半潜式平台运动性能与参数敏感性分析

摘要

近年来，半潜式平台在深海和超深海油气勘探开发中的应用越来越多。我国南海深水油气田的勘探开发已经拉开序幕，对于半潜式平台等深海平台的科学技术研究正在全国蓬勃开展。在半潜式平台水动力性能研究方面，除了常规水动力性能预报研究之外，还应特别关注与平台结构形式特点密切相关的特殊水动力问题。 论文充分调研了国内外半潜式平台的发展状况及水动力研究现状和趋势。对半潜式平台运动性能进行频域和时域数值计算及模型试验研究，并对纵荡、横荡、横摇、纵摇和垂荡性能的相关规律进行详细分析。数值与试验结果的对比分析表明：1）对于半潜式平台这类由柱体组成的结构物，应用Newman近似方法预报水平方向低频运动响应可以得到令人满意的结果，而进行垂向运动数值预报时，忽略粘性力作用会使得低频运动响应计算结果产生偏差，需要结合Morison公式计及粘性力的作用；2）横摇和纵摇运动固有频率均低于波浪频率，在波浪慢漂力作用下会出现显著低频运动响应，而且作业海况时低频响应远大于波频响应，生存海况时二者处于同一量级；3）垂荡运动是否出现低频响应则与所处海况联系紧密，作业海况时低频响应与波频响应处于同一量级，生存海况时则没有出现。低频垂向运动的存在，将影响半潜式平台气隙性能和作业性能，需要特别关注。 半潜式平台的水动力性能往往受到平台质量特性和几何参数的影响，如立柱的尺寸、间距、吃水以及浮箱的尺寸等。本文以双下浮箱、四立柱、圆柱形横撑半潜式平台为原型，改变重心高度、立柱和浮箱中心线间距、横撑形式、立柱和浮箱截面形式、吃水、垂荡板尺寸及布置深度、下浮箱形式等设计参数，选取目前工程界所关注的纵摇、横摇和垂荡运动响应来评估参数改变对平台运动性能的影响。首先在频域下得到修改参数后平台的RAO，然后计算作业海况和生存海况下的响应值，最后与原型平台值进行对比分析。结果表明：加大平台吃水能改善平台纵摇、横摇和垂荡运动性能；添加垂荡板能使得垂荡方向的运动进一步减小，但是添加过程中应保持一定深度以避开波浪的影响；而采用翼型横撑和环形浮箱都可能使平台的运动性能变差，因此在设计过程中应该注意。 本文关于半潜式平台低频运动性能与参数敏感性的分析研究，对深入理解和更好地预报半潜式平台的水动力性能，促进新型半潜式平台等的自主研制与应用均具有十分重要的意义。