张力腿平台拖航阻力分析及试验研究

王火平， 张广磊， 高静坤， 杨小龙， 刘旭平

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518067; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

张力腿平台拖航阻力分析及试验研究

王火平1， 张广磊2， 高静坤2， 杨小龙2， 刘旭平2

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司, 广东 深圳 518067; 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

以流花16-2 张力腿平台工程前端设计方案为例，TLP平台拖航具有浮体结构形式特殊、深吃水拖航、拖航距离长等特点，对其拖航阻力计算分别采用规范经验公式、数值模拟方法和风洞试验方法进行了对比分析，为平台拖航确定合适的拖带船只提供了准确依据，并得出对于张力腿平台拖航阻力预报宜采用数值模拟分析方法的结论。研究结果可为南海今后TLP平台拖航方案设计提供参考。

张力腿平台； 拖航阻力； 规范经验公式； 数值模拟； 风洞试验

0 引言

张力腿平台(tension leg platform，TLP)是目前世界上应用较广泛的深水开发浮式装备之一，一般作为永久式生产平台使用，目前应用水深最深为1 580 m，最浅为147 m。近年来，随着我国南海深水油气开发的逐步深入，中海油2015年首次以流花区域油田群为目标完成了张力腿平台技术应用研究工作，为建成我国首座深水张力腿平台迈出了实质性的一步。

该文以流花16-2张力腿平台工程前端设计方案为例，此平台拟在我国北方某船厂建造合拢后以整体湿拖方式拖带至流花16-2油田与预安装的张力腿系统进行最后连接，拖航距离约1 300海里(1海里=1.85 千米)。该平台拖航具有浮体结构形式特殊、拖航距离长、深吃水拖航等特点，为了确保长距离的拖航作业安全，需要准确确定张力腿平台在拖航过程中受到的阻力，为选择合适的拖带船只提供依据。

1 流花16-2张力腿平台主尺度

流花16-2张力腿平台主要由上部组块、钻井模块、船体、张力腿及桩基系统、顶张式立管系统等组成，如图1所示，流花16-2张力腿平台主尺度见表1，其中船体采用传统型TLP结构形式，具有自由漂浮稳性，主要包括4个垂直的圆形立柱和4个首尾连接的方形浮箱，张力腿顶部则直接连接于船体底部的支撑锚固结构。

图1 流花16-2张力腿平台示意图

表1 流花16-2张力腿平台主尺度

2 流花16-2张力腿平台拖航阻力分析

大型海洋结构物的拖航阻力计算通常可以采用规范经验公式或数值模拟计算方法，并通过试验作进一步验证[1]。下面对各种计算方法进行说明，并对计算结果进行对比分析。

2.1 规范公式计算

(1) 中国船级社(CCS)规范计算

根据CCS的《海上拖航指南》推荐的阻力估算方法，对于受风面积特别庞大的TLP，其拖航阻力应按下式计算[2]：

式中：Rf为被拖船的摩擦阻力；RB为被拖船的剩余阻力；A1为船舶或水上建筑物的水下湿表面积，m2；V为拖航速度，m/s；δ为方形系数；A2为浸水部分的船中横剖面积，m2；ρ为空气密度，kg/m3，按1.22 kg/m3计算；V为风速，m/s，取20.6 m/s； Ai为受风面积，m2，按顶风计算； Cs为受风面积Ai的形状系数，按本指南所列数值选取。

其中：湿表面A1如无详细资料，可按如下方法求得：

正常船舶：

运输驳船、首尾有线性变化的箱型船：

没有任何载重线型变化的箱型船及水下结构：

式中：L，B，d分别为船长、船宽和拖航吃水，m；δ为方形系数。

(2) 英国规范的经验公式计算

参照英国OPL出版社出版的油田海船第四卷《Towing》一书，其推荐了拖航阻力的估算方法，介绍如下：

(a) 摩擦阻力估算方法：

除了考虑被拖物在水中的湿表面积A1和拖航速度外，还引入了船舶污底系数F1，比较客观地反映了船体水下湿表面的真实情况。对被拖物湿表面生长有不同海生物的情况进行分类，选择合适系数，估算得到的摩擦阻力和实际比较吻合。被拖物污底系数F1的取值，见表2。

表2 被拖物污底系数

(b) 剩余阻力估算方法

式中:A2为船中横剖面积；V为航速；F2为被拖物艏部形状系数，形状系数的选取如图2所示。

图2 被拖物艏部系数F2

(c) 空气阻力估算方法

式中：VW为风速；V为航速；Cs为受风面积形状系数；Ai为受风面积；CH为高度系数。

2.2 数值模拟计算

使用WINDOS软件进行拖航阻力的计算，该软件是用来计算海洋工程结构物风载荷和流载荷的一款常用软件，其计算方法是船级社风载荷和流载荷计算公式和模型试验的经验系数相结合预报风载荷和流载荷。WINDOS程序通过建立模型和参数输入预报TLP水下浮体结构风力和流力，WINDOS模型如图3所示。

图3 WINDOS计算模型

2.3 拖航阻力风洞试验

使用1∶150的模型进行风洞模型试验，试验包括水上部分的风力计算和水下部分的流力计算，图4、图5是模型试验使用的模型图。

图4 风洞试验水上部分模型

图5 风洞试验水下部分模型

2.4 计算结果对比

列出了上文提出的四种方法的计算结果，四种算法中实际环境条件中的流速为0，流载荷的产生是由于航速引起的，风速则是按照CCS中的20.6 m/s进行计算风力。Rc为流力，在规范中分成了摩擦阻力和剩余阻力；CCS规范中的Ra为风力，方便和其他方法计算的风力进行对比，用Rw表示。在Towing的计算中，污底系数取值为0.5，形状系数取值为1。四种方法的计算结果如见表3、表4，在图6中分别对比了风力、流力和总的阻力。

表3 规范计算结果

表4 数值分析和风洞试验计算结果

图6 不同计算方式下拖航速度-载荷对比图

通过表3、表4和图6对比发现，数值分析和风洞试验的结果比较接近，在总阻力对比的图形中只有CCS的总阻力和其他三种方式的计算结果差距较大，主要原因是由于CCS的流载荷计算结果偏差太大所导致。下面对CCS的流载荷偏差的原因进行分析。

规范中流载荷包括有摩擦阻力和剩余阻力，参考Towing中关于摩擦阻力和剩余阻力的计算公式，两者分别和被拖物的污底系数和形状系数相关。若按照Towing的规范公式计算，污底系数和形状系数取的越小越接近CCS公式计算的结果，可以简单推测CCS的计算公式适合计算被拖物湿表面干净且艏部更接近船型的结构物。

拖航阻力计算的目的是为了拖轮的选型，现有规范中对拖轮的选型主要从两个方面考虑[3]：

(1) 在以下环境条件下应确保拖带航行稳定，一般以作用在同一方向的下列气象与海况环境条件进行衡定：风速20 m/s；有义波高5 m；流速0.5 m/s。

(2) 拖船在静水中拖航速度一般应满足如下要求：自升式钻井平台及其他水上建筑不小于4 kn。

张力腿平台可归为其他水上建筑，按照上面的两个要求进行计算，选择结果较大的作为拖轮选型的依据。以此次的张力腿平台拖航为例，按照数值分析进行计算，计算结果见表5。

表5 实例计算结果

拖轮需要同时满足上面的两个要求，即拖轮的选型需要满足372 t的拖航阻力的要求。

3 结论

通过以上对不同方法计算张力腿平台航阻力的对比分析，其主要结论如下：

(1) 对张力腿平台的拖航阻力，用规范的经验公式计算出来的结果与试验结果有较大偏差，主要是其下浮体的结构型式与具有流线型的船舶、半潜式钻井平台等不同，导致剩余阻力很大。

(2) 对于张力腿平台的拖航阻力，建议采用较为先进的数值模拟分析方法，并采用风洞试验作进一步验证，才能为选择合适的拖带船只提供准确的依据，并确保平台拖航作业安全。

[1] GL Nobel Denton.Guidelines for Marine Transportations: 0030/ND[S]. 2013.

[2] 中国船级社.海上拖航指南[M]. 2011.

[3] 沈浦根.谈拖航阻力的估算[M]. 航海技术, 2011(5):9-12.

TLP Towing Force Analysis and Test Study

WANG Huo-ping1, ZHANG Guang-lei2, GAO Jing-kun2, YANG Xiao-long2, LIU Xu-ping2

(1.CNOOC China Ltd Shenzhen Branch, Guangdong Shenzhen 518067, China; 2.Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianiin 300451, China)

Take Liuhua 16-2 TLP FEED design as example, the TLP towing design are with features such as unique hull configuration with square pontoon, deep towing draft, long towing distance. A comparison and analysis of the TLP towing forces is performed with code formula, numerical simulation and wind tunnel test respectively to provide accurate basis for proper TLP towing tug selection, and it can be concluded that the TLP towing force prediction of the floating installation is more credible. This study results can be used as reference for future TLP towing design in the South China Sea.

TLP; towing force； code formula； numerical simulation； wind tunnel test

1001-4500(2016)06-0078-06

2016-01-12

王火平(1980-)，男，工程师。

P75

A