浮式抗冰平台设计理念及水动力特性研究.DOC

1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程Vol.37 Supplement 1 2015 总第 37 卷，2015 年增刊 1 1 浮式抗冰平台设计理念及水动力特性研究孙丽萍，王冬庆，艾尚茂（哈尔滨工程大学 深海工程技术研究中心，哈尔滨 150001）摘 要：钻探极地地区近海石油和天然气资源对移动式离岸钻井平台的水动力性能、抗冰性能和作业性能有着极大的要求。主要介绍了浮式抗冰平台的设计方案，并结合当今最新一款半潜式抗冰平台的设计理念，分别从频域和时域分析的角度与传统的半潜式平台作对比，分析得出其具有优越的水动力性能，垂荡、横摇、纵摇运动响应都优于传统的半潜平台，为抗冰性能分析及其关键技

2、术的研究打下基础，同时也为半潜式平台带来新的设计理念，为浮式抗冰平台的设计建造提供合理思路。关键词：半潜式平台；水动力性能；抗冰平台；频域分析；时域分析中图分类号：U674.38 +1 文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2015.Z.005Research on the Design Concept and Hydrodynamic Characteristic of Floating Ice-resistant PlatformSUN Li-ping, WANG Dong-qing, AI Shang-mao(Deepwater Engineering Resear

3、ch Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract: The hydrodynamic performance, ice-resistance performance and operating performance of mobile offshore drilling platforms have to meet great requirements for drilling oil and gas resources in polar region. Combined with the late

4、st semi-submersible ice-resistant platform design concept, this paper mainly presents the design of floating ice-resistant platform, and compare the results of frequency domain analysis and time domain analysis with those of traditional semi-submersible platform. In conclusion, the hydrodynamic perf

5、ormance of the proposed platform is excellent, and the heave, roll and pitch motion response are superior to the traditional semi-submersible platform. All of these provide a basis for the research of ice-resistant performance and key technologies. At the same time it comes up with a new concept for

6、 the design of semi-submersible platform, which provide reasonable train of thought on the design and construction of floating ice-resistant platform.Key words: semi-submersible platform; hydrodynamic performance; ice-resistant platform; frequency domain analysis; time domain analysis0 引言近年来，国际极区海洋资

7、源的开发逐渐升温，如波弗特海（Beaufort Sea） 、鄂霍次克海（ Okhotsk Sea） 、巴伦支海（ Barents Sea） 、俄罗斯北极近海（Russian Arctic Offshore）和西格陵兰（West Greenland）等海域的海洋石油开发成为冰区开发的新热点 1。极地海洋地区的石油开发技术还未成熟，其面临的主要挑战有：1）严寒气候；2）疾风天气；3）地区偏僻、遥远；4）冬季海面全被冰雪覆盖；5）夏季敞水时常面临极端海浪的冲击 2。要保证极区钻井平台常年的安全作业，必须要找到有效的技术方案去克服这些严峻的挑战，因此，浮式抗冰平台设计变得十分重要和紧迫。1 浮式抗冰结

8、构设计加拿大、挪威等西部发达国家早在二十世纪七十年代就展开对极区冰载荷等相关问题的研究 3，冰载荷的核心问题影响着抗冰平台的结构设计及冰区石油开采模式的选取。极地地区的环境自愈能力低，石油收稿日期：2014-06-09；修回日期：2015-05-18船舶电气、导航与自动化控制 2 作者简介：孙丽萍（1962-） ，女，博士、硕士生导师，深海工程技术研究中心主任。研究方向：海洋结构物设计与制造、深海工程科学与技术等。通讯作者：王冬庆（1990-） ，男，研究生。研究方向：海洋结构物强度性能分析、水动力性能分析等。孙丽萍等，浮式抗冰平台设计理念及水动力特性研究 3 泄漏造成的污染将严重影响极区的生

9、态环境，因此，必须找到实际可靠的冰区浮式抗冰平台的设计方案。1.1 主流浮式抗冰结构设计方案韩国 DSME 公司设计了全球第一艘极地地区作业的钻井船（图 1） ，可在-40-50的极端环境下进行钻井作业。挪威 Moss Maritime 公司依据其丰富的破冰船设计建造经验，设计了可在冰区作业的半潜式抗冰平台 CS50 MKII（图 2）和破冰式FPSO。瑞士 GVA 公司根据其丰富的半潜式平台设计建造经验，设计了半潜式抗冰平台 GVA 7500 ACRCTIC（图 3） ，其独特设计在于立柱处采取倒锥形抗冰结构，可有效抵抗强烈冰载荷的冲击。挪威 Sevan 石油公司设计了 SEVAN FPSO

10、 ARCTIC 抗冰平台（图 4） ，其上部直径逐渐变大且拥有更大的甲板面积。图 1 极区钻井船 图 2 CS50 MKII图 3 极区 GVA 7500 图 4 SEVAN FPSO ARCTIC1.2 实际存在的浮式抗冰平台Kulluk目前全球仅有唯一一座在冰区服役作业的浮式抗冰钻井平台Kulluk（图 5） 。Kulluk 平台 4的甲板直径为 81m，水线直径为 70m，作业吃水为11.5m，排水量为 28000t。Kulluk 抗冰平台服役于北冰洋波弗特海海域，它的独特设计在于其倒锥形的平台主体，向下倾斜的主体结构可以有效地抵抗冰载荷的冲击，并能以较小的力使迎面而来的浮冰弯曲断裂。保

11、证 Kulluk 抗冰平台能够在冰区安全作业，不仅需要了解冰载荷的作用规律，它还需保证平台拥有强大的抗冰结构、系统化的冰区作业管理方法（图 6）和安全的冰区作业流程 5。1.3 新型浮式抗冰结构的设计理念荷兰 Huisman 公司 6结合 Kulluk（图 7）优越的抗冰性能和传统半潜式平台（图 8）优越的水动力性能，概念设计了新型深海浮式抗冰平台JBF 平台（图 9） ，JBF 平台主体结构主要由一个圆形浮箱、八个立柱和一个倒锥形平台甲板箱组成，平台可在两种吃水状态下作业，在夏季海面为敞水状态时吃水较小，在波浪中能保持较好的运动性能；在冬季海面有大量浮冰时，平台可增加吃水，可充分发挥甲板箱的

12、抗冰性能。图 5 半潜式抗冰钻井 图 6 由破冰船辅助作平台 Kulluk 业的 Kulluk 平台图 7 Kulluk 抗冰平台 图 8 传统半潜式平台图 9 新型浮式抗冰平台 JBFJBF 抗冰平台继续保持圆形的结构，是因为平台在冰区会受到强烈的冰载荷 7,8，这不仅与锚链系统的抗拉性能息息相关，还需要其能够抵抗来自各个方向的冰载荷；传统的船型结构则需要船首或船尾抵抗浮冰的冲击，而经常调整方向以应对变化的冰况极易引起较大位移，造成钻井立管等结构的破坏。海洋波浪的能量主要集中在 3s20s 的周期范围内 9，在这个范围内（特别在 6s17s 内）波浪对浮式结构产生很大的载荷，浮式结构的运动响

13、应幅值与波幅成几乎线性关系。在共振情况下，结构响应更是剧烈，因此，保证半潜式平台有限的垂荡运动是其能够安全进行钻井作业的重要条件之一。新型半潜式抗冰平台为达到这一目标，使平台固有垂荡周期超过典型的波浪周期。同时，由于倾斜的立柱与平台甲板箱、底部浮箱构成一个部分封闭结构，平台的垂荡运动如同活塞运动，内部与外部的水相互形成一种补偿，可较好地降低垂荡幅值。船舶电气、导航与自动化控制 4 2 水动力计算理论基础半潜式平台运动响应分析涉及平台的稳性、运动性能以及锚链线受力等因素。在平台的运动响应中，由波浪等引起的艏摇运动、横荡运动和纵荡运动都比较小，所以半潜式平台的运动响应主要考虑垂向的运动，即垂荡运动

14、、横摇运动和纵摇运动 10。数值模拟计算浮体结构在常规波中的运动响应，其主要分析技术是水波的辐射、绕射理论。常规波浪在行进过程中经常会受浮体结构的影响而产生绕射，需计算其一阶或二阶波浪力及结构的水动力响应。二阶平均漂移力 11计算：常用的二阶平均漂移力计算方法有两种，一种是基于动量-能量守恒的远场积分法，另一种是基于压力积分的近场积分法。1）远场求解（动量守恒方法，只用于水平力）为了使方程在无穷远处有解，需要引入一个无穷远的地方的远场条件，以保证无限远处有外传波。压力以及二阶波浪力的求解如下：strc nnd=t dRRRSSFVP(2)（1）2）近场求解（压力对于六个自由度进行积分方法）00

15、 22strcrsg.5gndl+.5ndtWLSSFSXMRXA()（2）波浪中结构时域运动方程（DRIFT）为：s+t(t)+ck(t)=MF（3）利用傅立叶变换可将频域计算与时域计算联系起来，使时域的计算可直接利用频域计算的结果，使时域问题大大简化而变得更可行，其变换形式为：X(t)()XA傅 立 叶 变 换傅 立 叶 逆 变 换时 域 频 域（4）3 浮式抗冰平台的水动力性能分析由于 JBF 抗冰平台仍处于研究开发状态，其具体结构设计及抗冰性能分析还需结合模型试验才可得到较为可靠的结论，下面将以水动力性能分析为主，利用 ANSYS-AQWA 有限元软件对 JBF 进行数值模拟分析，其数

16、值计算模型如图 10 所示，在三维水动力软件 AQWA 中分别进行频域 12和时域分析 13，频域中计算得到一系列的水动力系数，包括附加质量系数、势流阻尼系数，以及一阶波浪力、二阶波浪力和运动的频率响应；时域计算得到平台的位移时间历程曲线、加速度时间历程曲线和锚链线的应力时间历程曲线等，对比传统半潜式平台，分析其水动力特性，为下一步抗冰性能及作业性能分析做基础。3.1 抗冰平台的垂荡运动虽然半潜式平台有很多显著优点，但垂向运动幅值较大，并造成干树系统不能在半潜式平台上得到很好地应用，因此，有效减小垂向运动幅值是半潜式平台能否成功设计的关键因素之一。新型半潜式抗冰平台的垂荡运动特性如图 11 所

17、示，在波浪能量集中区域，其拥有较好的垂荡性能，垂荡幅值基本控制在 0.4m 以下，而平台与波浪发生共振时，垂荡运动幅值也在可接受范围内。平台垂荡周期约23s，远离波浪能量集中区域，避免发生共振效应。图 10 JBF 平台有限元模型图 11 垂荡运动响应3.2 抗冰平台与传统半潜式平台垂向运动的对比为分析新型抗冰平台的垂向运动特性，将其垂荡、纵摇和横摇的运动幅值与传统半潜式平台进行对比（图 12图 15） ，根据分析可得如下结论：1）虽然两者的固有垂荡周期比较接近，但总体上新型半潜式抗冰平台的垂荡幅值显著降低，垂向运动特性得到较好的满足。2）半潜式平台纵摇和横摇固有周期一般为40s60s，远离波

18、浪能量的集中范围，所以其一阶波频运动幅值较小。但在频率相近的二阶低频波浪力的作用下，易形成大幅度的低频慢漂运动，对平台的稳性产生较大影响，因此需特别关注，且从对比中可知，新型半潜式抗冰平台的纵摇和横摇运动性能较传统半潜式平台优异。3）新型半潜式抗冰平台独特的圆形浮筒设计可孙丽萍等，浮式抗冰平台设计理念及水动力特性研究 5 以很好地应对来自各个方向的风、浪、流、冰等载荷，对应的运动幅值也大体一致，这可减少需要考虑各种繁琐工况的麻烦，且避免了为迎接某一方向的冰载荷而特意调整船首方向带来的不利影响。图 12 垂荡运动的对比图 13 纵摇运动的对比图 14 横摇运动的对比图 15 锚链线布置图3.3

19、抗冰平台的时域分析频域计算可得到结构的附加质量和辐射阻尼等，而辐射力不仅取决于结构的加速度和瞬时速度，还关系到其时间历程变化，因此，有必要将随频率变化的附加质量和辐射阻尼进行傅里叶变换变成时域的脉冲函数，然后与结构的实际运动响应进行卷积计算，得到平台结构的时域结果。但是，在进行时域分析时，考虑不同工况下平台的运动响应更为重要。下面利用三维水动力软件 ANSYS-AQWA 分别对作业和生存两种工况下对平台结构进行时域分析，并得到其纵荡、垂荡的位移时间历程曲线和加速度时间历程曲线（图 16 和图 17） 。图 16 纵荡和垂荡的位移时间历程曲线图 17 纵荡和垂荡的加速度时间历程曲线通过对比分析可

20、得到下述结论：1）在迎风、迎浪、迎流的工况下，平台纵荡和垂荡的运动响应十分显著，但其总体运动性能在可接受范围内。2）为保证平台的安全作业状态，立管系统不能有大幅度的位移运动，水深越大，对系泊系统的定位要求越高，平台的纵荡运动幅值不能超过 2%的作业水深（20m） ，而平台的纵荡运动幅值很好地控制在 20m 之内；生存工况下对于响应最为恶劣的纵荡运动来说，其最大位移幅值为 63.46m，占水深的6.35%，水平运动仍能很好地控制在 10%水深以内，即在此环境条件下，平台仍能较好地满足设计要求。3）作业工况下最大垂荡值为 5.469m，最小垂荡值为-3.587m，垂荡运动幅值为 9.056m，最大

21、垂荡加速度值为 0.43m/s2；生存工况下最大垂荡值为9.610m，最小垂荡值为-7.669m，垂荡运动幅值为17.279m，最大垂荡加速度值为 0.989m/s2。最大垂荡运动幅值与平台的伸缩管接头处等密切相关，且干采油树系统对垂向运动幅值也有严格的要求；最大垂荡加速度值对平台作业状态有很大的影响，如人体暴露在连续 3h 的振动下，其功效降低界限加速度值为 0.45m/s2，接近于作业工况下的加速度幅值，而且最大垂荡加速度值还关系到平台结构和设备的强度与疲劳等问题。船舶电气、导航与自动化控制 6 4 结论在极地地区油气资源开发日益升温的背景下，各国已开始竞相研究开发浮式深海抗冰平台，在简要

22、介绍了当今主流浮式抗冰平台的设计理念后，其包括钻井船、FPSO 和半潜式平台，结合抗冰性能衍生出一系列的浮式抗冰设备，同时也着重分析当今世界最新一款半潜式抗冰平台的设计理念，它是当今唯一存在的一艘浮式抗冰平台设计的衍生，可充分结合现役平台的反馈信息研究其结构特性。冰区作业的浮式结构主要面临水动力性能、抗冰性能及作业性能等因素的挑战，因此，结合当今最新半潜式抗冰平台的设计理念，对比传统半潜式的水动力性能，发现其水动力性能比较优越，垂荡、纵摇和横摇运动幅值都明显低于传统的半潜式平台，动力响应也能满足一定的要求，且其独特的结构设计可以给水动力性能带来很好的反馈，下浮箱等仍可继续进行结构优化，如施加垂

23、荡板等，这仍可对半潜式平台带来新的设计理念。然而，由于对冰载荷认识不足，目前也未对浮冰与宽大结构相互作用的规律研究透彻，因此更深入的研究还需结合水池及冰池进行模型试验，以得到更具研究意义的数据。参考文献：1 Grtner, A. Experimental and Numerical Investigation of Ice-structure InteractionD. Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway, 2009.2 Alexei Bereznitski. A Novel Design of M

24、obile Offshore Drilling Unit for Arctic ConditionC/ Proceedings of the ASME 2011 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. 2011.3 Sodhi D S, Takeuchi T, Nakazawa N, et al. Medium-scale Indentation Tests on Sea Ice at Various SpeedsJ. Cold Regions Science and Technology

25、, 1998(2): 161-182.4 Dittrick, Paula. Kulluk Drilling Unit Reaches Harbor on Kodiak Island after Being GroundedJ. Oil & Gas Journal, 2013, 111(1): 18-19.5 Kolari, K., Kuutti, J., Kurkela, J. FE-simulation of Continuous Ice Failure based on Model update TechniqueC/ 20th Int. Conf. on Port and Ocean E

26、ngineering Under Arctic Conditions. 2009.6 http:/ jbf_14000/jbf_arctic.7 Matlock, H., Dawkins, W. P., Panak, J. J. A Model for the Prediction of Ice-structure InteractionC/ Proceedings of the 1st Annual Offshore Technology Conference. 1971.8 Sodhi D S, Takeuchi T, Nakazawa N, et al. Medium-scale Ind

27、entation Tests on Sea Ice at Various SpeedsJ. Cold Regions Science and Technology, 1998(2): 161-182.9 Newman J N. Second-order, Slowly-varying Forces on Vessels in Irregular WavesR. International Symposium on the Dynamics of Marine Vehicles and Structures in Waves, University College, London, 1974.1

28、0 Newman J N. Marine HydrodynamicsM. MIT Press, 1977.11 莫兰. 海洋工程水动力学 M. 刘水庚, 译. 北京: 国防工业出版社, 2012.12 黄祥鹿, 陈小红, 范菊. 锚泊浮式结构波浪上运动的频域算法J. 上海交通大学学报, 2001, 35(10): 1471-1477.13 刘应中, 缪国平, 李谊乐, 等. 系泊系统动力分析的时域方法J. 上海交通大学学报, 1997, 31(11): 7-12.收稿日期：2014-06-09；修回日期：2015-05-18作者简介：孙丽萍（1962-） ，女，博士、硕士生导师，深海工程技术研究中心主任。研究方向：海洋结构物设计与制造、深海工程科学与技术等。通讯作者：王冬庆（1990-） ，男，研究生。研究方向：海洋结构物强度性能分析、水动力性能分析等。