深海半潜式平台不同构型的运动性能

张文旭，陆超，李亚军，李海军，康美泽

深海半潜式平台不同构型的运动性能

张文旭，陆超，李亚军，李海军，康美泽

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

深海半潜式平台的运动性能预报是平台方案设计阶段的重要工作，而平台性能的优劣主要取决于水下的浮体构型。通过对国外主推的半潜平台设计方案进行构型特点分析，分别对立柱、连接横撑以及下浮筒进行多方案设计，共组合得到8个平台设计方案。应用数值方法首先对A1方案完成性能计算，并与该平台的模型试验结果对比，验证了理论预报的可靠性。基于该理论方法，分别完成了8个平台方案的系列水动力性能预报，并采用指标权重法得到了各个平台方案的综合运动效能，通过对比分析，明确了不同构型对于运动性能的影响规律。研究表明：浮体构型对于半潜式平台的运动性能有较大影响，且尖角型浮筒、变截面立柱及圆管型横撑的构型具有更优的综合运动性能。

半潜式平台；水动力；运动性能

期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：张文旭，陆超，李亚军，等.深海半潜式平台不同构型的运动性能［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：27-33.

ZHANGWenxu，LUChao，LIYajun，etal.Motion performanceofdifferent typesof semisubmersiblep latforms in deep water［J］.Chinese Journalof Ship Research，2015，10（5）：27-33.

0　引言

目前已探明的世界海洋石油储量的80%以上在水深500 m以内，而全部海洋面积的90%以上的水深在200～6 000m之间，因而大量的海域面积有待探明。此外，世界上大部分地区的近海油气资源已日趋减少，海洋开发向深海发展已成必然趋势，深海平台技术已成为海上市场关注的焦点［1］。半潜式平台由于性能优良、抗风能力强、甲板面积大、适应水深范围广等优点，成为深海资源开发的主力装备之一［2］。

深海平台的水动力性能不仅关系到平台的作业效率及经济效益，更直接影响平台的使用安全，是衡量平台性能优劣的核心指标。因此，在概念/方案设计阶段，首先需要确定的是平台构型。国内对不同浮体构型的平台运动性能研究较少。

鉴于此，本文以某深海半潜式平台为母型，提出多个浮体构型方案，从运动性能的角度出发，采用数值方法对不同平台进行计算分析，总结出平台构型的设计规律，以便为深海半潜式平台的方案设计提供有价值的参考。

1　半潜式平台的构型设计

半潜式平台主要由上部甲板、浮体和系泊系统等组成，其中浮体又分为立柱、横撑和下浮筒3个部分。目前，半潜平台的设计能力主要集中在美国和欧洲，图1分别给出的是国外知名设计公司（瑞典GVA、美国F&G、荷兰GustoMSC、挪威AKER）现阶段主推的平台船型方案。通过对比目前常见的浮体形式，不难发现半潜式平台的构型正逐步趋于大型化和简单化［3］，目的在于降低结构疲劳风险，同时提高经济性。

图1　不同的平台方案效果图Fig.1　Different platform design sketch

本文结合半潜式平台外形的发展趋势和特点，分别对下浮筒、立柱以及连接横撑的构型进行多方案设计。

1.1下浮筒设计

下浮筒主要为平台提供足够的排水量和专用液舱舱容。目前，应用最广的是双浮筒型，且从减小拖航阻力角度出发［2，4］，较为常见的下浮筒外形优先考虑尖角型（30°）和半圆型（图2）。

图2　下浮筒方案Fig.2　Pontoons'plan

1.2立柱设计

立柱主要用于支撑上部结构和设备的载荷，同时为保证平台的稳性提供足够的水线面面积。在半潜式平台日益简单化的趋势下，当前多数主流平台采用的立柱数目为4个。如图3所示，立柱外形选取变截面型和直筒型。

图3　立柱方案Fig.3　Two plans for columns

1.3横撑设计

横撑主要用于保持平台的结构完整性，通常设置在立柱的底端附近。当前的主流平台多采用圆管式双横撑构成，大翼形横撑也被GVA7500等平台所采用（图4）。

图4　横撑方案Fig.4　Two plans for bracings

1.4组合设计

为了系统研究不同浮体构型对于平台运动性能的影响，在不显著改变排水量（吃水、型深保持不变）的前提下，仅对上述浮体设计方案进行组合，共得到8组平台方案，如表1所示。

表1　平台设计方案Tab.1　Design schem es for p latform s

2　运动性能理论基础

2.1平台运动响应的计算原理

半潜平台在规则波浪中受波浪力的作用将在波浪场中做振荡运动，其速度势φ可以分解为3个部分

式中：φI为入射波速度势；φR为辐射波速度势，表示平台在自由面做摇荡运动引起的流场波动；φD为绕射波速度势，表示平台对入射波的流场扰动。

引入微幅波假定，假设平台在波浪中做谐振运动，将自由表面条件和物面条件线性化，则辐射势φR和绕射势φD在流场中和流场边界上分别满足拉普拉斯方程、线性自由面条件、固面边界条件以及远方辐射条件。利用Rankine源和边界元可以对平台波浪运动的线性定解问题进行数值求解，获得流场内的辐射势φR和绕射势φD。利用辐射势φR可进一步求得平台各自由度下的附加质量 μij和阻尼系数 λij。基于绕射势φD和入射势φI，可以求得平台在波浪中的受力F［5］。

当平台在波浪中做六自由度运动时，由牛顿第二定律可以得到规则波中平台运动的控制方程

式中：mij为平台的实际质量；cij为平台刚度。通过求解该频率运动方程，即可得到平台的运动响应。

2.2平台运动响应短期预报理论

一般情况下，海面上的波浪不是规则波而是随机的不规则波，因此，应该采用随机概率理论的方法来计算由不规则波浪产生的平台运动响应。波浪诱导平台运动响应的短期预报建立在以下基本假设［6］之上：

1）波浪运动和浮体运动是各态历经的平稳随机过程；

2）浮体为线性系统；

3）波浪谱和平台的运动响应谱为窄带谱。

基于上述理论假设，平台运动的谱密度函数与波浪的谱密度函数存在下列关系

在窄带谱假设下，短期海况的波浪幅值、平台运动幅值服从瑞利分布，平台运动幅值的概率密度函数为

式中，m0为平台运动响应谱的零阶原点距，

3　水动力模型的构建

本文对于半潜平台的水动力分析采用SESAM软件的Wadam模块进行，该模块采用三维频域方法（零航速），可完成不同形式的海洋结构物波浪运动及波浪载荷的计算分析［7］。

半潜式平台的三维水动力模型（以A1方案为例）如图5所示，包括湿表面模型（panel模型）、Morison模型和质量模型，3种模型均采用SESAM程序的Genie模块建立。其中，湿表面模型的高度可以从基线直到水面之上或立柱的顶端（平台在作业和自存工况下的吃水是不一致的）；质量模型以简化的重量重心和惯性半径数据给出；小尺寸的撑杆以Morison模型表示。图6给出了平台的计算域模型。

图5　平台水动力模型Fig.5　Hydrodynamicmodel

图6　平台计算域模型Fig.6　Computationalmodel

根据自由衰减模型试验结果，平台系泊系统通过预设附加阻尼的方式等效给出，垂荡、纵摇运动的附加阻尼设定为3%，而横摇运动的附加阻尼则设定为2.8%。

4　数值方法的验证

为了验证数值分析方法的可靠性，首先对A1方案完成数值计算，并将计算结果与该平台方案的模型试验数据进行对比。图7～图9给出了平台横浪下（90°）横摇和迎浪下（0°）垂荡、纵摇运动的频率—响应曲线对比，可以发现，数值计算结果同模型试验值的趋势相吻合，这说明本数值计算方法是可靠的。

图7　横摇运动RAO曲线对比Fig.7　RAO curve comparison for roll

图8　垂荡运动RAO曲线对比Fig.8　RAO curve comparison forheave

图9　纵摇运动RAO曲线对比Fig.9　RAO curve comparison for pitch

5　不同构型的计算结果

5.1运动响应传递函数

一般而言，平台的横摇和纵摇运动固有周期明显大于可能遇到的波浪周期，而垂荡运动在遭遇相当严重的波浪时，直接关系到平台相关设备作业的安全性［4］，因此深海半潜式平台对于垂荡运动的要求更加苛刻。

图10给出了部分平台方案在作业吃水下垂荡运动的响应曲线，纵坐标为单位波幅下的运动幅值。可以看出，各个平台方案垂荡运动的固有周期均大于20 s，这表明平台的波浪运动远离波浪能量的集中频带，均适合深远海域作业。

图10　不同构型方案的垂荡运动Fig.10　Differentschemesmotion curves forheave

5.2运动响应短期预报

平台于不规则波中的短期运动响应预报主要包括作业工况和自存工况2种不同的运动状态，波浪谱为JONSWAP谱，采用表2所示的海况条件分别进行运动响应的短期预报。

表2　计算海况参数Tab.2　Sea condition parameters

表3给出了各个构型方案的运动响应短期预报的最大值和最小气隙值。

表3　运动短期预报最大值及最小气隙值Tab.3　Forcasted values for d ifferen t schem es

在作业工况及自存工况下，半潜式平台都要保证足够的气隙，以防止甲板上浪。从计算结果可以看出，各个平台方案的最小气隙均满足要求，但不同工况下的运动指标却各有差异。为全面考量各平台方案的水动力特性，现采用指标权重法得到综合运动效能以真实评判各方案的优劣。

首先，通过对不同工况的特点进行分析，确定出各个运动指标的权重系数。作业工况下，平台的波浪运动主要约束关键设备的运行以及驻守人员的舒适性，因此各个运动指标的重要程度相当；自存工况下，平台日常作业停滞，自身需要抵御大风浪环境，尤其是避免甲板砰击和波浪爬升［9］，因此，垂荡指标更为重要。各运动指标的权重系数ζ如表4所示。

表4　运动指标的权重Tab.4　W eight valuesofm otion param eters

其次，需要根据平台的作业分布确定2种工况的权重系数τ。通过查阅不同海域区块的全年波浪散布图，自存海况出现的概率要远远低于作业海况，兼顾到自存海况下的平台安全性，确定2种工况的权重系数如表5所示。

表5　设计工况的权重Tab.5　W eigh t values for design cond itions

结合上述权重系数，综合运动效能Λ可由下式求得

式中：i为平台工况数；j为平台运动指标数；Z为各个运动指标的最大幅值。利用式（5），求出了各个平台方案的综合运动效能Λ，如表6所示。

表6　综合运动效能表Tab.6　Com p rehensivem otion efficiency

6　平台运动性能分析

由表3可以看出，A1方案的垂荡运动最好，相比于方案A4的幅值减小6.9%；A5方案的纵摇和横摇运动最优，相比于方案A2的幅值分别减小14.5%和15.9%。由表6可知，A6方案的综合运动效能最优，相比于A4方案，性能提升4.5%。

两两对比A1和A5，A2和A6，A3和A7，A4和A8的设计方案，平台构型的区别仅在于下浮筒的端部。图11为不同构型方案下综合效能的比较。由图11（a）和表6可知，具有尖角型浮筒的平台方案水动力综合性能更优，平均提升2.89%。

两两对比A1和A3，A2和A4，A5和A7，A6和A8的设计方案，平台构型区别于立柱的截面变化。由图11（b）和表6可知，平台采用变截面的立柱形式具有更优的综合运动效能，平均提升0.93%。

两两对比A1和A2，A3和A4，A5和A5，A7和A8的设计方案，平台构型的差异体现在连接横撑的选型不同。由图11（c）和表6可得，横撑选型的不同对于运动性能的影响并不明显，主要是由于横撑相比于下浮筒和立柱而言，属于小尺寸构件，因而对于整体运动的影响甚微。但总体而言，圆管式横撑相比于翼形横撑稍有优势。

图11　不同构型方案下的综合效能比较Fig.11　Comprehensive efficiency for different schemes

7　结　论

本文采用数值方法对不同浮体构型的平台方案进行了系列水动力计算，计算结果与模型试验比较接近，偏差符合工程精度。通过对系列平台构型方案的计算结果进行整合分析，可以得到如下结论：

1）在排水量基本不变的前提下，浮体构型对于半潜式平台的运动性能有着较大影响，需要在方案论证阶段进行优选。

2）对于下浮筒构型，尖角型浮筒的平台运动性能更优，在具体设计时亦可对端部的角形度数结合拖航阻力等性能做进一步优化。

3）对于立柱构型，在主体部位采用适当的变截面设计往往能获得较优的运动性能。在具体设计时，建议结合平台作业吃水，对变截面的位置和尺寸进行优化。

4）对于连接横撑，由于横撑尺寸较小，其对平台运动性能的影响并不显著，具体选择应更多地从结构强度以及布置等方面来综合考虑。

［1］李润培，谢永和，舒志.深海平台技术的研究现状与发展趋势［J］.中国海洋平台，2003，18（3）：1-5.

LIRunpei，XIE Yonghe，SHU Zhi.A review on the technical development of deep water offshore platform［J］.China Offshore Platform，2003，18（3）：1-5.

［2］杜庆贵，冯玮，宴绍枝，等.半潜式钻井平台不同形状浮箱拖航阻力研究［J］.中国海洋平台，2013，28（2）：39-44.

DU Qinggui，FENGWei，YAN Shaozhi，etal.The research to the towage resistance of the pontoonswith different shapes of a sem i-submersible drilling platform［J］.China Offshore Platform，2013，28（2）：39-44.

［3］童波，金强.深水半潜式钻井平台主尺度论证研究［J］.船舶，2011，22（4）：20-24.

TONG Bo，JIN Qiang.An argumentation study formain dimension of deep sea semi-submersible drilling platform［J］.Ship and Boat，2011，22（4）：20-24.

［4］陈新权，刘振辉，谭家华.深海半潜式平台选型研究［J］.中国海洋平台，2008，23（1）：7-13.

CHEN Xinquan，LIU Zhenhui，TAN Jiahua.A study on sem isubmersible types in deep water［J］.China Offshore Platform，2008，23（1）：7-13.

［5］戴遗山，段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［6］ GAONKAR GH，PETERSD A.Review of dynamic inflow modeling for rotorcraft flight dynamics［C］//27th Structures，Structural Dynamics and Materials Conference.San Antonio，Texas，1986：89-115.

［7］陈明璐，嵇春艳，刘珍.半潜式海洋平台的水动力分析及波浪载荷预报［J］.海洋技术，2012，31（4）：68-70，74.

CHEN Minglu，JIChunyan，LIU Zhen.Hydrodynamic analysis and wave load forecast of sem i-submersible p latform［J］.Ocean Technology，2012，31（4）：68-70，74.

［8］王言英.深水浮式海洋平台水动力性能计算研究［J］.大连理工大学学报，2011，11（6）：837-845.

WANG Yanying.Research on computation of hydrodynam ic performance for oceanic floating p latformin deepwater［J］.Journalof Dalian University of Technology，2011，11（6）：837-845.

［9］单铁兵，杨建民，李欣，等.深海平台立柱周围波浪非线性爬升研究进展［J］.海洋工程，2012，30（1）：151-160.

SHAN Tiebing，YANG Jianm in，LI Xin，et al.Reviewof the research onnon-linear wave run-up around columns of deepwater p latform［J］.The Ocean Engineering，2012，30（1）：151-160.

［责任编辑：胡文莉］

M otion per form ance of d ifferen t types of sem isubm ersib le p latform s in deep water

ZHANGWenxu，LU Chao，LIYajun，LIHaijun，KANGMeize
China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China

Themotion performance of semisubmersible p latforms is of vital importance during the concept design stage，and the performance is largely decided by the floater's type.By analyzing the floater's characteristics ofmajor foreign semisubmersible platforms，this paper establishes eight design schemes for pontoon，column，and bracing，and applies the numericalmethod to hydrodynamic performance calculation for scheme-A1.The result's credibility is further verified throughmodelexperiments.Based on this theory，the motion performance of the eight platform schemesare predicted respectively，and the comprehensive performance is then obtained with themethod ofweighting.Through comparison，it is concluded that the floater has great in fluence on the motion performance，and sharp pontoon，tapered column，and tubular bracing types demonstrate better comprehensive performance.In brief，the research provides a worthy reference for the type selection of semisubmersible p latforms during the conceptdesign stage.

semisubmersible p latform；hydrodynamic；motion performance

U661.42

ADOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2015.05.005

2015-01-19网络出版时间：2015-10-8 11∶10

国家发改委海洋工程装备产业化专项资金资助项目

张文旭（通信作者），男，1986年生，硕士，助理工程师。研究方向：舰船总体设计与优化。E-mail：465791792@qq.com

李亚军，男，1984年生，博士，工程师。研究方向：舰船总体设计与优化。E-mail：wh701sm@163.com

网络出版地址：http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151008.1110.014.htm l