。根据API-RP-2SK的规范要求，在对系泊系统进行动态分析，系泊系统完整时，系泊线的张力安全系数应大于1.67。根据表7结果，受力最大的缆索编号为4号缆索，计算可得其安全系数为1.72，满足规范要求，略大于规范的安全系数要求，因此还有很大的优化空间。

3结论

该文以半潜式平台为研究对象，研究分析了浮式平台系泊系统的动力响应。基于三维势流理论，分析了半潜式平台的水动力性能，研究发现：在常规波浪情况下，半潜式平台的附加质量系数和附加阻尼系数与所处的波浪频率关系密切，附加质量系数和附加阻尼系数在频率的中间段变化幅度较大，但低频和高频时都趋于缓和，趋向于某个常数值，并且附加阻尼系数趋向于零。平台在低频波浪作用下的运动响应较大，而在高频波浪区域的运动趋于稳定，幅值较小。

一般来说，风、浪、流载荷同向时，系泊系统受力最大，文中假定的三种载荷方向均为45°，由计算结果可知，在自存工况下，平台的纵荡响应最大，达到40 m，平台最大偏移量没有超过自存工况允许水深的6%。同时，对该平台初步设计的8根缆对称的系泊系统与半潜式平台时域耦合初步验证，系泊系统完整时，受力最大的四号缆索的安全系数为1.72，大于API规范要求的安全系数1.67，满足规范要求。

参考文献

[1]由际昆，王言英．深水半潜式平台绷紧索系泊系统设计研究[J]．中国海洋平台，2009，24(1)：23-30.

[2]冯爱春, 尤云祥, 范菊. 不规则波中半潜式平台及其系泊系统动力响应分析[J]. 海洋工程, 2010, 3(1):3-5.

[3]陈新权, 谭家华. 深海半潜式平台系泊系统设计研究[J]. 中国海洋平台, 2011,26(1):4-8.

[4]唐友刚，张素侠，张若瑜等．深海系泊系统动力特性研究进展[J]．海洋工程，2008，26(1)：120-126．

[5]Pierre Y C, Robin S L. Nonlinear dynamics of deep-water moorings[C]. OMAE, 2001.

[6]Chatjigeorgiou I K. On the parametric excitation of vertical elastic slender structures and the effect of damping in marine applications. Applied Ocean Research, 2004, 26(6): 18-25.

[7]童波，杨建民, 李欣. 深水半潜平台悬链线式系泊系统耦合动力分析[J]. 中国海洋平台 2008, 23(6)：40-45.

Analysis on the Hydrodynamic Performance and Mooring Scheme of the

Deepwater Semi-submersible Platform

WANG Wei, LIU Xiao-fei, ZHU Qing-bin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：ANSYS and AQWA are used to analyze the hydrodynamic performance of semi-submersible platform. The complexity of the marine environment load, including random wave loads, wind loads and current loads, in addition the interaction of floating platforms and mooring ropes are considered. Time-domain analysis method is used to analyze the hydrodynamic performance about the semi-submersible drilling platform and mooring performance in the complex conditions of the deep sea areas. The results showed that under regular wave frequency domain analysis, in vertical surge, sway, heave, roll, pitch, yaw all directions, with increasing frequency waves, the additional mass and damping generally increases first and then subtract small trend, but local has ups and downs. The platform has good performance in the area of high-frequency waves and response amplitude is small. According to time domain coupling analysis of floating platform and mooring system, the platform motion response amplitude and rope mooring system maximum tension are calculated when the environmental forces incident angle of 45 degrees and the maximum tension conforms to the requirements of the specification.

Keywords：semi-submersible platform; hydrodynamic performance; mooring system; time-domain coupling analysis

基金项目：国家自然科学基金青年 (51409260); 山东省自然基金面上项目(ZR2012EEM023)；中央高校基本科研业务费-专项资金资助(14CX05035A)。

收稿日期：2014-12-24

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0049-06

作者简介：王玮(1979-)，女，讲师。