半潜式平台四立柱波浪爬升及气隙试验

张 曦,范 露,李 天

(1.中国水产科学研究院 渔业工程研究所,北京 100141;2.江阴职业技术学院,江苏 无锡 214000)

0 引 言

为适应深海油气发展的要求，半潜式平台具有性能优良、运动响应较小、工作水深范围广、抗风浪能力强、甲板面积大和装载能力强等优点，在海底石油勘探和开采中得到了广泛应用。同时，复杂的深海环境对半潜式平台的设计安全提出严峻的挑战[1]。其中，气隙作为一项十分重要的安全指标直接影响生产作业和人员的自身安全。

气隙被定义为平台下甲板与波面的垂直距离，负气隙往往会引起下甲板砰击和越浪等强非线性现象，导致平台结构的破坏和倾覆[2]。增加平台初始气隙花费巨大，且受稳定性因素的制约，准确预报平台气隙分布响应显得至关重要。影响半潜式平台气隙分布的因素包括平台与系泊缆全系统在波浪中的耦合运动响应[3-4]、平台立柱的波浪爬升[5-6]和平台立柱间波浪的近场干涉效应[7-8]等，这些因素具有强烈的非线性特征，使平台周围的波面发生剧烈变化，局部区域的波高明显大于未受干扰的入射波波高，从而对平台的气隙性能产生较大影响。

目前，还没有一种完善的方法可较为准确地计算平台的气隙分布，因此模型试验研究依旧为半潜式平台设计阶段气隙性能研究的重要环节。冯雪磊[9]和XIAO等[10]分别对半潜式钻井平台进行模型试验，探究规则波和不规则波作用下平台气隙的统计特征。SHAN等[11]采用试验研究气隙分布与波浪参数的关系，认为在相同的波浪周期内，波陡越大，气隙越小，说明入射波的非线性效应会放大波高程。单铁兵[12]对立柱绕射和波浪爬升效应的发生机理、不同的立柱横剖面形状和入射角度、波流非线性耦合、多柱结构的水动力干扰、半潜式平台波浪爬升、气隙响应和非线性砰击效应等进行较为深入的研究。同时，也有少数学者[13-15]关注风、流两种载荷对半潜式平台气隙的影响，认为在风浪流联合作用下，平台气隙将进一步减小，出现负气隙的概率更大。

本文基于海洋结构物在波浪中的相似准则，开展系泊模式下半潜式平台水池模型试验，包括规则波和典型极限不规则波试验。采用在平台甲板下布置浪高仪、在立柱外侧及内测布置钽丝的试验方法测量平台气隙和爬升高度，同时采用光学非接触式六自由度运动测量仪确定平台运动响应幅值，分析确定系泊模式下平台气隙的分布规律。

1 模型试验方案

1.1 模型参数及测点布置

半潜式平台试验模型采用玻璃钢、木料和金属材料加工而成。模型与实体之间应满足几何相似、弗劳德数相似和斯特劳哈尔数相似，考虑水池的尺度和造波能力，平台缩尺比λ=1∶49。排水量、重心位置、转动惯量等参数通过调整压铁重量和空间位置采用惯量架进行测量，保证各项指标满足设计要求，可重复性达98%。半潜式平台模型主要参数如表1所示。

表1 半潜式平台主要参数

计算中坐标定义如图1所示：坐标系原点在平台重心处，x轴以指向尾部为正，y轴以右舷为正，z轴以竖直向上为正，浪向角β定义为与x轴正向的夹角。在半潜式平台模型甲板中心位置处布置六自由度运动测定仪LED指示灯，采用非接触式光学运动测量仪测量模型的运动响应。通过测定不同区域的波高变化情况，研究平台近场干涉效应。图1给出浪高仪的具体布置位置：浪高仪w14位于远场；w14与w5间距为6.0 m；平台内部布置13个浪高仪，w10～w13位于立柱附近，其他布置于内场；w1～w13浪高仪位置保持不变，用于监测内场波浪抬升，获取气隙分布规律。同时，在各立柱中央水线附近布置8根电阻式钽丝R1～R8，监测立柱壁面波浪爬高值。半潜式平台模型及传感器分布状态如图2所示。

图1 坐标系及监测点布置

图2 半潜式平台模型及传感器安装示例

1.2 系泊系统设计

系泊系统采用8根张紧式系泊缆，每根立柱的拐角处分别设置2根。张紧式系泊缆属性如表2所示。

表2 半潜式平台张紧式系泊缆属性

半潜式平台系泊系统的配置主要参数如表3所示。

表3 模型系泊系统主要参数

模型试验采用细钢丝与软弹簧(软弹簧用于系泊缆绳的等刚度模拟)连接，两边用安全扣与模型系泊点固定。图3和图4分别给出系泊系统布置和缆绳的制作。

图3 系泊系统布置示例

1.3 环境模拟

在南京水利科学研究院的风浪流水池中进行模型试验，为系统地研究平台四立柱内场气隙分布规律，平台具有对称性，规则波选取0°、45°和90°等3个浪向，3.00 m和6.00 m两个波高以及6、7、8、9、10、11和12 s等7个周期组合出42个试验工况，工况如表4所示。为研究极限海况下平台气隙分布状态，设计典型极限海况的不规则波(JONSWAP谱，谱峰值增长因子γ=2.0)试验工况，如表5所示。

表4 规则波试验

表5 典型极限海况不规则波试验

2 试验结果与分析

为便于描述波浪沿立柱爬升和内场气隙分布与波浪参数之间的关系，定义特征参数如下：(1)波陡参数δkA(k=2π/λw，其中，k为波数，λw为波长；A为波幅)在一定程度上表征波浪的非线性程度，还可表征入射波浪的能量，对波浪爬升现象的影响较大，该参数越大，入射波浪的非线性特性越强。(2)散射参数SkR(R为立柱半径)表示立柱与入射波浪的相对尺度，在一定程度上决定了立柱对入射波浪的散射特性，对立柱周围波面分布有重要影响，SkR越大，立柱对波浪的散射效应越强。

如图5所示，当波浪与立柱相遇，立柱的迎浪面会出现爬坡效应。为便于描述波浪爬升效应，定义无因次爬升因子Ar=η/A，其中η为平均波高，如图6所示。

图5 立柱波浪爬升现象

图6 β=90°，H*=0.06 m，T*=1.0 s波高历时曲线

为进一步说明波高对波浪爬升的影响，定义波浪爬升放大因子ε=Ar(6)/Ar(3)，其中，Ar(6)表示入射波高H=6.0 m时各测点爬升因子，Ar(3)表示入射波高H=3.0 m时各测点爬升因子。

气隙定义为海洋平台下层甲板底部至波面间的垂直距离(见图7)，即

图7 气隙变量定义示例

δ(t)=δ0-ηrel(t)=δ0-[ξ(t)-z(t)]

(1)

式中：δ0为平台初始气隙，本平台取8.7 m；ηrel(t)为下甲板任意P点处相对波高升高值；ξ(t)为P点处正下方波高时历；z(t)为P点处的瞬时垂向位移。试验时该值由浪高仪w1～w13测得。半潜式平台(见图8)由于体型较大，下浮体与甲板之间通过若干立柱支撑，波浪与平台之间的耦合运动将使波浪的非线性效应显著加强，相应的气隙模型相比固定式平台更为复杂。

图8 极限海况波形

2.1 半潜式平台四立柱波浪爬升分析

图9给出入射波高H=3.0 m和H=6.0 m时不同散射参数下立柱波浪爬升图。由图9可知：(1)入射波波高不影响立柱波高爬升分布规律，但对立柱爬升因子大小存在一定的影响。(2)在迎浪状态β=0°时，迎浪的前立柱R1和R3具有显著的爬升效应，受到前立柱的遮蔽效应，后立柱R5和R7的爬升因子小于1；由于两侧立柱对入射波浪的挤压作用，内部流体加速，2个前立柱内侧边缘形成低压区，当波浪传播至后立柱时，受到波浪的叠加效应，2个后立柱内侧R6、R8的爬升因子普遍大于前立柱内侧R2、R4(当散射参数SkR=0.41和0.32时，反之)；当SkR=0.41(λw/L=1.1)时，前立柱迎浪面爬升因子最大Ar=2.15，后立柱迎浪面爬升因子最大Ar=0.81，前立柱内侧面爬升因子最大Ar=1.48，后立柱内侧面爬升因子最大Ar=0.54。(3)在斜浪状态β=45°时，测点处于立柱斜侧面位置，测点处波浪爬升不显著，处于内侧面的R5和R7爬升因子明显小于其他位置。(4)在横浪状态β=90°时，R4和R8位于迎浪前立柱后缘，R2和R6位于迎浪后立柱前缘(受到前立柱遮蔽效应)波浪爬升不显著，波浪爬升因子约1.0；R1和R3位于立柱外侧面，R5和R7位于立柱内侧面，波浪爬升因子小于1.0，但外侧面波高明显大于内侧面。

图9 不同散射参数下立柱波浪爬升

图10给出立柱波浪爬升放大因子图。由图10可知：(1)在迎浪状态下，立柱R5和R7放大因子变化趋势为前立柱对后立柱的遮蔽效应随着入射波高的增加越大越明显，随着入射波长增加而减弱；放大因子在长周期波浪时出现最大值，由于在长周期波浪激励下，大波高时平台运动幅值明显大于小波高状态，大波高时平台受到系泊系统的约束作用增强，导致波浪爬升明显，当散射参数SkR=0.18时，波浪爬升放大因子εmax=1.37。(2)在斜浪状态下，由于波浪爬升不显著，除R5和R7测点外，其余测点放大因子约1.0；由于R5和R7位于立柱内侧面，易受到四立柱内场波浪叠加效应影响，当SkR≥0.41时ε>1.0，当SkR<0.41时ε<1.0。(3)在横浪状态下，放大因子的分布规律与迎浪状态有相似之处，但R1和R3位于立柱外侧面不受四立柱内场波浪叠加响应影响，其放大因子大于R5和R7位于立柱内侧面。

图10 立柱波浪爬升放大因子

2.2 半潜式平台内场气隙分布分析

通过实测四立柱内场相对波面升高、平台运动和初始气隙，按照式(1)计算得到对应测点的气隙历时曲线，选取波高H=6.0 m时不同波陡下各测点气隙最小值，绘制图11不同波陡参数下气隙分布图。

图11 不同波陡参数下气隙分布

图12给出典型极限海况不规则波状态下气隙分布图。由图12可知：(1)在试验测试中所有工况测点位置均未出现负气隙现象，表明下甲板不会出现强烈波浪砰击现象，满足平台设计要求。(2)在迎浪和横浪状态下，后立柱附近出现入射波、反射波及平台辐射波互相叠加，波面抬升明显，是最小气隙出现区域，极限海况横浪状态出现最小气隙δmin=0.72 m。(3)在斜浪状态下，四立柱内场干涉效应较弱，在平台所在区域内波面未出现明显叠加现象，气隙分布较为均匀。(4)当迎浪和斜浪状态下波陡参数δkA=0.15(λw/L=1.4)，横浪状态下波陡参数δkA=0.12(λw/L=1.5)时，平台边缘处气隙量较小，对应工况平台在波浪入射周期激励下出现较大幅度的横摇和纵摇运动，平台大幅横、纵摇运动降低了平台边缘气隙。

图12 典型极限不规则波状态下气隙分布

3 结 论

基于海洋结构物在波浪中的相似准则，开展系泊模式下半潜式平台水池模型试验，获取平台瞬态运动响应、立柱壁面波浪爬高、内场气隙分布等测量参数，系统地分析不同波陡参数、散射参数对平台立柱波浪爬升与内场气隙分布特性。主要结论如下：

(1)采用电阻式钽丝布置于立柱表面和采用浪高仪固结于平台内场位置测量相对波高的方式可以有效解决平台立柱波浪爬升与气隙的试验测试问题。

(2)与波浪爬升相比，在平台立柱内部区域波浪干涉效应引起波面升高是小量，由于波浪爬升沿立柱壁爬升效应，在立柱边缘处易出现最小气隙量，甚至出现砰击现象，在设计中需要关注。

(3)在迎浪状态β=0°时，当散射参数SkR=0.41(λw/L=1.1)时，前立柱迎浪面爬升因子最大Ar=2.15，后立柱迎浪面爬升因子最大Ar=0.81，前立柱内侧面爬升因子最大Ar=1.48，后立柱内侧面爬升因子最大Ar=0.54。

(4)平台大幅、纵摇运动对气隙的影响不可忽略，迎浪和斜浪状态在δkA=0.15(λw/L=1.4)附近，横浪状态在δkA=0.12(λw/L=1.5)附近气隙较小，平台横摇和纵摇运动幅值较大。