液舱建模方法对深水半潜式平台总体强度评估的影响*

吉华宇 刘 俊 周 佳 王 璞

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室 上海 200240； 2.上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心 上海 200240；3.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011)

深水半潜式钻井平台是深海油气勘探和开发的主要装备之一。由于运行环境复杂恶劣，必须对其总体强度进行评估以确保其结构安全[1]。平台作业过程中液舱内的自由液面会由于平台的运动而产生水动力效应，目前在对平台进行总体强度评估时主要采用质量点或液舱模型来模拟。为简化起见，工程上可将液舱内液体的重量用耦合质量点单元进行模拟，不考虑液舱内液体在平台运动时对舱壁产生的水动压力。文献[2]采用液舱模型对半潜式平台进行了总体强度分析；文献[3]考虑液舱内水动力的影响，对全动态模拟方法进行了介绍，并以某驳船为例对液舱模型准静态方法和全动态模拟方法进行了对比;文献[4]采用质量点和全动态液舱2种方法对FPSO模型的波浪载荷及船体运动进行了计算比较，发现半载液舱长度增加时液舱内部水动力对船体的影响增大。质量点建模方式简单，可以反映液舱装载质量分布，但不能考虑液舱内水压力，对结构局部应力水平会有所影响。上述研究主要针对船舶液舱开展讨论,而深水半潜式平台尺寸较大，立柱和浮箱内液舱众多，因此有必要针对液舱的不同建模方法，考察其对平台结构强度评估的影响，明确不同方法模拟的差异及其大小。

本文以我国某第6代深水半潜式平台为目标平台，采用质量点模型、液舱模型(准静态法)及考虑液舱内部水动力效应的液舱模型(全动态法)等3种液舱建模方式对平台进行水动力计算，比较了平台在不同建模方式下的结构响应，分析了不同方法的计算结果的差异，讨论了液舱建模方式对平台总体强度评估的影响。

1 液舱模拟方式及全动态理论简介

目前对液舱可采用质量点建模或借助专业软件通过定义液舱模型来模拟，其中液舱模型可选择是否考虑内部的水动力效应[5]，因此液舱建模方式可分为质量点模型(准静态方法)、液舱模型(准静态方法)和液舱模型(全动态方法)等3种。

采用液舱模型模拟时，准静态方法将液舱内液货看作固体进行运动及载荷计算，而全动态方法除了考虑平台外部流场的势流运动外，还计算平台各个液舱内部的势流运动，并考虑液舱内自由液面运动的辐射问题及其对平台运动回复力的贡献。由于没有波浪能辐射到液舱外部，液舱内部流体不存在势能衰减的问题[4]。

对于理想流体势流问题，无限域自由液面的边界条件为

(1)

式(1)中：φj为6个方向上的速度势，其中j代表6个不同的方向；ω为简谐运动的圆频率；g为重力加速度；z为垂向坐标。

对于液舱内部流体域，由于不存在远处来流的影响，无须计算绕射问题，只须解决边界值问题以及辐射问题。另外，由于液舱内部液面存在垂向的运动速度，增加速度势φp为

(2)

另有

(3)

(4)

式(3)、(4)中：p为流体内部各点压力；ρ为流场密度；t为时间;φ为速度势。

通过对各个液舱以及外部流场的边界值问题进行求解，可以得到各个流场的速度势，进而可以计算液舱内部的水压力[6-7]。

2 目标平台及计算模型

目标平台为我国某第6代深水半潜式平台，其中上部平台为箱式甲板结构，采用4个立柱支撑，左右两侧立柱间各有2个横撑支持；水下部分为双浮箱结构。

如图1所示，水动力模型用于模拟平台的湿表面。对于准静态方法，只须建立平台外部与波浪接触的结构湿表面(图1a)；而对于全动态方法，还须建立所有液舱的湿表面来模拟内部的水动力(图1b)，液舱的装载情况可根据装载手册来定义。对于质量点方法，采用耦合质量点均匀地施加在液舱底板上，并通过设置偏心模拟液舱重心。另外，质量模型可采用结构模型代替，3种液舱建模方式下平台的重心一致。

图1 某第6代深水半潜式平台水动力模型Fig.1 Hydrodynamic model of a 6th generation deepwater semi-submersible platform

3 对平台总体强度评估的影响分析

3.1 计算工况

根据DNV[8]和ABS[9]等相关规范，选取中纵剖面横向力(Fs)、中纵剖面扭矩(Mt-L)、中纵剖面纵向剪力(FL)、中横剖面垂向弯矩(MV-T)、甲板单位质量横向惯性力(aT)、甲板单位质量纵向惯性力(aL)和垂向加速度(aV)等7个危险特征载荷进行计算。

3.2 典型波浪载荷和设计波参数

计算得到平台典型波浪载荷的传递函数，3种液舱建模方式下典型波浪载荷RAO基本一致(图2)。

根据海域环境条件对平台进行短期预报，由典型波浪载荷的短期极值得到设计波参数，3种液舱建模方式得到的设计波参数非常接近(表1)。

由图2、表1可以看出，液舱建模方式对半潜式平台水动力预报影响较小。半潜式平台较小的水线面面积使其具有良好的水动力性能[10]，在波浪作用下平台的六自由度运动相对较小，从而对液舱内部的势流运动影响很小。除此之外，半潜式平台的浮箱被分隔成多个舱室，导致液舱内的自由液面相对较小，液舱内部的水动力对平台典型波浪载荷的影响也越小。半潜式平台的浮箱多为单壳结构，液舱内部的水压力相比外部的波浪压力小很多，其产生的影响更是微乎其微，可以忽略。

图2 某第6代深水半潜式平台典型波浪载荷RAOFig.2 RAO of typical wave load of a 6th generation deepwater semi-submersible platform

表1 3种液舱建模方式下某第6代深水半潜式平台的设计波参数对比Table 1 Comparison of design wave parameters among three modeling methods for a 6th generation deepwater semi-submersible platform

3.3 平台主要结构应力

针对液舱模型，以工况LC3为例比较准静态法和全动态法下液舱舱壁动压力的分布情况(图3、4)。由图3可以看出，液舱装载40%时两者的动压力区间基本相同，但是动压力的分布情况有所差异。由图4可以看出，液舱满载状态下两者的动压力分布情况类似。

LC3工况下3种方法平台的总体应力分布差别不大。由液舱Tank1p_1的结构应力图(图5)可以看出，液舱结构局部应力分布稍有差异，其中质量点模型差异相对较大。

选取应力较大的3个工况，将其各主要构件的应力以及部分液舱的局部应力进行对比(表2)，其中“液舱准静态”和“质量点”列数据为两者计算结果与液舱全动态法结果相比较得到的相对差。

由表2可以看出，质量点方法与另2种液舱模型方法差异略大，一般情况下质量点模型局部应力会偏大一点，但总体来讲3种液舱建模方式得到的结构应力水平比较一致。从液舱局部结构来看，建模方式还是有一定影响，少数液舱局部应力相差较大，如Tank1p_1和Tank1s_1;尤其当液舱位于平台的关键连接部位时，考虑到计算结果的准确性，采用液舱模型更为合理。

图3 某第6代深水半潜式平台液舱Tank31p的动压力(装载40%)Fig.3 Dynamic pressure of Tank31p for a 6th generation deepwater semi-submersible platform(load:40%)

图4 某第6代深水半潜式平台液舱Tank11s的动压力(满载)Fig.4 Dynamic pressure of Tank11s for a 6th generation deepwater semi-submersible platform(load:100%)

图5 某第6代深水半潜式平台液舱Tank1p_1局部应力Fig.5 Local stress of Tank1p_1 for a 6th generation deepwater semi-submersible platform

表2 3种液舱建模方式下某第6代深水半潜式平台的结构应力对比Table 2 Comparison of structural stresses among three modeling methods for a 6th generation deepwater semi-submersible platform

4 结论

1) 采用质量点模型、液舱模型(准静态法)以及考虑液舱内部水动力效应的液舱模型(全动态法)等3种方法，分别对半潜式平台进行了水动力载荷预报以及结构响应计算，并对计算结果进行了对比，结果表明：液舱模型准静态法和全动态法得到的液舱水动压力分布在液舱满载情况下基本保持一致，半载情况下略有差异；3种液舱建模方式下，平台的总体应力分布基本保持一致。相比2种液舱模型，质量点模型下液舱的局部结构应力稍有差别。

2) 相比2种液舱模型来说，质量点模型建模方式相对简单，且计算精度上能够满足工程要求，适合用于半潜式平台的总体强度评估。但如果要进一步分析液舱等结构的局部应力分布，或者液舱位于平台的关键连接部位，采用液舱模型更为合理。