史俊奇 ， 肖龍飛 ， 楊立軍 ， 方智超

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240）

0 引 言

半潛式平臺(tái)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來，在海洋石油勘探開發(fā)中一直得到廣泛應(yīng)用[1]。半潛式平臺(tái)具有性能優(yōu)良、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、甲板面積大和裝載量大、適應(yīng)水深范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而成為實(shí)施海上油氣田開發(fā)的主力裝備之一[2-3]。半潛式平臺(tái)主要由上部甲板、立柱、浮箱以及立柱或者浮箱之間連接的橫撐構(gòu)件組成，通常采用分布式系泊系統(tǒng)或動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行海上作業(yè)[4]。

半潛式平臺(tái)發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)針對(duì)半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能的優(yōu)化做了大量研究，針對(duì)平臺(tái)的吃水、立柱以及浮筒提出許多優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。Birk和Clauss[5]分析了將方形直立柱改為變截面圓形立柱之后對(duì)半潛式平臺(tái)垂蕩性能的影響，優(yōu)化的結(jié)果使半潛式平臺(tái)因垂蕩運(yùn)動(dòng)過大而停工的時(shí)間由27.2%減小到17.2%，效果顯著。Chakrabarti等[6]提出一種采用桁架式浮筒結(jié)構(gòu)（Truss-Pontoon）的半潛式平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)該新型結(jié)構(gòu)很好地利用了垂蕩板產(chǎn)生的附加質(zhì)量和分離流阻尼，能夠有效改善平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)。陳新權(quán)等[7]對(duì)立柱的長(zhǎng)寬高以及吃水等參數(shù)對(duì)半潛式平臺(tái)垂蕩性能的影響做了研究，得到了立柱尺寸的最優(yōu)解。楊立軍等[8]研究在保持立柱截面面積不變的情況下改變其形狀對(duì)半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)性能的影響不大。白云山[9]針對(duì)浮筒尺寸以及立柱寬、高和立柱間距等對(duì)半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響，在考慮平臺(tái)氣隙、穩(wěn)性、垂蕩、橫搖和縱搖的基礎(chǔ)上尋求其最優(yōu)解。

本文在半潛式平臺(tái)常規(guī)直立柱雙浮筒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在立柱沿平臺(tái)縱向方向上增加附體，并通過模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算研究立柱附體對(duì)平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響。在此基礎(chǔ)上，保持立柱附體水線面面積不變，研究分析立柱附體截面形狀的影響。

1 平臺(tái)與立柱附體設(shè)計(jì)方案

所研究的半潛式平臺(tái)作業(yè)水深為1 500 m，其主體結(jié)構(gòu)由2個(gè)浮筒、4根直立方形立柱和立柱附體、連接立柱的4根圓形橫撐以及1個(gè)箱型甲板組成，如圖1試驗(yàn)?zāi)Ｐ退?。與傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)相比，該平臺(tái)的4根立柱在沿平臺(tái)縱向方向上都有一部分凸起，稱這部分為立柱附體，距基線高度在8.625 m到23 m之間。這一立柱附體可以有效增加平臺(tái)的水線面面積以及水線面慣性矩，借以改善平臺(tái)的穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)性能，并可有效改善平臺(tái)在特定頻率范圍內(nèi)的平均波浪力。平臺(tái)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其中平臺(tái)立柱有無附體時(shí)的吃水、重心位置和慣性半徑參數(shù)都保持相同，以研究立柱附體的影響。

表1 半潛式平臺(tái)主要參數(shù)（單位：m）Tab.1 Main parameters of the semisubmersible platform

圖1 帶立柱附體的半潛式平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model of the semi-submersible platform with blisters

2 模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算

為研究這種帶有立柱附體的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能，進(jìn)行水池模型試驗(yàn)，以及基于三維勢(shì)流理論的數(shù)值計(jì)算分析。

模型試驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程水池進(jìn)行，模型縮尺比為1:50，考慮作業(yè)和生存兩個(gè)吃水。在生存吃水下，分別對(duì)平臺(tái)立柱有無附體的情況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以驗(yàn)證立柱附體能否改善平臺(tái)水動(dòng)力性能。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：

（1）靜水中自由衰減試驗(yàn)，獲得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的固有周期和阻尼系數(shù)；

（2）白噪聲試驗(yàn)與規(guī)則波試驗(yàn)，獲得平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)函數(shù)（RAO），以及二階平均波浪力的二次傳遞函數(shù)（QTF）；

（3）不規(guī)則波試驗(yàn)，獲得平臺(tái)在極端海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。海洋環(huán)境參數(shù)如表2所示，波浪譜采用JONSWAP譜。

表2 海洋環(huán)境不規(guī)則波參數(shù)Tab.2 Sea state characteristics

基于三維勢(shì)流理論，采用DNV的SESAM軟件，分別計(jì)算半潛式平臺(tái)在有和沒有立柱附體時(shí)的水動(dòng)力響應(yīng)[10]，并與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。有立柱附體時(shí)的平臺(tái)濕表面有限元模型如圖2所示。

圖2 帶立柱附體的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力模型Fig.2 Panel model of the semi-submersible platform with blisters

3 試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果分析

3.1 固有周期和阻尼系數(shù)

分別由模型靜水衰減試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算得到半潛式平臺(tái)的垂蕩和橫縱搖的固有周期，并可由靜水衰減試驗(yàn)獲得平臺(tái)垂蕩和橫縱搖的阻尼系數(shù)，如表3所示?？梢?，固有周期的試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合，表明模型參數(shù)模擬準(zhǔn)確。對(duì)比平臺(tái)立柱有無附體的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，立柱附體可以明顯減小平臺(tái)的垂蕩周期和橫縱搖周期，是因?yàn)榱⒅襟w可以增加平臺(tái)的水線面面積和恢復(fù)力矩；同時(shí)，立柱附體不會(huì)影響平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)的阻尼系數(shù)，會(huì)減小平臺(tái)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的阻尼系數(shù)。

表3 固有周期和阻尼系數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of the natural periods and damping coefficients

3.2 二階平均波浪力

在規(guī)則波試驗(yàn)中，由水平系泊纜受力可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)波浪方向上的二階平均波浪力，分析可得半潛式平臺(tái)二階平均波浪力QTF。取半潛式平臺(tái)迎浪時(shí)的數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

可見，試驗(yàn)結(jié)果中，半潛式平臺(tái)立柱有附體的情況下其縱向二階平均波浪力比平臺(tái)立柱無附體時(shí)明顯減小，其差值均在20%左右，說明立柱附體可以顯著減小平臺(tái)的縱向二階波浪力，而計(jì)算結(jié)果基本與試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出相同規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比生存吃水半潛式平臺(tái)在立柱有無附體時(shí)，90°橫浪下的橫蕩二階平均波浪力，135°斜浪時(shí)的首搖二階平均波浪力矩，如圖4所示。可見，增加立柱附體對(duì)平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)二階平均波浪力總體上影響不大，在7～10 s波浪周期范圍內(nèi)略有增大，首搖運(yùn)動(dòng)二階平均波浪力矩在3～6 s范圍內(nèi)明顯增大，而在8～12 s范圍內(nèi)顯著減小。因此，在立柱沿平臺(tái)縱向方向上增加附體，可以顯著減小平臺(tái)縱向二階波浪力，但同時(shí)會(huì)稍微增大橫向二階波浪力。

3.3 運(yùn)動(dòng)RAO

通過白噪聲試驗(yàn)和規(guī)則波試驗(yàn)，可獲得半潛式平臺(tái)6自由度運(yùn)動(dòng)的RAO，取生存吃水時(shí)帶有立柱附體半潛式平臺(tái)在135°斜浪時(shí)的6自由度運(yùn)動(dòng)RAO，將試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示?？梢?，試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果基本吻合良好，表明計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效。

圖3 縱向二階平均波浪力QTF對(duì)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)

圖4 橫蕩和首搖二階平均波浪力QTF結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces in sway and yaw directions

圖5 運(yùn)動(dòng)RAO試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比（生存吃水，135°浪向角）Fig.5 Comparison of RAO results between test and calculation(Survival,quartering sea)

在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)比生存吃水下半潛式平臺(tái)立柱有無附體時(shí)的六自由度運(yùn)動(dòng)RAO，取迎浪時(shí)的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)RAO，如圖6所示?？梢姡霛撌狡脚_(tái)在立柱增加附體之后，其縱蕩運(yùn)動(dòng)幾乎沒有影響；平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)因?yàn)楣逃兄芷趶?8.3 s減小為17.1 s，所以RAO曲線整體向低周期平移，大小沒有變化；平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)RAO得到顯著改善，在7 s到25 s的常見海浪周期范圍內(nèi)，其RAO顯著減小，最大幅值從0.73減小到0.62，減小了15%。

圖6 平臺(tái)立柱有無附體運(yùn)動(dòng)RAO結(jié)果對(duì)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 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

通過不規(guī)則波試驗(yàn)，可以獲得半潛式平臺(tái)在生存吃水且立柱有附體的情況下，不同浪向不規(guī)則波作用時(shí)的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。進(jìn)一步通過數(shù)值方法計(jì)算半潛式平臺(tái)在立柱有無附體時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，以分析立柱附體對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 半潛式平臺(tái)生存工況運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有義值Tab.4 Motion response of the semi-submersible platform under the survival condition

可見，平臺(tái)垂蕩、橫搖以及縱搖響應(yīng)幅值的試驗(yàn)值與計(jì)算值相差不大，其誤差普遍低于10%；總體上，試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。對(duì)比沒有立柱附體時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，半潛式平臺(tái)在增加立柱附體后，垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)在橫浪生存工況下的運(yùn)動(dòng)幅值可減小5%～6%；縱搖運(yùn)動(dòng)改善最為明顯，在各角度和海況下均可減小11%～15%?？梢?，立柱縱向增加附體可以改善平臺(tái)在極端海況下的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，特別是縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

3.5 立柱附體形狀影響

原設(shè)計(jì)中立柱附體的水線面形狀為帶倒角的等腰直角三角形，為分析其水線面形狀對(duì)半潛式平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響，在保持水線面面積不變的情況下將其截面形狀依次改為梯形、五邊形和半圓形，如圖7所示，通過數(shù)值計(jì)算研究立柱附體形狀對(duì)平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響。

考慮到立柱附體對(duì)平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)影響可以忽略，只取迎浪時(shí)平臺(tái)縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)RAO的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示?？梢?，運(yùn)動(dòng)RAO相同，改變立柱附體水線面形狀對(duì)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能幾乎沒有影響。

圖7 立柱附體形狀變化圖Fig.7 Various shapes of the column blister

圖8 運(yùn)動(dòng)RAO結(jié)果對(duì)比（生存吃水，180°浪向角）Fig.8 Comparison of RAO results among platforms with blisters of different shapes(Survival,head sea)

考慮對(duì)二階平均波浪力的影響，分別取平臺(tái)180°迎浪時(shí)的縱向力，90°橫浪時(shí)的橫向力以及135°斜浪時(shí)的首搖力矩，結(jié)果如圖9所示?？梢姡诹⒅襟w水線面面積不變情況下改變其截面形狀，對(duì)平臺(tái)二階波浪力也基本沒有影響。

圖9 二階平均波浪力QTF對(duì)比Fig.9 Comparison of QTF results of 2nd order mean drift forces

4 結(jié) 論

通過模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究半潛式平臺(tái)在立柱縱向增加附體后對(duì)水動(dòng)力性能的影響，包括固有周期和阻尼、二階波浪力、運(yùn)動(dòng)RAO以及不規(guī)則波作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并分析立柱附體形狀變化的影響。結(jié)果表明：

（1）縱向立柱附體會(huì)明顯降低平臺(tái)垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期，不影響垂蕩阻尼，但會(huì)減小橫搖和縱搖阻尼。

（2）縱向立柱附體會(huì)明顯減小平臺(tái)縱向二階波浪力，但同時(shí)會(huì)稍微增大橫向二階波浪力。

（3）縱向立柱附體會(huì)顯著減小平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)RAO，并能夠改善平臺(tái)在極端海況下的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，特別是縱搖運(yùn)動(dòng)。

（4）在保持立柱附體面積不變的情況下改變其形狀，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和二階平均波浪力幾乎沒有影響。