半潜平台浮托安装水动力响应特性数值模拟与模型试验研究.pdf
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1、第45卷第2 2 期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.22Nov.,2023半潜平台浮托安装水动力响应特性数值模拟与模型试验研究杨易凡12,彭涛,王磊12,王一听12(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海2 0 0 2 40;2.三亚崖州湾深海科技研究院,海南三亚57 2 0 0 0)摘要:半潜式平台(Semi-SubmersiblePlatform,S E MI)是海洋石油天然气开发中钻井和生产中常见的浮式平台,随着海洋资源的不断开发,浮托安装作为一种省时省力的新型模块安装法逐渐成为主流。本文以半潜平台上部组块浮托安装
2、过程为研究对象,以数值模拟和模型试验为研究手段,针对不同海况条件,探究半潜平台在浮托安装船进船过程中的水动力响应特性,并对平台是否会发生触底进行评估。结果表明,Newman近似法得到的垂荡运动结果与全QTF法误差较大,后者与模型试验吻合更好;本文平台不会发生触底现象,可以安全进行浮托安装作业,研究结果为实际工程安装提供数据支持与有力支撑。关键词:浮托安装;半潜平台;运动响应;全QTF法中图分类号:U674.38+1文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 2-0 0 97-0 8Experimental and numerical investigation of the hy
3、drodynamic response characteristics of the(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.SJTU-Sanya Yazhou BayAbstract:Semi-submersible platform(SEMI)is a widely-used floating platform for drilling and production in offshoreoil and gas development.W
4、ith the continuous development of marine resources,float-over installation,as a new module in-stallation method that saves time and labor,has gradually become the mainstream.In this paper,the installation process ofthe topside of the SEMI is taken as the research object,and the numerical simulation
5、and model test are taken as the researchmeans,the hydrodynamic response characteristics of SEMI during the process of docking are investigated,and whether theplatform will touch the bottom is evaluated.The results show that the heave motion obtained by the Newman approximationmethod has a larger err
6、or than that obtained by the full QTF method,and the latter has a good agreement with the results ob-tained by the model test.The platform in this study will not touch bottom and can be installed safely.The results of the studycan provide data support for the actual engineering installation.Key word
7、s:float-over installation;semi-submersible platform;motion response;full QTF0引言海洋油气开发已然成为现今深海开发的重要一环,各类海上平台正在向大型化、综合化、智能化多方向发展1-2 ,大型海上结构物安装越来越复杂,其上收稿日期:2 0 2 2-10-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(5117 910 3)作者简介:杨易凡(1998),女,硕士研究生,研究方向为半潜平台水动力学。文献标识码:Asemi-submersible platform in float-over installationYANG Yi-f
8、an2,PENG Tao,WANG Leil2,WANG Yi-tingl?Institute of Deepsea Science and Technology,Sanya,572000,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.22.018部结构的重量不断增加的同时,整体尺寸也在不断增大,原始安装方法的安装难度不言而喻。模块安装法作为一种新型安装选择,可以减少海上安装作业时间,降低安装难度并且减少安装费用,目前主流的模块安装法有浮吊法和浮托法,浮吊法需要用到价格昂98贵的大型起重船,成本较高,浮托安装则只需要普通的驳船,节约成本的同时也节省时间,不需要
9、在海上集成和调试模块。浮托安装具体流程如下:在定位装置的辅助下,利用驳船将上部组块运输到相应的安装位置,缓慢增加驳船吃水,将上部组块的重量从驳船逐渐转移到下部支撑结构上 3,当上部组块重量完全转移到下部结构后,此时驳船与上部组块无接触,操作驳船缓慢退出。根据使用的驳船数量不同,浮托安装可简单分为单船浮托和双船浮托 4。与浮吊法相比,浮托安装法绝大多数所需装置可在陆地上进行调试,可快速开展安装作业,大幅缩短海洋平台安装工期 5。国外浮托安装的研究开展得较早,在中东、西非和墨西哥湾等地就曾多次实地尝试浮托法,已有很多成功的实际工程经验 6 ,如最早的Zakum导管架平台,国内也有KL3-2CEPA
10、、Q HD 32-6 C E P I、荔湾3-1CEP71等浮托安装成功案例。由于天气条件的敏感性和多体相互作用的复杂性,大型水上漂浮装置面临各种挑战。在过去的几十年里,通过数值模拟、模型试验和现场测量,用来估计浮体的动态响应 8 。在模拟浮托安装过程中的多体相互作用方面,建立了基于线性势流理论和脉冲理论的数值模型 9。在数值模型中,上层组块和驳船通常被简化为具有六自由度的刚体,而系泊系统通常采用细长梁理论进行模拟0 ,LMU、D S U 和护舫通常被建模为线性或非线性弹簧 1-14。许鑫115 以一座导管架平台实际安装为研究对象,分别从频域和时域两方面进行分析,将系泊缆分成若干段,每部分按照
11、悬链线方法计算。杨光 16 以渤海锦州9-3油田新建导管架平台为研究对象,考虑极浅水条件下驳船运动响应,针对驳船触底的可能性展开研究,对驳船的浅水效应产生原因进行分析。现有研究多是针对导管架平台等固定平台上部组块浮托安装,缺少以半潜平台浮托安装为研究对象的相关研究。半潜式平台作为一种稳定性较好的浮式平台,常见于海洋石油天然气开发中钻井和生产作业中。相较于固定的导管架平台,半潜平台浮托安装还需要考虑到平台的运动响应,以及平台与驳船之间多体系统耦合动力响应,因此开展相关研究具有现实意义。在浅水海域浮托安装作业过程中,更需要关注浮体触底风险,触底现象会带来极大的安全隐患,若对浮体结构带来损伤,则会造
12、成经济损失。研究表明,随着水深的减小,浮体所受波浪漂移力会增加,即浅舰船科学技术水效应。Pinksterl171提出浅水效应的明显特征是低频长波对二阶波浪力的影响大于一阶波浪力。针对二阶波浪力的预报,Newman提出一种近似方法得到二次传递函数(Quadratic TransferFunction,Q T F)。相较于直接计算完整的QTF矩阵,Newman近似方法利用定常二阶力近似低频二阶力,计算效率更高。Naciri18的研究表明在谱峰周期较短的海况中,全QTF法和NeW-man近似的方法均可以很好模拟浅水中的LNG运输船。但针对具体作业海况,两者的浮体运动预测效果不得而知。因此,本文以半潜
13、平台上部组块浮托安装过程为研究对象,针对不同海况条件,分别使用全QTF法和Newman近似的方法对浮体六自由度运动进行数值模拟,与物理模型实验结果进行对比,探究半潜平台在浮托安装船进船过程中的水动力响应特性,并对半潜平台是否会发生触底进行评估。1数值理论1.1势流理论在实际海洋环境条件的作用下,浮体的运动响应较为复杂,常见方法有理论计算和水池模型试验。风、浪、流条件中,通常由经验公式可以计算得出风载荷和流载荷,而波浪载荷作为对浮体最复杂和重要的影响因素,可通过势流理论进行求解,即通过求解流场中的速度势,从而计算需要的各类波浪力。对于海洋工程实际工程中的大型结构物,通常可以认为其周围流场中的流体
14、是均匀的、不可压缩的、无粘性的,其流动是无旋的。流场中用非定常的速度势(x,y,z,t)表示无旋运动,根据线性叠加原理,可以将速度势分解成:人射势 l,绕射势D和辐射势dR,而d(x,y,z,t)=(x,y,z,t)+D(x,y,z,t)+R(x,y,z,t)。1.2二阶波浪力的求解根据不同的边界条件,分别求解速度势,得到流场速度势后,根据伯努利方程计算作用在浮体上的动压力,对湿表面进行积分,可以得到作用在浮体上的流体作用力。其中,需要重点关注的是二阶波浪力,二阶波浪力共分为3个部分,平均部分、差频部分和高频部分。其中,平均波浪漂移力和低频慢漂力的大小与入射波波高的平方成正比,其关系可以用二阶
15、波浪力的二次传递函数(QTF)表示。除了直接计算完整的QTF矩阵(全QTF法),还可以通过近似的方式得到QTF矩阵,最常用的方法为Newman近似。第45卷(1)第45卷不规则波的表达式为:i=1二阶波浪力表达式为:NN2sitjPijcos(w;+wj)t+(ei+8j)+i=1j-122si5jQj sin(;-w,)t+(ei-8)+1=1 j=12NN2sitjPijcos(i+wj)t+(ei+8)+1-1j-1NNi=1 j=1式中:w;和w;均为频率;Si和j均为波幅;8;和8 j均为随机相位角;Pij、Q i j、P i,和Qij均为QTF矩阵。1.3时域方程求解得出波浪力后,
16、可运用刚体运动理论计算浮体在波浪中的运动,其时域方程如下:m-1/=Fm+Fam+Fm+Fm+Fm,wicui,j=1,2,3,4,5,6;m=1,2。式中:M为浮体m的广义质量;C数;Km为时延函数;T为时延;xm为j方向的位X杨易凡,等:半潜平台浮托安装水动力响应特性数值模拟与模型试验研究池长为50 m,宽为30 m,深为6 m。wamdclm)为静回复力系个Y99.移;为速度;为加速度;为浮体m诱导的浮体/的1方向附加质量;Fm、F a、F m、m、md(2)Fom分别为风力、流力、波浪力、二阶波浪力和系泊力。2数数值模拟与模型试验2.1坐标系模型试验中共涉及3个坐标系,包括大地坐标系、
17、驳船局部坐标系和半潜平台局部坐标系。其中大地坐标系原点位置通常选择浮托安装的目标点,作为浮托安装的位置参考,风、浪、流的人射角也基于大地坐标系。处于浮托安装进船阶段,可将浮托安装驳船和其(3)运输的上部组块视作整体,此时驳船局部坐标系的坐标原点位于两者共同的重心,记录其六自由度运动;而半潜平台坐标系的坐标原点则位于半潜平台重心。比号根据相似准则,本试验模型线性缩尺比选取为1:50,海水和水池水的密度比y=1.025。2.2模型试验介绍基于“陵水17-2 半潜平台”和“海洋石油229船”开展半潜平台浮托安装试验,研究适用于半潜平台浮托的集成技术,通过理论和模型试验手段进行研究。浮托安装模型试验在
18、海洋工程水池完成,水of(4)正式试验前已对所有测试仪器进行校准,分别对相关物理量进行了测量与数据采集,主要包括半潜平台和驳船重心处的六自由度运动、运动加速度、系泊缆载荷等。个YEXE心AYE一0puMAe(a)坐标系(b)驳船局部坐标系图1坐标系的定义Fig.1 Definition of coordinate systems(c)半潜平台局部坐标系100 2.3模型设计与模拟模型包括1艘浮托作业驳船模型(海洋石油229)、1艘半潜平台模型(陵水17-2)、1座上部组块模型、8 个LMU模型、4个DSU模型、护模型、若干辅助缆绳与系泊缆。试验模型缩尺比为1:50,根据半潜平台与驳船主尺度制作
19、相关模型。表1为驳船模型的主尺度,半潜平台与上部组块主尺度如表2 和表3所示。为提高模型试验的准确性,模型重量、重心、惯性半径误差均要求小于3%,可以根据调节重块的位置与重量以减少相关误差。LMU模型共有8 个,其基座安装在半潜平台顶部,浮托安装的对接端则安装在上部组块的底部,安装时,LMU模型的对接端和三分力传感器相连接;DSU模型共有4个,安装在浮托安装驳船的甲板上,用于支撑上部组块。LMU模型与DSU模型均采用钢质材料制作。图2 为LMU、D S U、护及系泊系统的布置图,图3为对应的系泊系统刚度曲线图。2.4海洋环境条件模拟模拟2 个水深条件下的浮托安装作业,模型试验表1HYSY-22
20、9主尺度Tab.1Properties of HYSY-229参数总长LOA/m型宽B/m型深D/m船舶空船自重/LCG(frombow)/mVCG/m横摇惯性半径Rxx/m纵摇惯性半径Ry/m摇惯性半径Rzz/m表2 陵水17-2 半潜平台上部组块主尺度Tab.2Properties of SEMI topside参数长度LOA/m宽度B/m高度H/m重量A/vCG/m纵摇惯性半径Ryy/m舰船科学技术表3陵水17-2 半潜平台下浮体主尺度Tab.3 Properties of SEMI floating body参数总长LOA/m型宽B/m型深D/m平台自重4/LCG(frombow)/m
21、吃水Draf/mVCG1(含上部组块)/mVCG2(无上部组块)/m横摇惯性半径Rxx/m纵摇惯性半径Ry1/m首摇惯性半径Rzz/mFender?nsaonsaoWindWaveCurrent实型值模型值2254.542/650.84/1.314.250.285200000.156114.52.298.1540.163601.260.81.21661.41.228模型值实型值91.549.51017000第45卷实型值模型值91.51.8391.51.83591.181100000.858500400.837.750.75531.750.63554.171.08355.311.10642.3
22、30.847OnNTnWT?nNTXOonsaOonsaFender图 2 LMU、D S U、护及系泊系统的布置图Fig.2Arrangement drawing of LMU,DSU,fender andX-axis,42 mY-axis,42 m415000310.0002500010005Offset/mX-axis,200 m6005004001.833002000.991000.20000.1327Fig,3Mooring system stiffness curves?YnWTOnWTY100Y-axis,200m10005000510Offset/m图3系泊系统刚度曲线nWT5
23、Offset/m05Offset/m1010第45卷Tab.4Material property of the mooring lines水深/长度/直径/空气中质量/水中质量/mm424000.0762005300.05中通过调整假底的位置,以实现对不同水深的模拟,水深分别为42 m和2 0 0 m,换算成模型值分别为0.84m和4m。风的模拟采用定常风,通过控制造风系统风机的转速,从而获得不同的风速大小,流的模拟通过造流系统实现。模型试验中模拟的波浪包括白噪声波浪和不规则波浪,其中不规则波浪谱采用Jon-swap波谱,目标谱公式如下:(Tpf-1/2/202式中:S()为谱密度,ms;H
24、s 为有义波高m;f 为波浪频率Hz;,为谱峰频率Hz;为谱形参数。(6)(0.07,f fp,Hs/mTp/smsms时间/hWhite noise1.00425White noise1.004251.506.8010.000.61010.4.MeasuredTarget-ped.s.,w/unnoods0.3kg:mEA/mN31.19583.376313.6380.46552.031687.72(5)(7)一一kN30.20.1000.08i.pei.s.tu/unnoads0.060.040.0200图4目标波浪谱与实际波浪谱对比Fig.4 Target and measured wa
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