半潜式支持平台靠泊Spar的双体水动力特性分析

2022-08-25隋海波陈国龙

船舶与海洋工程 2022年3期

隋海波，杨旭，康庄，陈国龙

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引言

半潜式支持平台在多浮体辅助钻井系统（Tender Assisted Drilling，TAD）中具有重要作用，不仅能为钻井平台提供钻井设备和物资补给，而且能存储和转运钻井平台生产的原油，有效解决钻井平台的甲板空间紧张的问题，更经济合理地改善其载重量，从而增加平台的作业水深。此外，支持平台能为钻井工作人员提供更加安全舒适的工作和生活环境，当钻井平台出现紧急情况时，通过平台之间的舷桥为该平台上的工作人员提供撤离通道，远离危险区域，降低风险和损失。在辅助钻井系统开展钻井作业期间，由于支持平台与钻井平台之间的距离较小，会产生复杂的水动力干扰现象，对平台的水动力参数产生一定的影响，从而对平台的运动性能乃至钻井作业产生相应的干扰。因此，有必要对这2 个平台之间的水动力干扰现象进行研究，分析其对各浮体的水动力参数的影响程度。

HONG等采用高阶边界元法对LNG-FPSO（Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage and Offloading）和LNGC（Liquefied Natural Gas Carrier）与穿梭油船在波浪中的运动响应和平均漂移力进行了分析，并对数值计算结果与模型试验结果进行了对比分析。KASHIWAGI 等采用基于压力积分的近场法计算了波浪中并靠两船的平均漂移力，并与试验结果进行了对比，发现二者的吻合度效果较好。付强等对旁靠系泊穿梭油船与FPSO进行了频域水动力干扰分析，发现平均波浪漂移力在高频段受水动力相互作用的影响较为明显，而附加质量、势流阻尼和船体响应的RAO受到的影响较小。丁凯等对2 个并靠的半潜式平台进行了水动力载荷特性分析，重点研究了平台间距、浪向和水动力相互作用对各平台水动力载荷的影响。

本文基于三维势流理论，对半潜式支持平台靠泊Spar平台进行钻井作业时两平台的附加质量、势流阻尼和一阶波浪力等进行计算，并采用近场法计算平台的平均漂移力，得到两平台在不同状态下的水动力参数，对比单体状态与双体状态下水动力相互作用对两平台的影响。

1 计算理论

1.1 坐标系定义

对于波浪中的浮体，其坐标系O-xyz和O-xyz通常位于浮体中心处，z 轴竖直向上，x 轴沿浮体长度方向指向艏部，y轴沿浮体宽度方向指向左舷。此外，为描述浮体的相对位置，还需引入总体坐标系O-XYZ，见图1。

图1 坐标系与浪向角定义

图1中标明了浪向角的定义，浪向角与坐标系x 轴的正向夹角一致，即在迎浪状态下，浪向为180°。

1.2 计算方法

多体系统中的附加质量、势流阻尼和一阶波浪力等水动力系数可采用源汇分布法求解，水动力相互作用问题可认为是各浮体的辐射势的叠加。将入射波、辐射波和绕射波叠加，可得到多浮体系统周围的流场表达式为

式（2）中，ρ为海水密度。

由式（2）可得到一阶水动力与力矩的广义表达式为

式（3）中：S为浮体的湿表面积；n为第j自由度运动的法向量。由式（3）可求得弗劳德-克雷洛夫力F和绕射力F为

浮体运动的第k项单位振幅产生的辐射波引起的辐射力F为

式（1）中的辐射势φ的实部（Re）和虚部（Im）可表示浮体的附加质量A和阻尼系数C，即

二阶波浪漂移力采用浮体湿表面的压力积分法（即近场法）求解，在势流假设下，流体的运动可用速度势描述，即

式（9）中：ε为接近于0 的扰动参数。假设浮体围绕静态平衡位置作小幅度的振动，则浮体上的任意一点的一阶压力分布p和二阶压力分布p可表示为

式（10）和式（11）中：X和X分别为线性运动向量和点在竖直方向上的坐标；∇为哈密尔顿算子。在湿表面S上对p进行积分，得到二阶波浪漂移力为

2 研究对象概述

在商业软件SESAM的GeniE模块中对半潜式支持平台和Spar平台的水动力模型进行建模和网格划分，并将其导入水动力计算模块HydroD中进行频域计算。半潜式支持平台由六立柱、双浮箱和三横撑组成，其浮箱的艏艉结构形式为非对称型，艏部为方形；Spar平台为传统式结构，即主体部分为柱体与中心井的组合。两平台的有限元计算模型见图2。

对图2 中各平台单体的有限元计算模型进行水动力计算，可得到单体状态下各浮体的水动力系数，此时再对两平台进行水动力耦合计算，其计算模型见图3。该模型的左侧为半潜式支持平台，右侧为Spar 平台，两平台的中心线在同一水平线上，半潜平台的艏部指向Spar平台。在两平台进行钻井作业时，浮体的水下部分结构的外缘相距22 m。值得注意的是，双体耦合计算有限元模型中的网格划分与单浮体状态完全相同，两平台之间增加了一个用于抑制共振频率出现的阻尼面网格，是自由表面的一部分。

图2 半潜式支持平台与Spar平台的有限元计算模型

图3 双体水动力耦合计算模型

半潜式支持平台与Spar平台的主尺度参数见表1，其中：半潜式支持平台由于其下浮体为非对称结构，重心偏向艏部1.04 m，靠近艏部和艉部的立柱与中间立柱的尺寸有所不同，中间立柱的长度相对前后立柱较小；Spar平台的中心井为方形结构。

表1 半潜式支持平台与Spar平台的主尺度参数

3 计算结果与分析

半潜式支持平台和Spar平台的双体频域水动力计算主要通过SESAM软件中的HydroD模块完成，其求解器为Wadam，主要基于三维势流理论对两平台的运动RAO、附加质量、一阶波浪力和平均波浪漂移力等进行计算。本文对两平台在单体状态与双体状态下的计算结果进行对比分析，结果如下。

3.1 运动RAO

为探索水动力干扰对平台运动RAO 的影响程度，重点关注两平台在单体状态和双体靠泊状态下的纵荡、垂荡和纵摇RAO计算结果，对比分析结果见图4。可知：半潜式支持平台的运动RAO受到一定程度的水动力干扰的影响，其中纵荡RAO在单体状态和双体靠泊状态下的变化曲线吻合良好，水动力干扰的影响程度较小；在垂荡自由度下，半潜式支持平台在0.39 ～0.78 rad/s的波频区间内受到水动力相互作用的影响，双体靠泊状态下的运动RAO幅值相比单体状态有所增大；纵摇RAO表现出了相似的规律，即在0.31 ～0.80 rad/s的波频区间内受到水动力的干扰，且纵摇RAO变化曲线峰值对应的波浪频率因水动力相互作用而有所改变。Spar平台的运动RAO计算结果表明，水动力干扰对其影响程度较小。

图4 半潜式支持平台与Spar平台运动RAO

3.2 附加质量

由半潜式支持平台与Spar平台的相对位置（见图1）可知，两平台的水动力相互影响主要发生在纵荡方向上，作用方式主要是间隙水体的振动，二者在单体状态与双体状态下的附加质量对比见图5。可知：半潜式支持平台的附加质量在波浪频率为0.31 ～1.04 rad/s的区间内受到水动力的干扰，在靠泊状态下得到的附加质量变化曲线相比单体状态，峰值增加，谷值减小，说明水动力干扰使平台的纵荡附加质量的变化更剧烈；Spar平台的附加质量在波浪频率约为0.63 rad/s之后的波浪频率区间内受到水动力的干扰，靠泊时的附加质量有相对减小的部分，其幅值约减小4%。对比分析可知，水动力相互作用对半潜式支持平台附加质量的影响更加明显。

图5 半潜式支持平台与Spar平台附加质量

3.3 一阶波浪力

计算半潜式支持平台和Spar平台在090°、135°和180°等3 个波浪方向上的一阶波浪力，并对比各平台在单体状态与双体靠泊状态下的计算结果，具体见图6。

图6 半潜式支持平台与Spar平台一阶波浪力

由图6 可知，半潜式支持平台纵荡方向的一阶波浪力F在波浪频率大于约0.31 rad/s的区间内受到了复杂的水动力的干扰，在180°浪向和135°浪向下，双体靠泊时的一阶波浪力相比单体时有所减小，而在90°浪向下，双体靠泊时的一阶波浪力相比单体时有所增加；半潜式支持平台横荡方向的一阶波浪力F受水动力干扰的影响较小；半潜式支持平台的艏摇一阶波浪力矩M受到了一定程度的水动力干扰，在波浪频率大于约0.78 rad/s的波浪频率区间内，耦合靠泊时的计算结果相比单体时有所减小，而90°浪向下的计算结果整体上比单体时大。Spar平台受水动力干扰的影响程度较小，主要集中在艏摇一阶波浪力矩的计算结果中，耦合靠泊时的计算结果在波浪频率大于约0.78 rad/s之后比单体时增加很多；纵荡和横荡自由度的一阶波浪力受水动力干扰的程度较小。

3.4 平均波浪漂移力

平均波浪漂移力是使浮体产生大幅度纵荡运动的主要原因，当两平台进行靠泊作业时，其平均波浪漂移力受水动力的影响同样不容忽视，本文对90°、135°和180°浪向下两平台的平均波浪漂移力进行分析，计算结果见图7。由图7 可知：半潜式支持平台的的平均波浪力受到水动力干扰的影响较大，在耦合靠泊状态下，纵荡方向的平均波浪漂移力F在波浪频率约为0.52 rad/s时相比单体状态出现了新的峰值，且由峰值后的变化曲线对比可知，水动力干扰使得平均漂移力的数值发生了很大变化；横荡方向的平均波浪漂移力F在各浪向下的变化曲线的变化趋势一致，但峰值的数值有所差异；半潜式支持平台的平均波浪漂移力矩M在135°浪向下靠泊时的幅值相较单体状态有较大的增量。对比而言，平均波浪漂移力F与平均波浪漂移力矩M受到水动力干扰的影响比较大。Spar平台的平均波浪漂移力F、F及其平均波浪漂移力矩M在各浪向下的计算结果表明，在单体状态与双体状态下，水动力的相互影响已对上述参数产生较大的影响，上述参数变化曲线的变化趋势和峰值均已发生较大的变化。