深吃水半潜式平台钢悬链式立管的强度性能

梁 宁， 黄维平， 周 阳， 曹淑刚， 柳振海

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 杭州 310014；2.中国海洋大学， 山东 青岛 266100； 3.国家海洋局第二海洋研究所， 杭州 310012； 4.中能电力科技开发有限公司， 北京 100034)

深吃水半潜式平台钢悬链式立管的强度性能

梁 宁1,2， 黄维平2， 周 阳3， 曹淑刚4， 柳振海2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 杭州 310014；2.中国海洋大学， 山东 青岛 266100； 3.国家海洋局第二海洋研究所， 杭州 310012； 4.中能电力科技开发有限公司， 北京 100034)

在传统半潜式平台的基础上设计深吃水半潜式平台，以达到更好的运动性能。采用三维势流理论，运用SESAM软件对平台进行水动力性能分析；运用HydroD模块对平台进行频域分析得到幅值响应函数等频域参数；运用DeepC模块对平台进行时域耦合分析，得到平台加系泊系统后的时域响应。基于深吃水半潜式平台对配套钢悬链式立管进行强度性能研究，得到立管在各个工况下的最大等效应力及其沿管长的分布。研究表明：半潜式平台在近端偏移状态下，钢悬链式立管产生最大等效应力，立管上部和触地段区域是强度的薄弱环节，触地段区域是钢悬链式立管壁厚等参数的重要控制因素。为深吃水半潜式平台的研究提供参考。

半潜式平台；钢悬链式立管；强度性能

0 引言

在深海油气资源的开发中，钢悬链式立管作为输油立管主要应用于张力腿平台(Tension Leg Platform, TLP)、单柱式平台(SPAR)和部分半潜式平台中。钢悬链式立管集立管和海底管线的功能于一体，上部通过柔性接头与浮式平台相连接，不需要张紧装置[1]。根据形式的不同，钢悬链式立管可分为：简单悬链式立管、陡波悬链式立管、缓波悬链式立管以及L型立管等[2]。其中，简单悬链式立管因具有直接悬挂于浮式平台外侧和不需要浮力块等装置等特点在作为输油立管时得到了较为广泛的应用。

传统半潜式平台在环境荷载作用下具有较大的运动响应，因此使用柔性立管作为输油立管。深吃水半潜式平台可以明显降低浮箱所受波浪力[3]，配备张紧式系泊系统能够更好地限制平台的运动响应，进而使其可以支持钢悬链式立管。深吃水半潜式平台仍具有半潜式平台甲板可变载荷更大、上部组块码头安装、平台整体拖航无需海上施工等优点[4]，并且随着运动性能的改善可支持钢悬链式立管甚至顶张式立管。

图1 深吃水半潜式平台示意图

1 深吃水半潜式平台结构

深吃水半潜式平台是在传统半潜式生产平台的基础上通过增加吃水以及结构优化发展而来的。平台系统由上部组块、主船体、系泊系统和立管系统组成。深吃水半潜式平台如图1所示，其主船体包括4个方形立柱和4个矩形浮箱，采用16缆张紧式系泊系统。在立柱选取上考虑截面形式、水线面面积、立柱间距等因素。方形截面具有便于与浮箱连接、建造方便等优势，且通过对方形立柱截面倒角的方式使其能够达到圆形立柱截面的水动力性能。增加立柱水线面可以增加恢复力矩进而改善平台稳性。但过大的水线面面积会降低平台垂荡运动固有周期和抵消周期，不利于改善平台的垂荡运动性能。增大立柱间距会使浮箱与立柱排水比增大，这会直接提高平台的抵消周期，但过大的立柱间距会对甲板设计造成极大的挑战。浮箱主要提供平台的压载、降低平台重心，增大浮箱体积会提高平台的抵消周期[5]。综合考虑浮箱与立柱排水比、总排水量、上部甲板等因素，选定平台的主要参数见表1。

表1 深吃水半潜式平台主要参数

2 计算理论

2.1 频域运动控制方程

半潜式平台在整体坐标系中考虑所受的波浪激励以及附加质量、阻尼等作用的运动方程[6]为

(1)

式中：M为质量和惯量矩阵；A(ω)为结构的附加质量矩阵；B(ω)p为频域下的势流阻尼矩阵；Bv为频域下的线性化后的黏性阻尼矩阵；C为静水回复力矩阵；Cε为外部回复力矩阵；F(ω,β)为外部激励力矩阵。

2.2 时域运动控制方程

海洋结构物在实际的海洋环境中会受到波浪载荷、风载荷和海流载荷的联合作用，故需要较全面地将各因素纳入考虑范围。考虑风、浪、流以及系泊系统作用的平台运动时域方程可表达为

(2)

式中：Fwa(1)(t)为一阶波浪载荷；Fwa(2)(t)为二阶波浪载荷；Fwi(t)为风载荷；Fcu(t)为流载荷；Fmo(t)为系泊系统对平台的作用力；mij为平台的质量矩阵；uij为附加质量矩阵；Cij为恢复力系数矩阵；Lij(t-τ)为平台系统的延迟函数。

平台在非线性波浪作用下的瞬时波浪力可以写为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3 强度校核

对半潜式平台配套的顶张式立管和钢悬链式立管进行强度分析时采用工作应力法，即采用每个极限状态的利用系数表示结构的安全裕量。API-RP-2RD规范对结构强度的规定为

(8)

式中：σα为基本许用组合应力，σα=Cασy；Cα为许用应力系数，Cα= 2/3；σy为材料最小屈服强度；Cf为设计工况系数，根据工况不同取1.0～1.5。

Cα和Cf组合后在不同强度分析工况下的材料许用应力系数见表7。σe表示vonMises等效应力，即

(9)

3 深吃水半潜式平台运动性能分析

图2 深吃水半潜式平台模型

在对平台进行运动性能分析计算之前首先要建立深吃水半潜式平台的湿表面模型,用来求解波浪场的速度势并最终求得波浪力传递函数、运动响应幅值算子、附加质量以及势流阻尼等频域计算结果。图2为深吃水半潜式平台的湿表面模型。本文的深吃水半潜式平台是针对我国南海海域服役所提出的，工作水深1 500m。频域分析时取规则波波浪周期为5～50s，间隔1s。波浪入射方向0°～90°，间隔15°。采用SESAM软件HydroD模块中的Wadam求解平台的频域响应。海洋环境中的浮体运动时所受到的阻尼包含：浮体的辐射阻尼、慢漂阻尼和黏性阻尼等。在工程应用中采用经验系数法对阻尼进行估算[7]。在半潜式平台的计算中，横摇和纵摇线性阻尼系数取临界阻尼的3%，垂荡线性阻尼系数取临界阻尼的5%。

3.1 频域计算结果

平台在6个自由度的运动可分为平面内运动(纵荡、横荡、艏摇)和平面外运动(横摇、纵摇、垂荡)。图3～图8分别为深吃水半潜式平台在纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇方向上的运动响应幅值函数(Response Amplitude Operator, RAO)。结果表明：平台垂荡运动抵消周期为21 s，固有周期为24 s；平台抵消周期在百年一遇极端环境条件下，谱峰高能量区域末端，在抵消周期处平台垂荡运动响应最小；结构垂荡运动固有周期避开主要波浪周期，平台横摇、纵摇固有周期在32 s左右，其峰值也成功避开了主要波浪周期；由于频域分析时没有添加系泊系统，因此纵荡、横荡两个方向上没有回复力，平台运动随波浪周期的增大而增大；结构艏摇在波浪周期8 s时达到峰值，随着波浪周期增大艏摇运动逐渐减小。

图3 平台纵荡RAO 图4 平台横荡RAO

图5 平台垂荡RAO 图6 平台横摇RAO

图7 平台纵摇RAO 图8 平台艏摇RAO

3.2 时域运动性能分析

本文的深吃水半潜式平台采用张紧式系泊。该系泊系统由16根系泊缆组成，分为4组对称布置。第一象限内系泊缆与x轴夹角分别为30°，40°，50°和60°，系泊缆与海底夹角为40°。每根系泊缆由锚链、尼龙缆、锚链3段组合而成。系泊缆一端与海底锚基相连，另一端通过导缆器与张紧器相连。系泊缆参数见表2。根据南海海域海况，选取百年一遇环境条件见表3。时域分析中保守考虑，设定风、浪、流是同向的，最终在DeepC模块中建立的时域耦合模型如图9所示。

表2 系泊缆属性

表3 百年一遇环境条件

图9 深吃水半潜式平台时域模型

图10～图15分别为深吃水半潜式平台在时域分析中6个自由度上的运动极值结果。由图10～图15可知：深吃水半潜式平台在极端环境条件下纵荡运动最大值为33.36 m，为水深的2.22%；横荡运动最大值为32.91 m，为水深的2.19%；艏摇运动的极值角度为6.65°。深吃水的结构形式辅之以张紧式系泊系统很好地控制了平台的平面内运动。深吃水半潜式平台的垂荡运动最大幅值为3.98 m，横摇运动的极值角度为3.93°，纵摇运动极值角度为3.51°。平台的平面外运动同样具有较好的运动性能，尤其是垂荡运动相比传统半潜式平台极端环境下的响应有明显减小。更优良的平台运动性能可以使得立管系统承受较小的作用力进而保护立管系统。

图10 纵荡响应 图11 横荡响应

图12 垂荡响应 图13 横摇响应

图14 纵摇响应 图15 艏摇响应

4 钢悬链式立管强度性能

4.1 立管结构和环境条件

钢悬链式立管悬挂在平台的正北方向，尺寸为外径14英寸(1英寸=0.025 4 m)，内径12英寸，悬挂角度16°。立管管长4 814 m，其中上部带螺旋侧板(抑制涡激振动作用)部分管长480 m，剩余部分4 334 m。其他钢悬链式立管参数及内部流体参数见表4和表5。表6为立管强度分析计算时采用的中国南海十年一遇和一年一遇环境条件。

表4 钢悬链式立管参数

表5 钢悬链式立管内流体参数

表6 强度分析环境条件

4.2 立管强度性能

钢悬链式立管强度研究的荷载工况组合由4种荷载工况(试压、安装、操作和极端工况)、3个环境条件(一年一遇、十年一遇和百年一遇)和3个半潜式平台位置(近端、横向、远端)组合而成，分析时取相同重现期的风、浪、流数据，保守估计其方向相同，按照N，NE，E，SE，S，SW，W，NW 8个方向计算。钢悬链式立管强度分析工况见表7。

表7 钢悬链式立管强度分析工况

表8为深吃水半潜式平台配套的钢悬链式立管强度的分析结果。由表8可知：钢悬链式立管在各个工况条件下强度满足要求，最大等效应力发生在极端工况中，应力比达到0.687，在该工况下仍留有一定的安全裕量；试压工况也产生了较大的等效应力，说明立管内压对结构强度有明显影响；在强度分析时，半潜式平台处在近端偏移状态下钢悬链式立管的最大等效应力最大，因此在工程中对钢悬链式立管悬挂角应根据浮式平台近端偏移设计。本文的钢悬链式立管最大等效应力发生位置有立管上部和触地段区域。在位状态下：当钢悬链式立管所受环境荷载为小于十年一遇等相对温和条件时，最大等效应力发生在立管上部；当所受环境荷载为百年一遇极端环境条件时，最大等效应力发生在触地段区域。因此，触地段区域的强度是钢悬链式立管壁厚等参数的控制因素之一。图16～图19为试压、安装、操作和极端工况中最大等效应力沿管长的分布图，可以更清晰地得知钢悬链式立管最大等效应力发生的位置与环境荷载之间的关系。

表8 钢悬链式立管强度分析结果

图16 试压工况最大等效应力沿管长分布图 图17 安装工况最大等效应力沿管长分布图

图18 操作工况最大等效应力沿管长分布图 图19 极端工况最大等效应力沿管长分布图

5 结语

本文的深吃水半潜式平台在传统半潜式平台基础上进行主尺度设计，在选定合理的吃水、立柱、浮箱等参数后使平台能够有较理想的运动性能。在频域分析中只针对平台主体进行水动力分析，得到了平台6个自由度上的运动响应幅值算子，初步验证深吃水半潜式平台的运动性能。针对平台进行了系泊系统设计，在时域分析中计算平台和系泊缆的耦合运动响应。时域结果可以验证平台具有良好的水动力性能，平面内运动得到了很好的控制，平面外运动中的垂荡运动性能相比传统半潜式平台有了很大提升。

基于深吃水半潜式平台对配套的钢悬链式立管进行了强度性能研究，得到了立管在各个工况下的最大等效应力及其沿管长的分布。当半潜式平台处在近端偏移状态下，悬链式立管产生最大的等效应力。立管上部和触地段区域是强度的薄弱环节，在极端工况下触地段区域会产生最大等效应力。

深吃水半潜式平台的结构设计及其配套立管的性能研究对我国深海油气资源的开发方案提供了更多的选择及借鉴。

[1] 刘娟. 考虑刚体摆动的钢悬链式立管出平面运动分析方法研究[D]. 青岛: 中国海洋大学. 2013.

[2] 黄维平，李华军. 深水开发的新型立管系统——钢悬链式立管(SCR)[J]. 中国海洋大学学报，2006，36(5): 775-780.

[3] ABBOTT P, BANON H, CHAO J, et al. A Deep Draft Semi-Submersible with a Retractible Heave Plate[C]//Proceedings Offshore Technology Conference, Houston, USA，2002.

[4] 姜哲, 谢彬, 谢文会. 新型深水半潜式生产平台发展综述[J]. 海洋工程, 2011, 29(3): 132-138.

[5] MURRAY J, TAHAR A, YANG C K. Hydrodynamics of Dry Tree Semi-Submersibles[C]//ISOPE, California, USA,2007.

[6] DNV. SESAM User Manual HydroD[M]. Version 4.0，2008.

[7] 桂龙, 唐友刚, 秦尧, 等. 浅水FPSO限位作业系泊分析[J]. 海洋工程, 2014, 32(3): 28-35.

Steel Catenary Riser’s Strength Performance of Deep Draft Semi-Submersible Platform

LIANG Ning1,2, HUANG Weiping2, ZHOU Yang3,CAO Shugang4, LIU Zhenhai2

(1.Power China Huadong Engineering Corporation, Hangzhou 310014, China；2.Ocean University of China，Qingdao 266100, China；3.The Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou, 310012, China；4.Zhong Neng Power-Tech Development Company Limited, Beijing 100034, China)

In order to achieve reasonable motion performance, a deep draft semi-submersible platform is designed based on the traditional semi-submersible platform. Based on the three-dimensional potential flow theory, the theoretical analysis with numerical calculation is used to research the dynamic characteristics of the semi-submersible by SESAM. The platform’s response amplitude operator and other parameters are calculated in frequency domain analysis by HydroD. Time domain coupling analysis is carried out on the platform by DeepC to get platform with mooring system’s time domain response. The steel catenary riser’s strength performance is researched based on the deep draft semi-submersible platform, the riser’s maximum von Mises stress under various conditions and its distributions along the length are obtained. The results prove that the steel catenary riser is of the maximum equivalent stress when the semi-submersible platform is in the near position. The riser’s upper position and touch down point area are the weak links of the strength. Touch down point area is the important control factors of the steel catenary riser’s thickness and other parameters.The study provides a reference for the research of deep draft semi-submersible platform.

semi-submersible platform; steel catenary riser; strength performance

2016-04-12

国家自然科学基金(51239008,51179179)

梁 宁(1990-)，男，硕士研究生

1001-4500(2017)02-0060-09

P751

A