立柱附体对半潜式平台水动力性能的影响

2018-11-02史俊奇肖龙飞杨立军方智超

船舶力学 2018年10期

史俊奇，肖龙飞，杨立军，方智超

（1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240）

0 引言

半潜式平台自20世纪60年代出现以来，在海洋石油勘探开发中一直得到广泛应用[1]。半潜式平台具有性能优良、抗风浪能力强、甲板面积大和装载量大、适应水深范围广等优点，因而成为实施海上油气田开发的主力装备之一[2-3]。半潜式平台主要由上部甲板、立柱、浮箱以及立柱或者浮箱之间连接的横撑构件组成，通常采用分布式系泊系统或动力定位系统进行海上作业[4]。

半潜式平台发展至今，国内外已经针对半潜式平台水动力性能的优化做了大量研究，针对平台的吃水、立柱以及浮筒提出许多优化设计方案。Birk和Clauss[5]分析了将方形直立柱改为变截面圆形立柱之后对半潜式平台垂荡性能的影响，优化的结果使半潜式平台因垂荡运动过大而停工的时间由27.2%减小到17.2%，效果显著。Chakrabarti等[6]提出一种采用桁架式浮筒结构（Truss-Pontoon）的半潜式平台，发现该新型结构很好地利用了垂荡板产生的附加质量和分离流阻尼，能够有效改善平台的垂荡运动。陈新权等[7]对立柱的长宽高以及吃水等参数对半潜式平台垂荡性能的影响做了研究，得到了立柱尺寸的最优解。杨立军等[8]研究在保持立柱截面面积不变的情况下改变其形状对半潜式平台水动力性能的影响，发现对于平台整体运动性能的影响不大。白云山[9]针对浮筒尺寸以及立柱宽、高和立柱间距等对半潜式平台水动力性能的影响，在考虑平台气隙、稳性、垂荡、横摇和纵摇的基础上寻求其最优解。

本文在半潜式平台常规直立柱双浮筒结构的基础上，在立柱沿平台纵向方向上增加附体，并通过模型试验与数值计算研究立柱附体对平台水动力性能的影响。在此基础上，保持立柱附体水线面面积不变，研究分析立柱附体截面形状的影响。

1 平台与立柱附体设计方案

所研究的半潜式平台作业水深为1 500 m，其主体结构由2个浮筒、4根直立方形立柱和立柱附体、连接立柱的4根圆形横撑以及1个箱型甲板组成，如图1试验模型所示。与传统半潜式平台相比，该平台的4根立柱在沿平台纵向方向上都有一部分凸起，称这部分为立柱附体，距基线高度在8.625 m到23 m之间。这一立柱附体可以有效增加平台的水线面面积以及水线面惯性矩，借以改善平台的稳性和运动性能，并可有效改善平台在特定频率范围内的平均波浪力。平台主要设计参数见表1，其中平台立柱有无附体时的吃水、重心位置和惯性半径参数都保持相同，以研究立柱附体的影响。

表1 半潜式平台主要参数（单位：m）Tab.1 Main parameters of the semisubmersible platform

图1 带立柱附体的半潜式平台试验模型Fig.1 Test model of the semi-submersible platform with blisters

2 模型试验和数值计算

为研究这种带有立柱附体的半潜式平台水动力性能，进行水池模型试验，以及基于三维势流理论的数值计算分析。

模型试验在上海交通大学海洋工程水池进行，模型缩尺比为1:50，考虑作业和生存两个吃水。在生存吃水下，分别对平台立柱有无附体的情况进行对比试验，以验证立柱附体能否改善平台水动力性能。试验内容主要包括：

（1）静水中自由衰减试验，获得平台运动的固有周期和阻尼系数；

（2）白噪声试验与规则波试验，获得平台运动的幅值响应函数（RAO），以及二阶平均波浪力的二次传递函数（QTF）；

（3）不规则波试验，获得平台在极端海况下的运动响应。海洋环境参数如表2所示，波浪谱采用JONSWAP谱。

表2 海洋环境不规则波参数Tab.2 Sea state characteristics

基于三维势流理论，采用DNV的SESAM软件，分别计算半潜式平台在有和没有立柱附体时的水动力响应[10]，并与模型试验结果对比分析。有立柱附体时的平台湿表面有限元模型如图2所示。

图2 带立柱附体的半潜式平台水动力模型Fig.2 Panel model of the semi-submersible platform with blisters

3 试验和数值结果分析

3.1 固有周期和阻尼系数

分别由模型静水衰减试验和数值计算得到半潜式平台的垂荡和横纵摇的固有周期，并可由静水衰减试验获得平台垂荡和横纵摇的阻尼系数，如表3所示。可见，固有周期的试验与数值计算结果基本吻合，表明模型参数模拟准确。对比平台立柱有无附体的结果可以发现，立柱附体可以明显减小平台的垂荡周期和横纵摇周期，是因为立柱附体可以增加平台的水线面面积和恢复力矩；同时，立柱附体不会影响平台垂荡运动的阻尼系数，会减小平台横摇和纵摇运动的阻尼系数。

表3 固有周期和阻尼系数对比Tab.3 Comparison of the natural periods and damping coefficients

3.2 二阶平均波浪力

在规则波试验中，由水平系泊缆受力可计算得到对应波浪方向上的二阶平均波浪力，分析可得半潜式平台二阶平均波浪力QTF。取半潜式平台迎浪时的数据，将试验结果与计算结果对比如图3所示。

可见，试验结果中，半潜式平台立柱有附体的情况下其纵向二阶平均波浪力比平台立柱无附体时明显减小，其差值均在20%左右，说明立柱附体可以显著减小平台的纵向二阶波浪力，而计算结果基本与试验结果体现出相同规律。在此基础上，对比生存吃水半潜式平台在立柱有无附体时，90°横浪下的横荡二阶平均波浪力，135°斜浪时的首摇二阶平均波浪力矩，如图4所示。可见，增加立柱附体对平台横荡运动二阶平均波浪力总体上影响不大，在7～10 s波浪周期范围内略有增大，首摇运动二阶平均波浪力矩在3～6 s范围内明显增大，而在8～12 s范围内显著减小。因此，在立柱沿平台纵向方向上增加附体，可以显著减小平台纵向二阶波浪力，但同时会稍微增大横向二阶波浪力。

3.3 运动RAO

通过白噪声试验和规则波试验，可获得半潜式平台6自由度运动的RAO，取生存吃水时带有立柱附体半潜式平台在135°斜浪时的6自由度运动RAO，将试验结果和数值计算结果对比如图5所示。可见，试验和数值结果基本吻合良好，表明计算结果准确有效。

图3 纵向二阶平均波浪力QTF对比（生存吃水，180°浪向角）Fig.3 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces in surge direction(Survival,head sea)

图4 横荡和首摇二阶平均波浪力QTF结果对比Fig.4 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces in sway and yaw directions

图5 运动RAO试验与计算结果对比（生存吃水，135°浪向角）Fig.5 Comparison of RAO results between test and calculation(Survival,quartering sea)

在此基础上，通过数值计算，对比生存吃水下半潜式平台立柱有无附体时的六自由度运动RAO，取迎浪时的纵荡、垂荡和纵摇运动RAO，如图6所示。可见，半潜式平台在立柱增加附体之后，其纵荡运动几乎没有影响；平台垂荡运动因为固有周期从18.3 s减小为17.1 s，所以RAO曲线整体向低周期平移，大小没有变化；平台纵摇运动RAO得到显著改善，在7 s到25 s的常见海浪周期范围内，其RAO显著减小，最大幅值从0.73减小到0.62，减小了15%。

图6 平台立柱有无附体运动RAO结果对比（生存吃水，180°浪向角）Fig.6 Comparison of RAO results between platform with and without blisters(Survival,head sea)

3.4 运动响应

通过不规则波试验，可以获得半潜式平台在生存吃水且立柱有附体的情况下，不同浪向不规则波作用时的垂荡、横摇和纵摇运动响应。进一步通过数值方法计算半潜式平台在立柱有无附体时的运动响应，以分析立柱附体对平台运动响应的影响。运动响应数值和试验结果对比如表4所示。

表4 半潜式平台生存工况运动响应有义值Tab.4 Motion response of the semi-submersible platform under the survival condition

可见，平台垂荡、横摇以及纵摇响应幅值的试验值与计算值相差不大，其误差普遍低于10%；总体上，试验与计算结果呈现出相同的规律。对比没有立柱附体时的运动响应，半潜式平台在增加立柱附体后，垂荡和横摇运动在横浪生存工况下的运动幅值可减小5%～6%；纵摇运动改善最为明显，在各角度和海况下均可减小11%～15%。可见，立柱纵向增加附体可以改善平台在极端海况下的垂向运动响应，特别是纵摇运动响应。