半潜式平台并靠水动力载荷特性分析

丁凯　童波

摘 要：半潜式支持平台可为生产平台提供生活及工程方面的支持，以提高生产平台的效率。而在靠泊时平台间会产生复杂的水动力干扰，因此很有必要对平台并靠泊时的水动力载荷特性进行分析研究。本文基于三维势流理论，在频域内分别计算平台单体以及两平台并靠的水动力干扰，重点研究了平台间距、浪向以及水动力相互作用对各平台水动力载荷的影响，研究结果对平台的靠泊作业有着指导意义。

关键词：平台靠泊;水动力相互作用;一阶波浪力;平均漂移力;遮蔽效应

中图分类号：U656.6            文献标识码：A            文章編号：1006—7973（2019）05-0043-05

半潜式支持平台是为生产平台服务的辅助平台，可以提供给生产平台更多的生活及工程方面的支持，使得生产平台的生产效率得以提高，同时可给平台上工作人员提供一个舒适的居住坏境。另外，生活平台通过栈桥与生产平台连接，将传统生产平台中的生活区与生产作业区分离出来，在生产平台发生重要事故等紧急情况下，人员可以从生产平台撤离到支持平台保证人员安全。

与平台单体水动力响应不同的是，由于靠泊时两个平台通过栈桥连接在一起，一个平台的运动响应会受到另一个平台的影响，同时，又会引起平台间流场特性的改变，对另一个平台的响应产生干扰[2]。很多学者进行了关于多浮体水动力响应的研究，S.A. Sannasiraj等人[3]通过二维数值模拟方法发现了多浮体间的共振频率点，并分析了浮体间的遮蔽效应。Buchner[4]采用数值模拟与模型试验相结合的方法研究了双船旁靠布置时多浮体间动力响应干扰问题。付强等[5]计算了旁靠系泊油船与FPSO频域内的水动力相互作用，发现穿梭油船波浪力受影响较大，同时平均漂移力的相互影响主要集中在高频段。周珂、胡志强等人[6]对不同浪向下双船旁靠问题进行了研究，发现水体共振加剧了浮体的运动响应，并对浮体受到的平均波浪漂移力产生了较大的影响。

综上可知，目前的研究工作一般是针对FPSO的外输旁靠系统，而对于两座半潜式平台海上靠泊时的水动力响应问题研究很少。本文主要针对半潜式生活平台与生产平台靠泊状态的浮体间水动力特性展开研究。

1 计算方法

目前，多浮体系统受到的一阶波浪载荷一般采用三维势流理论进行计算，总速度势Ф可表示为：

式中：ω为入射波的频率，?I、?D、?R分别为入射波速度势、绕射波速度势和辐射势。

考虑多浮体A和B之间相互影响，单位简谐波作用下总的速度势可以表示为：

式中：?Ia、?Ib表示浮体A和B的入射波速度势;?Daa、?Dba分别表示浮体A的绕射波速度势以及浮体B的存在对浮体A绕射势产生的影响，?Dbb、?Dab同理;?Riaa表示浮体A第i自由度的辐射势，?Rjba表示浮体B第j自由度的运动对浮体A第i自由度辐射势的影响，?Rjbb、?Riab同理;xia和xjb分别表示浮体A第i自由度的位移和浮体B第j自由度的位移。

对结构物湿表面进行离散，利用源汇分布法模拟流场，结构物表面速度势可以通过格林函数拟合得到[7]。之后由伯努利方程可以得到浮体湿表面的压力分布如下：

式中：ρ为流体密度;P为单元上的动压力。

省略伯努利方程中的高阶项，对浮体的湿表面进行积分，则可求出作用在浮体上的一阶波浪力。

通常计算平均波浪漂移力的方法有近场法和远场法。远场法计算较近场法简洁，但只能给出平均波浪漂移力中三个水平方向的分量[8]，并且在多体计算中，只能得到作用在两个结构上总的平均漂移力，而使用近场法则可以分别计算得到两座平台上6个自由度的平均波浪漂移力[9]，所以本文水动力采用近场法计算。

2 水动力计算模型

2.1平台主尺度

半潜式生活平台进行靠泊时，通过栈桥与生产平台连接。本文中栈桥的初始长度为38.5m，故靠泊初始时两平台间距为38.5m左右，靠泊时两座半潜式平台的相对位置如图1所示。

生活平台向生产平台靠泊进行人员输送一般都在良好的海况条件下进行，所以本文只针对两平台的作业工况开展研究。两平台主尺度以及在作业工况下的吃水、排水量等信息如下表所示：

2.2水动力计算模型

本文计算采用的生活平台和生产平台的湿表面横、纵对称，全局坐标系原点位于生产平台水平面中心位置，靠泊时两平台舷侧相互平行，中心连线与Y坐标轴重合。坐标系及环境载荷方向定义如图2所示。根据两平台外形尺寸，建立水动力计算模型，如图3所示。

3 平台间距对浮体系统水动力性能作用

本文中栈桥可以有±8m的伸缩量，所以分别选取30.5m、38.5m、46.5m进行多体水动力分析，并同平台单体计算结果进行比较。因为靠泊时，纵荡、横荡以及艏摇三个自由度的运动会导致两平台相对位置发生较大变化，所以主要研究水动力相互作用对这三个自由度波浪载荷的影响。

3.1平台间距对浮体一阶波浪力的影响

图4为浪向角为0°时，生活平台和生产平台单体以及两平台间距为30.5m、38.5m、46.5m时纵荡、横荡和艏摇三自由度受到的一阶波浪力曲线。

由图4可知，浪向角为0°时，平台单体和考虑水动力相互作用之后不同平台间距时的纵荡波浪力曲线差别均不大。由于结构的对称性，平台单体横荡和艏摇自由度所受一阶波浪力几乎为0，考虑两平台相互作用之后，波浪力曲线在周期20s以内发生了很大变化，这是由于流场相互影响产生的平台间隙水体振动引起的，说明间隙水体振动的周期在20s以内。考虑水动力相互作用之后，不同间距对应的两平台横荡和艏摇一阶波浪力曲线同样差别不大。

3.2平臺间距对浮体平均波浪漂移力的影响

对于油船旁靠情况，浮体间距较近时，水动力相互干扰对平均波浪漂移力的影响程度要大于其它水动力参数[10]。因而在两平台靠泊时，也很有必要研究水动力相互作用对平均波浪漂移力的影响。

图5为浪向角为0°时，生产平台和生活平台单体以及两平台间距为30.5m、38.5m、46.5m时纵荡、横荡和艏摇三自由度受到的平均波浪漂移力曲线。

由图5可知，波浪0°入射时，平台单体和考虑水动力相互作用之后不同平台间距时的平均波浪漂移力曲线差别不大。横荡和艏摇方向的平均波浪漂移力曲线波动明显，且不同间距对应的平台横荡和艏摇自由度平均波浪漂移力曲线之间的差异大于一阶波浪力曲线，平均波浪漂移力比一阶波浪力对平台间隙水体振动更加敏感。由水动力相互作用产生的两平台横荡和艏摇自由度的平均波浪漂移力在方向上具有对称性，例如横荡自由度生产平台受力为正值的周期段，生活平台受力为负值。

4 波浪方向对浮体系统水动力性能作用

本节对38.5m间距情况下，浪向角为90°、135°、180°、225°、270°时，两平台受到的一阶波浪力和平均波浪漂移力进行了分析。

4.1 波浪方向对浮体一阶波浪力的影响

图6为平台间距38.5m时，生产平台和生活平台单体以及两平台在不同浪向条件下纵荡、横荡和艏摇三自由度受到的一阶波浪力曲线。

由图6可知，90°、270°浪向以及135°、225°浪向下的一阶波浪力曲线差别不大，这是由于两平台距离较远，遮蔽效应不明显造成的。90°、270°方向的波浪不能引起明显的纵荡和艏摇载荷，而180°方向的波浪却能引起较为显著的横荡和艏摇自由度的波浪力，这个规律在不同浪向的平均波浪漂移力曲线中也有体现，此种现象表明：

（1）纵浪比横浪更容易引起两平台间明显的水动力相互作用;

（2）横荡和艏摇自由度的波浪载荷比纵荡自由度更容易受到水动力相互作用的影响。

以上现象的产生主要与两座半潜式平台旁靠时沿纵向平行布置有关。首先波浪纵向入射时，平台对波浪的散射作用会使另一平台受到横向载荷从而产生横向运动。平台间的缝隙内入射波、绕射波和辐射波叠加，引起平台长度方向受力的不均匀，从而产生艏摇力矩。同时因为两座半潜式平台主尺度不同，整个靠泊系统只关于Y轴对称而不关于X轴对称，系统的不对称性会加剧横向载荷和艏摇力矩的产生。平台横荡、横摇和艏摇运动产生的辐射波能量可以很大程度上传递到平台间的缝隙内，引起另一平台的受力，而纵向运动的辐射波则不会对另一平台产生很大影响。

4.2波浪方向对浮体平均波浪漂移力的影响

图7为平台间距38.5m时，生产平台和生活平台单体以及两平台在不同浪向条件下纵荡、横荡和艏摇三自由度受到的平均波浪漂移力曲线。

由图6和图7可知，由于平均波浪漂移力对间隙水体振动更为敏感，所以不同浪向角对应的平均波浪漂移力曲线之间的差异比一阶波浪力曲线要大。同时由于平均波浪漂移力具有方向性，所以90°和270°以及135°和225°两组浪向下，平台横荡和艏摇平均波浪漂移力的方向接近对称。

5 结论

本文对两平台间水动力相互作用以及平台间距和波浪方向改变对每座半潜式平台一、二阶波浪载荷造成的影响进行了研究，得出以下结论：

（1）因为两平台靠泊时初始间距较大，约为半潜式平台下浮体宽度的2倍，且±8m的间距增减没有改变两平台初始间距较大的情况，所以在主要受力方向上两平台波浪载荷受平台间距变化影响不大，两平台之间不存在明显的遮蔽效应。

（2）平台受到的二阶波浪载荷对间隙水体的振动较为敏感，水动力相互作用对平台二阶波浪载荷产生的影响要大于一阶波浪载荷。

（3）由于两平台平行旁靠时的相对位置以及多浮体系统自身的对称性，使得纵浪比横浪更容易在两平台之间引起明显的水动力相互作用，间隙水体振动对不同自由度波浪载荷的影响程度也不相同，横荡和艏摇自由度的波浪载荷比纵荡自由度更容易受到水动力相互作用的影响。

（4）两平台间隙水体振动的周期小于20s，因为实际海域中波浪周期一般都在20s以内，所以考虑两平台水动力相互作用是必要的。

参考文献：

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[10] Willenijn H. Pauw， Rene H. M. Huijsmans. Advances in the Hydrodynamics of Side-by-Side Moored Vessels[C]. Proceedings of the 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering， San Diego， California， USA： OMAE， 2007.