楊 旭， 陳國(guó)龍， 范 模， 譚 越

(中海油研究總院， 北京 100028)

張力腿平臺(tái)濕拖穩(wěn)性及拖航阻力分析

楊 旭， 陳國(guó)龍， 范 模， 譚 越

(中海油研究總院， 北京 100028)

張力腿平臺(tái)是深海浮式平臺(tái)的一種重要形式，在中國(guó)南海尚無(wú)應(yīng)用。運(yùn)用MOSES軟件分析了適用于中國(guó)南海的張力腿平臺(tái)濕拖工況下的浮性和穩(wěn)性，估算拖航阻力，并進(jìn)行規(guī)范校核。研究結(jié)果可為張力腿平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考。

張力腿平臺(tái)；穩(wěn)性；拖航阻力

0 引 言

張力腿平臺(tái)(TLP)是深海浮式平臺(tái)的一種重要形式。它通過(guò)自身結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自重的浮力，浮力除抵消自重外，剩余的浮力與預(yù)張力平衡，使張力腿平臺(tái)時(shí)刻處于受拉繃緊狀態(tài)。張力腿平臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)性能好、可干式采油的優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)張力腿平臺(tái)應(yīng)用案例，對(duì)其研究也較少，但隨著我國(guó)海洋油氣開發(fā)逐步邁向深海，張力腿平臺(tái)將擁有廣闊的發(fā)展前景。

張力腿平臺(tái)的運(yùn)輸方式一般分為干拖和濕拖兩種。干拖方案是將平臺(tái)裝載于運(yùn)輸船上，以拖船拖曳無(wú)動(dòng)力駁船或自航運(yùn)輸船，運(yùn)輸?shù)街付êＳ蜻M(jìn)行卸船安裝。而濕拖則是將平臺(tái)漂浮于海中，運(yùn)用拖船進(jìn)行拖曳運(yùn)輸?shù)街付êＳ?，再調(diào)節(jié)平臺(tái)壓載進(jìn)行安裝準(zhǔn)備。運(yùn)輸方式的比選需要考慮運(yùn)輸船舶資源、動(dòng)復(fù)員地點(diǎn)和價(jià)格、運(yùn)輸能力、裝船

及卸船方式、拖航穩(wěn)性、拖航強(qiáng)度、拖航運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)輸疲勞損傷、運(yùn)輸窗口期等多種因素。本文以中國(guó)南海為目標(biāo)海域，設(shè)計(jì)一座張力腿平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行濕拖工況下的浮性、穩(wěn)性及拖航阻力分析。通過(guò)計(jì)算分析，證實(shí)了該平臺(tái)濕拖方案的可行性，可將濕拖方式作為該張力腿平臺(tái)運(yùn)輸方案之一。

1 張力腿平臺(tái)模型

1.1 張力腿平臺(tái)主要參數(shù)

1.1.1張力腿平臺(tái)主尺度

以中國(guó)南海油田為目標(biāo)區(qū)域，設(shè)計(jì)一座張力腿平臺(tái)，平臺(tái)形式為經(jīng)典張力腿平臺(tái)，設(shè)計(jì)工作水深400m，設(shè)計(jì)工作排水量50130t，其主要參數(shù)如表1所示。平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 TLP主要參數(shù)Table 1 Hull principal parameters of the TLP

圖1 TLP主體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the TLP hull

1.1.2環(huán)境條件

假設(shè)張力腿平臺(tái)的建造場(chǎng)地為山東某地，濕拖工況需考慮平臺(tái)從山東場(chǎng)地至南海海域的環(huán)境條件，濕拖工況選擇十年一遇的極限環(huán)境條件，如表2所示。

表2 相關(guān)海域環(huán)境條件Table 2 Environmental conditions

此外，還需考慮拖航過(guò)程中的水深影響，其中拖航需要經(jīng)過(guò)臺(tái)灣海峽，水深較淺，拖航工況下吃水不宜過(guò)大。

1.1.3受風(fēng)面積

平臺(tái)有效受風(fēng)面積是根據(jù)國(guó)際海事組織(IMO)穩(wěn)性規(guī)范[2]，對(duì)平臺(tái)水線以上的模塊進(jìn)行分類，再乘以高度系數(shù)Ch和形狀系數(shù)Cs，最終得到TLP平臺(tái)有效受風(fēng)面積。

1.1.4艙室分布

TLP平臺(tái)需要進(jìn)行分艙壓載調(diào)節(jié)，艙室分布設(shè)計(jì)如圖2所示。在拖航狀態(tài)下，吃水較淺，僅應(yīng)用最下層壓載艙進(jìn)行壓載分配。

1.1.5進(jìn)水點(diǎn)

穩(wěn)性分析中，還需考慮平臺(tái)的進(jìn)水點(diǎn)，根據(jù)張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了平臺(tái)進(jìn)水點(diǎn)，位于立柱內(nèi)側(cè)甲板下方，如圖3所示。

圖2 艙室分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of compartment arrangement

圖3 進(jìn)水點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Location of down flooding points

2 張力腿平臺(tái)拖航穩(wěn)性分析

2.1 張力腿平臺(tái)拖航穩(wěn)性校核標(biāo)準(zhǔn)

在濕拖過(guò)程中的穩(wěn)性校核主要參考IMO和美國(guó)船級(jí)社(ABS)規(guī)范[2—4], 將穩(wěn)性工況分成破艙和完整穩(wěn)性兩種情況，規(guī)范要求如表3所示。

表3 穩(wěn)性規(guī)范要求Table 3 Stability check requirement

(續(xù)表)

工況穩(wěn)性校核標(biāo)準(zhǔn)IMOABS最終設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)水破艙穩(wěn)性(0風(fēng)速)GMT，GML>0GMT，GML>0GMT，GML>10m平衡傾角<25°平衡傾角<25°進(jìn)水角>0°進(jìn)水角>0°進(jìn)水角>0°正穩(wěn)性范圍在平衡角7°以上水密進(jìn)水角、第一交點(diǎn)差≥7°第二交點(diǎn)與第一交點(diǎn)差≥7°正穩(wěn)性范圍在平衡角7°以上

注： GMT和GML分別為橫穩(wěn)心高和縱穩(wěn)心高。

除上述要求外，規(guī)范還對(duì)需要進(jìn)行破艙穩(wěn)性分析的艙室做了詳細(xì)描述。

2.2 張力腿平臺(tái)模型建立

本文通過(guò)MOSES軟件進(jìn)行浮態(tài)計(jì)算、壓載計(jì)算及穩(wěn)性計(jì)算。首先運(yùn)用MOSES軟件根據(jù)上文所述平臺(tái)結(jié)構(gòu)建立平臺(tái)模型和艙室內(nèi)部模型，如圖4所示。在濕拖工況下，吃水較淺，主要應(yīng)用最下層壓載艙進(jìn)行壓載分配。

圖4 TLP平臺(tái)MOSES模型Fig.4 MOSES model of TLP

2.3 浮態(tài)計(jì)算

根據(jù)濕拖工況下的吃水對(duì)平臺(tái)進(jìn)行壓載分析，得到重量分布，如表4所示。

2.4 穩(wěn)性校核

根據(jù)規(guī)范校核了拖航狀態(tài)下完整工況、單艙室破艙、雙艙室破艙三種情況下的穩(wěn)性，同時(shí)考慮了風(fēng)向從0°到180°每隔15°的變化。得到完整工況下的穩(wěn)性結(jié)果如表5所示，碰撞破艙穩(wěn)性如表6所示，進(jìn)水破艙穩(wěn)性如表7所示。經(jīng)過(guò)分析，全部拖航穩(wěn)性結(jié)果均符合規(guī)范要求。完整狀態(tài)下穩(wěn)心高3.48m。

表4 TLP濕拖工況重量分布Table 4 Weight control of the TLP on wet-tow condition

表5 完整工況TLP穩(wěn)性校核結(jié)果

表6 碰撞破艙穩(wěn)性校核結(jié)果Table 6 Collision damage stability check results of the TLP

表7 浸水破艙穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果Table 7 Flooding condition stability check results of the TLP

3 張力腿平臺(tái)拖航阻力分析

3.1 拖航阻力估算方法

選擇中國(guó)船級(jí)社(CCS)海上拖航指南(1997)中的拖航阻力估算方法[5]進(jìn)行阻力估算。

對(duì)于鉆井平臺(tái)這類受風(fēng)面積較大的平臺(tái)，海上拖航的總阻力由兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，取其中較大值。

經(jīng)驗(yàn)公式之一將總阻力分為被拖船和拖船的摩擦阻力與剩余阻力：

RT=1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)],

(1)

式中：Rf為被拖船的摩擦阻力；RB為被拖船的剩余阻力；Rft為拖船的摩擦阻力；RBt為拖船的剩余阻力。

另一個(gè)公式為

∑R=0.7(Rf+RB)+Ra(kN)，

(2)

式中：Ra為空氣阻力；其他參數(shù)意義同式(1)。式(1)與式(2)中具體阻力的求解參見CCS規(guī)范。由于TLP平臺(tái)并非傳統(tǒng)船型，若按照常規(guī)方法可能計(jì)算不準(zhǔn)，為此，將受到流載荷作用的區(qū)域進(jìn)行分塊求解，再將每一部分進(jìn)行相加，得到拖航阻力。根據(jù)相關(guān)公式，編寫Excel表格，建立公式，通過(guò)輸入指定參數(shù)即可求得平臺(tái)的拖航阻力。

3.2 拖航阻力試驗(yàn)

為更準(zhǔn)確地確定張力腿平臺(tái)拖航阻力，在哈爾

濱氣動(dòng)院進(jìn)行了張力腿平臺(tái)模型風(fēng)洞試驗(yàn)，模型比例1∶150，采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果估算拖航狀態(tài)下風(fēng)載荷。

此外，在上海交通大學(xué)水池進(jìn)行了渦激運(yùn)動(dòng)(VIM)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示VIM試驗(yàn)所得流載荷大于風(fēng)洞試驗(yàn)估算流載荷。因此對(duì)于流載荷采用VIM試驗(yàn)所得結(jié)果。VIM試驗(yàn)比例為1∶50。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和VIM試驗(yàn)組合得到拖航阻力試驗(yàn)估算結(jié)果。

3.3 拖航阻力結(jié)果

通過(guò)規(guī)范估算拖航阻力和試驗(yàn)估算拖航阻力，得到不同航速和風(fēng)向下兩種方法得出的拖航阻力，如表8所示；其對(duì)比如圖5所示。單從規(guī)范方法來(lái)看，絕大多數(shù)情況均為式(2)結(jié)果較大，這說(shuō)明對(duì)于張力腿平臺(tái)，空氣阻力占比較大。比較規(guī)范估算方法和試驗(yàn)估算方法可發(fā)現(xiàn)，在低航速下兩者結(jié)果較為接近，但隨著航速的提高，兩者差距越來(lái)越大。分析差異原因可發(fā)現(xiàn)VIM試驗(yàn)流力是造成試驗(yàn)拖航阻力顯著增加的原因。造成試驗(yàn)結(jié)果增長(zhǎng)較快的原因可能是VIM流載荷過(guò)大，而原規(guī)范中多數(shù)以船型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，并沒有考慮渦激運(yùn)動(dòng)載荷。因此，對(duì)于張力腿平臺(tái)拖航阻力分析，渦激運(yùn)動(dòng)載荷是今后需重點(diǎn)考慮和關(guān)注的內(nèi)容。還需在下一步工作中加入數(shù)值模擬對(duì)比，分析差異原因。

表8 拖航阻力對(duì)比Table 8 Wet tow resistance

圖5 TLP平臺(tái)拖航阻力Fig.5 Wet-towing resistance of TLP

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以一座適用于中國(guó)南海400m水深的張力腿平臺(tái)為目標(biāo)，采用十年一遇的拖航環(huán)境條件，運(yùn)用MOSES軟件進(jìn)行該平臺(tái)拖航狀態(tài)下浮態(tài)、壓載及穩(wěn)性分析，并進(jìn)行了規(guī)范校核。結(jié)果表明該張力腿平臺(tái)浮性、完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性均滿足相關(guān)規(guī)范，浮性及穩(wěn)性滿足濕拖要求。此外，運(yùn)用拖航相關(guān)規(guī)范估算拖航阻力，對(duì)比了風(fēng)洞試驗(yàn)及VIM渦激運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)組合得到的拖航阻力試驗(yàn)結(jié)果， 結(jié)果表明VIM試驗(yàn)流載荷在張力腿平臺(tái)拖航阻力中占比較大，而原有規(guī)范基于船型得到的估算公式可能對(duì)這一部分阻力考慮較少。下一步需進(jìn)行數(shù)值模擬研究并與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，確定VIM渦激運(yùn)動(dòng)載荷對(duì)張力腿平臺(tái)濕拖阻力的影響。

[1] 董艷秋，胡志敏，馬馳.深水張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2000,15(5)： 1.

Dong Yan-qiu， Hu Zhi-min， Ma Chi. The structure types of deepwater TLP [J]. China Offshore Platform， 2000，15(5)： 1.

[2] International Maritime Organization. International code on intact stability [S]. 2008.

[3] International Maritime Organization. Code for the construction and equipment of mobile offshore drilling units [S]. 2001.

[4] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units [S]. 2015.

[5] 中國(guó)船級(jí)社.海上拖航指南[S].1997.

China Classification Society. The guideline for towage at sea [S]. 1997.

StabilityAnalysisandWet-TowingResistanceofaTensionLegPlatform

YANG Xu， CHEN Guo-long， FAN Mo， TAN Yue

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Tension leg platform (TLP) is an important type of deepwater floating platform which has not been applied in the South China Sea. We analyze buoyancy and stability performance of a TLP with MOSES software, estimate towing resistance and check the results according to the related rules. The results can give reference to the design of TLP.

tension leg platform (TLP); stability; towing resistance

2017-03-15

楊旭(1987—)，男，博士，工程師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)物方面的研究。

U674.38+1

A

2095-7297(2017)05-0300-07