基于AQWA的南海半潜式海洋平台系泊系统破断分析

朱晓洋 胡金鹏

摘    要：本文基于三維势流理论，针对南海海域工作的某半潜式海洋平台，运用水动力分析软件AQWA进行频域分析和时域分析，得到不同环境下海洋平台的附加质量、兴波阻尼系数等水动力系数以及各自由度的幅值响应传递函数。在此基础上，考虑风浪流对海洋平台的联合作用，以及系泊系统与海洋平台之间的耦合作用，在时域内研究了海洋平台在南海百年一遇极端海况下的运动响应及系泊缆绳的张力，分析系泊破断时平台运动响应和缆绳张力的变化情况，分析结果可为南海海域半潜式海洋平台的初步设计提供相应的科学依据。

关键词：半潜式海洋平台;AQWA;耦合作用;极端海况;系泊破断

中图分类号：P731.22                            文献标识码：A

Abstract： Based on the three-dimensional potential flow theory， this paper uses the hydrodynamic analysis software AQWA to perform frequency domain analysis and time domain analysis on a semi-submersible offshore platform working in the South China Sea. The additional mass and wave damping coefficient of the ocean platform in different environments are obtained. The hydrodynamic coefficients and the amplitude response transfer functions （RAOs） of the respective degrees. On this basis， considering the combined effect of wind and wave on the offshore platform， considering the coupling between the mooring system and the offshore platform， the motion response and mooring of the offshore platform in a once-in-a-century extreme sea condition of the south China sea are studied in the time domain. The changes of platform motion response and mooring line tension during mooring line breakage are considered and analyzed， which will provide a corresponding scientific basis for the preliminary design of the semi-submersible offshore platform in the South China Sea.

Key words： Semi-submersible offshore platform; AQWA; Coupling; Extreme sea conditions; Mooring Lines breaking

1    引言

随着海洋油气开采逐步向深水领域迈进，深水半潜式钻井平台在我国海域的应用越来越广泛。半潜式平台的水下部分主要由立柱、浮箱和横撑这类柱体结构组成，其数值预报方法一般采用Morison理论和势流理论。由于平台在恶劣的环境载荷作用下会产生波频摇荡和低频漂移运动，因此开展半潜平台立柱结构水动力特性的分析工作具有重要意义。许多学者针对水动力的各种特性对平台结构的影响做了大量研究。刘海霞[1]等对大型半潜式平台的波浪载荷计算采取Morison公式和势流理论相结合的方法，对于小尺寸结构物采用Morison公式计算;李辉[2]等对深水半潜式平台波浪载荷计算的确定性和随机性设计波法进行了研究，并以两艘不同形式的半潜式平台作为实际算例进行了对比分析;王世圣[3]等利用三维水动力模型，对具有不同横撑结构形式的两种典型深水半潜式钻井平台的波浪载荷进行了分析研究;宋安科[4]对第五半潜式平台进行了水动力分析，得到了水动力时间历程响应曲线;吴澜等[5]针对深水半潜式平台建立了三维水动力模型，使用 AQWA 软件进行数值模拟，研究了水动力系数变化特征并进行了运动响应预报。

AQWA是计算三维流体动力学的重要工具，广泛应用于船舶与海洋结构物的流体动力学性能评估及分析。本文使用AQWA计算半潜式海洋平台的水动力特性、平台运动响应及系泊系统与平台之间的耦合作用，通过比较不同海况下的计算数值得出结论，最后进一步考虑系泊缆绳断裂时的特殊情况。本文的计算方法及计算结果，将为半潜式海洋平台的初步设计提供重要的参考作用。

2    数值模型建立

2.1  平台的主要参数

研究对象是南海某半潜式海洋平台，作业水深1000 m。平台的主要构件为：4根立柱、2个平行浮体以及2个横撑浮子。平台的长、宽、高为：l×b×h=98 m×75 m×40 m;吃水深度d=23.5 m;质量m=5.6×107 kg;转动惯量为Ixx=9.1×1016 kg·mm2、Iyy=6.2×1016 kg·mm2 、Izz=1.3×1017 kg·mm2。

2.2   网格划分

利用AWQA進行自动划分网格，定义网格单元最大尺寸为3 m、变形公差为1 m。选择网格划分形式为连接网格，得到四边形网格。网格划分如图1所示。

2.3   系泊系统设计

系泊缆为单一成分缆，具体参数如下：单位长度缆绳重量185.4 kg/m;等效界面面积1.33×10-2 m2;轴向刚度7.25×107 N;破断力6.08×106 N;拖曳力直径9.2×10-2 m;纵向阻力系数为0.025。

缆绳数目选为8根，缆绳成对称分布，缆绳夹角α=46.8°。其中，1、3、5、7号缆绳的张力倾角β=33.2°，2、4、6、8号缆绳的张力倾角γ=24.1°，具体缆绳布置和角度定义如图2所示。

2.4   模型建立

根据以上参数，在AWQA中建立平台及系泊系统模型，如图3所示。

2.5   海洋环境条件

本文环境条件采用南海百年一遇的极端海况条件，见表1。

3    数值结果分析

3.1   水动力分析

水动力分析主要计算平台在规则波中的运动和受力响应及相关水动力学参数，如附加质量、附加阻尼、波浪力和幅值响应传递函数（RAOs），为后续的时域耦合分析提供数据基础。

附加质量以mij表示，m11、m22和m33分别表示纵荡、横荡和垂荡三个平动运动模态的附加质量，如图4所示;平台在规则波中纵荡、横荡和垂荡的运动响应幅值，如图5所示。

从图4可以看出m22> m33> m11，这是因为平台横向浸湿面积大于垂向浸湿面积、垂向浸湿面积大于纵向浸湿面积，在规则波的作用下平台发生强迫振动，受到横荡附加质量最大、纵荡附加质量最小;在高频和低频处，附加质量比较稳定，在0.6～1.2 rad/s频率之间，即在常见的波浪周期内，附加质量波动较大，并出现波峰和波谷（其值均在107量级）。

由图5可知，平台在高频区域（ω>1.2 rad/s）运动响应幅值的变化幅度较小，该频率范围内的运动性能表现良好;平台的垂荡固有周期为20.9s（ω=0.3rad/s）;纵荡和横荡的运动响应变化趋势一致，这是由平台为对称性结构所致。

3.2   时域耦合分析

当风、浪、流三者同向作用时，平台的系泊系统将产生最大的临界力。因此本文假设风、浪、流作用在同一方向上，再分别以与x轴正方向成0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°这七个方向进行时域耦合分析，其中规定0°和90°的方向如图2所示。

根据设计的系泊系统参数，进行七个方向的时域耦合分析，模拟计算时间为10 800 s，得到平台的运动响应和系泊缆张力，进一步计算安全系数和偏移量。安全系数指系泊缆断裂强度与所受最大张力之比。

根据计算结果：（1）在七个方向的环境力作用下，系泊缆绳的安全系数均大于1;当环境力方向为60°时，平台的系泊缆张力最大，其原因是在60°环境力方向上，平台的受风面积和受流面积都达到最大值，此时所受的环境载荷达到最大值4 791 kN;平台的环境力主要是由NO.8系泊缆分担，其强度尤为重要;（2）当环境力方向为0°时，平台沿X方向的偏移量最大（达到8.480%），沿Y方向的偏移量为0;当环境力方向为90°时，平台沿Y方向的偏移量最大（达到15.23%），沿X方向的偏移量为0，这两种情况均符合实际。

3.3   特殊情况下的时域耦合分析

平台在工作中偶尔会因为某些特殊情况（如：海洋生物的破坏、极端载荷的冲击等）造成某条系泊缆的断裂。本文针对两种系泊缆意外断裂的特殊情况再次进行七个方向的时域耦合分析，得到平台的运动响应和系泊缆张力。

（1）NO.1系泊缆断裂

假设NO.1系泊缆断裂，进行七个方向的时域耦合分析。断裂前后各系泊缆所受的最大张力变化情况，如图6所示;平台运动响应变化情况，如图7所示。

从图6可以看出：即使NO.1系泊缆断裂，其余系泊缆所受的最大张力均小于系泊缆的断裂强度，安全系数均大于1;NO.1系泊缆断裂后，NO.2和NO.3系泊缆最大张力变大，且随着环境载荷与x轴正方向夹角的增大而增大;NO.4系泊缆最大张力略有减小，但当夹角大于78°时又略有增大;NO.5、NO.6和NO.7系泊缆最大张力减小，且减小幅度与夹角变化关系不大;NO.8系泊缆最大张力显著增大，且随着夹角的增大而增大。平台的环境力依旧主要由8号系泊缆分担，其最大张力达到5 723 kN，非常接近断裂强度。

从图7可以看出：NO.1系泊缆断裂后，平台沿x方向的运动响应减小，沿y方向的运动响应增大，且随着夹角的增大，变化幅值也变大。

（2）NO.2号系泊缆断裂

假设NO.2号系泊缆断裂，进行七个方向的时域耦合分析.断裂前后各系泊缆所受的最大张力变化情况，如图8所示;平台运动响应变化情况，如图9所示。

从图8可以看出：当NO.2系泊缆断裂时，其余系泊缆所受的最大张力仍小于系泊缆的断裂强度，安全系数均大于1;NO.2系泊缆断裂后，NO.1号、NO.3和NO.4系泊缆最大张力变大，且随着环境载荷与x轴正方向夹角的增大而增大;NO.5系泊缆最大张力略有减小，减小幅度与夹角无关;NO.6、NO.7和NO.8系泊缆最大张力减小，且减小幅度与夹角变化关系不大。平台的环境力依旧主要是由NO.1和NO.8系泊缆分担，NO.1最大张力达到5 064 kN，接近系泊缆断裂强度。

从图9可以看出：NO.2系泊缆断裂后，平台沿x方向的运动响应减小，且随着夹角的增大，变化的幅值也变大;沿y方向的运动响应增大，变化的幅值较小。

4    结论

本文采用基于势流理论和时域耦合动力方法的AWQA软件，对某半潜式海洋平台在规则波中进行水动力学分析，然后进行时域耦合分析，计算平台在南海百年一遇的极端海况下的运动响应和系泊缆张力响应，并考虑当系泊缆断裂后的响应变化情况，得到以下结论。

（1）半潜式平台在高频区域（ω>1.2 rad/s）運动性能表现良好，响应幅值很小。纵荡和横荡的运动响应变化趋势一致，这是由平台结构对称性所决定的。该方法可以初步预报半潜式平台的运动性能，为平台型线设计提供参考;

（2）当环境力方向在60°附近时，平台的系泊缆张力和水平偏移最大，因而在系泊方案设计中需要引起重视;

（3）在七个不同方向的环境力的作用下，NO.8系泊缆所受张力一直是最大的，因此在系泊方案设计中要着重考虑其强度;

（4）当NO.1或者NO.2系泊缆断裂后，其余各系泊缆的安全系数依然大于1，平台能维持在正常状态，但是其余系泊缆的张力和平台运动响应会发生显著变化，在设计时需要考虑此种特殊情况。

参考文献

[1]刘海霞，肖熙.半潜式平台结构强度分析巾的波浪载荷计算[J].中国     海洋平台，2003.18（2）.

[2]李辉，任慧龙，陈北燕，等.深水半潜式平台波浪载荷计算方研究[J].     华中科技大学学报（自然科学版），2009，37（3）.

[3] 王世圣，谢彬，冯玮，等.两种典型深水半潜式钻井平台运动特性和     波浪载荷的计算[J].中国海上油气，2008，20（5）.

[4] 宋安科.深水半潜式钻井平台锚泊系统方案设计与分析[D].哈尔滨工     程大学，2008.

[5] 吴澜，吴宝山，等.基于AWQA的半潜式平台水动力特性研究[J].中     国海洋平台，2014，29（5）.

[6] 唐文献，高泽，等.基于AWQA的2种立柱结构的半潜式海洋平台水     动力特性研究[J]. 船舶科学技术，2017，39（5）.

[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）.

[8]童波，杨建民，李欣.深水半潜平台悬链线式系泊系统耦合动力分析[J].     中国海洋平台，2008，23（6）.

[9]  李亚男，唐文献，等.基于锚泊系统的半潜式海洋平台系泊缆长度      优化方法研究[J].船舶工程，2014，36（3）.

[10]  严琦，郭建廷，等.半潜式海洋平台水动力性能分析[J].中国水       运，2018，18（9）.