变水深地形下半潜式生产生活平台系泊性能
时间：2023-02-27 10:10:05 来源：千叶帆 本文已影响人
丁爱兵， 汪学锋， 徐胜文
(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)
海洋平台的定位技术是关系到其整体可用性和安全性的重要难题，是平台设计与实际应用的关键技术之一。目前世界上常用的定位方式主要有系泊定位、动力定位和锚泊辅助动力定位等[1]。其中，系泊定位指海洋平台通过系泊缆索系固在海底以保持平台目标定位位置的定位方式，其在浅水环境中使用范围较广，是一种较为传统、成熟的定位方式。本文所研究的半潜式生产生活平台以保障岛礁居民的生产生活为目标，主要布置于岛礁附近，由于系泊系统面临着近岛礁水深极浅、海底地形变化较大等特殊环境条件，因此采用非对称悬链线系泊方式[2]。
针对系泊系统的设计和性能分析评估需要兼顾平台的定位和安全性需求，既须合理约束平台的运动以保证其安全作业，又须确保系泊系统受力满足规范要求的安全因数[3]。系泊系统性能分析评估主要采用数值分析和水池模型试验等手段。其中，数值分析方法主要有3种：静态法、准动态法、动态法。静态法仅计算浮体所受的平均载荷，不考虑作用于系泊缆上的惯性力和黏性力，通过求解静态悬链线方程或系泊受力-位移曲线来分配载荷[4]，这种方法较为简单，能快速获取系泊系统的刚度曲线等重要静力参数[5]，主要应用于初步设计。准动态法同样不考虑系泊系统的动力特性，但考虑平台的定常和慢漂运动，并且将系泊系统和浮体集成在一个运动模型中，该方法虽然不能完全考虑系泊系统与浮体之间的耦合作用，但能体现浮体的动力特性和系泊系统的非线性刚度，具有计算速度快、结果较为准确的优点。动态法则完全考虑系泊系统与浮体之间的耦合作用，如刚度、阻尼、波浪和流载荷以及惯性力等，将锚泊系统和浮体在一个运动方程中同时求解[6]，计算结果最为准确，但计算过程需要花费大量时间。此外，为获得理论计算中难以预报的非线性水动力特性，更精确地验证海洋平台系泊性能，还需要结合水池模型试验进一步完善分析评估结果[7]。
本文以岛礁半潜式生产生活平台为研究对象，综合考虑近岛礁海底极浅水、变水深地形条件，采用基于集中质量模型的动态时域模拟方法对浮体-系泊耦合系统开展数值分析，并结合水池模型试验结果进行对比验证。
1.1 海洋平台水动力分析理论
海洋平台在海上受到风、浪、流等环境力的作用，产生六自由度运动，根据牛顿第二定律，运动与受力之间的关系可表示为
(1)
F=FW+FC+FWD+FS+FR+FM
(2)
式中：FW、FC、FWD分别为平台受到的波浪力、流力、风力；
FS、FR分别为平台受到的流体静恢复力和流体动力；
FM为系泊系统的作用力，可通过求解悬链线方程得到。
对于FS和FR，分别有：
FS=-CijX
(3)
(4)
(5)
基于上述理论方法，针对近岛礁半潜式生产生活平台开展数值分析：首先在Patran-Pre中建立平台主体有限元模型；
再导入HydroD进行频域分析，求解水动力参数；
最后导入OrcaFlex建立浮体水动力模型，结合海底条件，完成平台主体与系泊系统的非线性时域耦合分析[8]。
1.2 平台模型
岛礁半潜式生产生活平台由上部甲板、立柱、下浮体等3部分组成，其总布置如图1所示，相关主尺度参数如表1所示。
单位：mm图1 半潜式生产生活平台总布置
表1 半潜式生产生活平台主要参数
为简化建模过程，只需建立水面以下的平台主体模型即可。岛礁半潜式生产生活平台水面以下部分主要由浮体、立柱和横撑所组成。图2为HydroD中平台水线面以下部分的网格模型。随后设置相应的环境参数，对平台进行频域分析，并求解水动力参数[9]。
图2 HydroD中半潜式生产生活平台网格模型
1.3 地形条件
半潜式生产生活平台布置在岛礁附近，水深为10～15 m。由于平台两侧水深变化较大，锚链布置点水深不一，在数值计算和模型试验中均需考虑地形条件的影响。计算中，将海底地形简化为不同斜率的二维斜坡，平台中心位置水深为10 m，如图3所示。
单位：m图3 平台布置处地形简化示例
1.4 系泊系统模型
岛礁半潜式生产生活平台系泊系统采用8根悬链线系泊，如图4所示：锚链分为4组，每组锚链中心与x轴夹角为15°，2根锚链之间夹角为7.5°。受海底地形条件影响，平台两侧水深不同，系泊系统采用非对称布置，系泊锚链长度不同：1号～4号锚链靠近岛礁，水深较浅，长度稍短；
5号～8号锚链布置于远岸端，水深较深，锚链相对较长。
图4 系泊系统布置
由于近岛礁水深极浅，悬链线效应不显著，因此在常规系泊锚链基础上增加配重块，距导缆孔10 m处开始布配重块，相邻配重块间距为5 m，每个配重块重5 t。表2为锚链及配重块的具体设置。图5为OrcaFlex中考虑地形条件的浮体-系泊系统模型。
表2 系泊系统主要参数
图5 OrcaFlex中浮体-系泊系统模型
1.5 环境工况
平台布置在近岛礁浅水水域，外部环境力主要考虑波浪力和风力，暂不考虑海流的影响。由于平台靠近岛礁，当波浪从深水区传递至平台位置时，浪向逐渐垂直于海岸线，因此波浪方向为图4所示坐标系中x轴270°方向。不规则波的模拟采用JONSWAP谱，目标谱公式为
(6)
主要针对平台布置位置的工作海况和台风海况进行系泊性能分析，同时考虑单根锚链破断情况下的系泊系统安全性，表3列出数值计算和模型试验3个工况的具体参数，其中：工况1为工作海况；
工况2和工况3均为台风海况，工况3主要研究台风海况下单根锚链破断时的系泊系统安全性。
表3 主要研究工况参数
系泊系统模型试验方法的主要理论基础是相似理论，海洋平台在波浪中的模型和实体两个系统需要满足3个相似条件：几何相似、运动相似和动力相似。在模型试验中通常保持弗劳德数和施特鲁哈尔数相等[10]，即
(7)
(8)
式(7)和式(8)中:Vs、Ls、Ts分别为平台实体的特征速度、特征线尺度和周期；
Vm、Lm、Tm分别为模型的特征速度、特征线尺度和周期；
g为重力加速度。
模型试验在上海交通大学海洋工程水池中进行，综合考虑水池的尺度和试验能力，模型缩尺比选为1∶36。试验中需要充分考虑海底地形对系泊系统的影响，在原水池假底的基础上，增加模拟图3中地形的斜坡假底装置，如图6所示。试验中风的模拟采用定常风，通过改变风机转速来模拟不同海上环境工况。不规则波浪的模拟采用JONSWAP谱，按照表3中的参数，每个工况造波时间不小于30 min，对应实际3 h。
图6 平台系泊系统水池模型试验
3.1 平台波浪时历曲线对比
图7为数值计算和模型试验中波浪表面高度时历对比。图8为数值计算和模型试验中波浪谱与目标谱的对比。由图7和图8可知：数值计算结果与目标谱的吻合较好，受地形模拟装置实际尺寸限制和各种误差影响，模型试验的波高和波浪谱较数值计算结果稍高。
3.2 平台运动结果对比
环境力的方向为270°，对平台六自由度运动结果进行分析，发现平台在横荡和横摇方向上的运动相对较显著。因此，对横荡和横摇的运动情况进行重点分析。
图9～图11分别为3种工况下平台横荡和横摇运动时历曲线。表4为3种工况下平台横荡和横摇运动的统计结果。对比发现：
图7 平台波浪时历曲线对比
图8 平台波浪谱对比
图9 平台横荡和横摇运动时历对比(工况1)
图10 平台横荡和横摇运动时历对比(工况2)
图11 平台横荡和横摇运动时历对比(工况3)
表4 平台横荡和横摇运动统计值对比
(1) 各工况下平台横荡和横摇运动时历曲线均显示平台的定位比较稳定，尽管时历并不完全吻合，但其响应幅值和均值基本相同。因此，可认为数值计算的结果是可信的。
(2) 在工作海况下，平台在横荡和横摇方向上数值计算的最大值比模型试验结果稍大一些，分别为2.11 m和3.87°，平台的运动在合理的范围内。
(3) 在台风海况下：平台横荡运动为-2～-4 m，最大值在-6 m附近；
平台横摇运动的平均值约-2°，最大值在-7°附近。虽然数值相对较大，但台风海况对平台运动的要求较低，其运动也在可接受范围内。
3.3 系泊力结果对比
表5为工作海况下各锚链系泊力的对比结果。由表5可知：该海况下平台受到的环境力较小，在平台定位过程中，各系泊缆的变形在一个短期波浪模拟中基本相同，各系泊缆的最大张力也呈现较为相近的水平，远小于锚链的破断强度。
表5 工况1各锚链系泊力 t
表6和表7分别为台风海况下锚链完整状态和单根锚链破断状态下的系泊力结果，由对比可知：
(1) 不同于工作海况，台风海况下来浪方向的5号～8号锚链受力明显大于另一侧的1号～4号锚链。
(2) 当锚链处于完整状态时，最大系泊力出现在6号和7号锚链上， 7号锚链的破断对6号和8号锚链的受力影响较大，与7号锚链同组的8号锚链系泊力显著增大，6号锚链的系泊力也有所增加。
(3) 锚链完整状态下的最大系泊力为108 t，安全因数为3.06；
单根锚链破断状态下的最大系泊力为134 t，安全因数为2.46：均符合规范要求。
(4) 系泊力最大值的数值计算结果略大，均值相差较小，这可能是由数值计算中忽略斜坡假底造成的。
表6 工况2各锚链系泊力 t
表7 工况3各锚链系泊力 t
图12为台风海况下较为典型的8号锚链受力时历曲线。由图12可知：虽然模型试验与数值计算的最大值有所差异，但均值相差不大，其结果都比较稳定，说明在台风海况下所设计的系泊方案可以较安全地实现平台定位功能。
图12 8号锚链系泊力时历对比
针对岛礁半潜式生产生活平台在极浅水、变水深的特殊地形条件下所设计的非对称系泊系统，运用数值计算和模型试验的方法开展系泊性能研究。对数值计算与模型试验结果进行对比分析，系泊力最大值的数值计算结果略大，这可能是由数值计算中忽略斜坡假底造成的。
由试验结果可知：在工作海况下，平台六自由度运动均在合理范围内，可以较好地保持定位；
在台风海况下，无论在完整状态还是单根锚链破断状态下，系泊系统的安全因数均高于规范要求，充分证明系泊系统的安全性。
研究有效地验证所设计系泊系统的性能，为后续系统的优化等工作提供数据基础，同时还可以为平台的实际工程安装布置提供理论和技术支撑。
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