半潜式平台系泊断裂瞬态漂移过程的稳性分析与探讨

冯加果, 刘小燕, 谢文会, 王世圣, 屈 衍

(1中海油研究总院，北京 100027； 2 北京高泰深海技术有限公司， 北京 100011)



半潜式平台系泊断裂瞬态漂移过程的稳性分析与探讨

冯加果1, 刘小燕2, 谢文会1, 王世圣1, 屈 衍1

(1中海油研究总院，北京 100027； 2 北京高泰深海技术有限公司， 北京 100011)

针对近几年灾害环境下发生的多座半潜式平台系泊断裂漂移的事故，提出了一种研究这种特殊过程平台稳性的分析方法，将系泊断裂过程的时域耦合运动分析融入到该过程稳性分析中，并对某一现实中的半潜式钻井平台，完成了系泊断裂后平台漂移过程的稳性分析。分析结果表明，该平台系泊断裂后平台漂移过程的稳性可能会不满足要求，有发生进水倾覆的危险，该过程的稳性问题需要被关注，但该过程的稳性可以通过限制进水点位置或临时水密处理进水点进行有效预防。

半潜式平台；系泊断裂；稳性分析；进水点

0 引言

近年来，为了开发深水海洋油气资源，工业界建造了大量深水浮式结构以作为油气钻探及开采平台，其中半潜式平台是应用较为广泛的平台之一，该类平台大多通过系泊系统定位。据近几年的灾害环境事故统计发现，在灾害环境下，已有多座半潜式平台的系泊系统发生了失效，引起了平台漂移。比如，2005发生的Rita及Katrina飓风，其强度已经达到了原设计标准中500年一遇的水平以上，约16座半潜式钻井平台发生系泊系统损坏，平台发生移位[1-4]。半潜式平台稳性校核的工况主要有拖航工况、安装工况和在位工况，对于系泊断裂平台漂移这个过程的稳性并未进行校核，因此，该文针对半潜式平台系泊断裂后瞬态漂移过程开展稳性分析与探讨。系泊断裂平台瞬态漂移过程是指从第一根系泊缆断裂到最后一根系泊缆断裂这中间平台瞬态漂移的过程。

1 分析方法

针对已经发生的半潜式平台系泊断裂平台漂移的现象，探讨该过程半潜式平台的稳性需要完成两个方面的研究与分析：一是半潜式平台系泊断裂过程的模拟与分析；二是特殊工况的稳性分析。

目前，半潜式平台系泊过程的分析较为常规，可进行分析的软件也较多，比如DNV开发的SESAM软件中的DeepC，Riflex模块，法国船级社开发的Ariane软件等都能够完成。这类分析主要考虑两种工况：一种为考虑系泊系统完整状态、风浪流联合作用下，平台系泊系统的运动及受力；一种情况为系泊系统破损状态分析，即考虑系泊系统中的一根系泊缆发生破坏，其余完好的情况下平台、系泊系统的运动及受力分析。对于该文面临的系泊断裂过程的模拟和分析与上述的常规的系泊分析不同，需要考虑系泊缆连续断裂和系泊刚度矩阵的连续更新，这类分析并不多见，能进行这类分析的软件也不多，经过调研分析发现，美国德州农工大学与Offshore Dynamics Inc公司联合开发的商业化浮体耦合分析软件HARP可以完成这类分析。该软件将频域水动力分析软件Wamit与Winpost集成在一起，由Wamit完成平台的水动力分析，得到平台的水动力系数，根据需要计算随机波浪谱形式，将频域水动力分析结果进行傅立叶变换转为时域荷载结果，作为浮式平台、系泊系统时域耦合分析的荷载输入，从而完成耦合运动分析的功能[5]。

目前的稳性分析主要是依据规范完成常规工况的稳性校核，主要工况有拖航、就位安装、作业和生存工况，规范中明确给出了分析方法和标准，其中倾覆力矩的计算是考虑不同工况下采用不同的风速来计算，只考虑风倾力矩，而对于该文研究的系泊断裂平台瞬态漂移过程的稳性分析则无法直接采用规范中提供的方法完成，这主要是因为对于该文研究的系泊缆断裂平台漂移的特殊工况，倾覆力矩较为复杂，不仅仅只有风力，而是系泊断裂后不平衡的系泊力、波浪力、流力、漂移阻力以及运动惯性力等耦合在一起的合力，这个合力随着多根系泊缆的断裂而变化，因此需要通过一些综合处理来获取该过程的最大倾覆力矩。

该文针对上述两方面的问题进行调研分析，形成了一套针对系泊断裂平台瞬态漂移过程的稳性分析流程，如图1所示。该分析流程在处理系泊断裂过程平台稳性分析时，融入系泊断裂过程时域耦合运动分析，从而将平台的动态运动融入到稳性分析中。首先通过半潜式平台系泊断裂过程时域耦合运动分析得到系泊断裂不同阶段平台的浮态和倾斜角，浮态主要是用于稳性分析的输入条件，倾斜角用来修正稳性分析的倾覆力矩，主要考虑两个方面的修正：一是修正由于平台的倾斜引起的受风面积的变化，二是修正其他因素引起的倾覆力矩，主要是通过动稳性原理来获得造成平台倾斜的等效倾覆力矩；然后进行不同阶段、不同浮态时的稳性分析；最后对稳性指标进行评估从而判断该过程的稳性情况。

图1 系泊断裂过程平台稳性分析方法流程图

2 分析基础

该文以一已经投入使用的半潜式钻井平台为例进行分析，该平台在生存工况下的主要参数见表1，系泊系统配置参数见表2，平台进水点位置见表3，采用的坐标系及系泊系统布置图如图2所示，分析中采用的环境条件为200年一遇，相关参数见表4。

表1 平台主要参数(生存工况)

表2 平台系泊系统配置参数表

图2 某平台系泊系统布置图及坐标系示意图

表3 半潜式平台进水点列表(坐标单位：m)

编号XYZ编号XYZ103740727．5-27．53920-37408-27．5-27．539337040928．9732．79394-3704010-28．9732．7939527．527．5391128．97-32．79396-27．527．53912-28．97-32．7939说明：进水点1-4为透气孔，5-8为进入立柱的门，9-12为锚链孔。

表4 海洋环境条件主要参数(200年一遇)

3 系泊断裂过程分析及稳性分析

(1)系泊分析

针对上述平台，完成了完整系泊和系泊断裂过程的时域耦合运动分析，浪向取135°，在系泊断裂过程模拟中，考虑到半潜式平台系泊缆的老化及磨损等影响，假设所有系泊缆绳的容许张力都为80%的最大破断力。计算得到了完整系泊和系泊断裂过程平台的4个自由度运动时历曲线(如图3所示)，还得到了系泊断裂过程中各系泊缆的张力时历曲线(如图4所示)和系泊缆断裂的时间(见表5)。

图3 平台运动时历曲线

从图3中可以看出：在不考虑系泊断裂时，平台横荡、纵荡幅值较小，横摇、纵摇较小；若考虑系泊缆断裂，在系泊断裂过程中，整个系泊系统的刚度发生了变化，平台失去了定位能力，沿着波浪和风的方向发生漂移，在135°环境力的作用下，平台将快速斜向漂移，同时产生了严重倾斜。通过分析得到了系泊缆连续断裂过程中，各组系泊缆断裂时平台的最大倾斜角(见表6)。

图4 系泊缆张力时历曲线

表5 系泊缆破断顺序及破断时间

系泊缆组系泊缆编号破断时间(s)第1组10786．91180012801．7第2组和第3组11128．491129．421187．331237．481815．271941．2

续表5

表6 系泊缆断裂过程各个阶段平台的最大倾斜角

(2)稳性分析

完整系泊分析和系泊断裂过程模拟后，可以依照图1的流程进行稳性分析。考虑倾覆力矩的修正，风速取100 kn，稳性分析结果见表7，静稳性曲线如图5所示。

表7 稳性分析结果

图5 系泊系统不同状态下平台稳性分析的静稳性曲线

从稳性分析结果可以看出：完整系泊时，该半潜式平台在100 kn风速的作用下稳性满足规范要求；系泊断裂平台瞬态漂移工况下，出现了半潜式平台稳性不满足规范要求的情况，当第二组系泊缆完全断裂后平台有发生进水倾覆的可能。

4 进水点位置对稳性影响的敏感性分析

图6 假想的临界进水点限制线示意图

稳性分析中，影响稳性的因素主要有重量重心分布、分舱情况、系泊缆预张力、环境条件、进水点位置等。分舱主要影响破舱稳性，系泊缆预张力可调节范围有限，环境因素对稳性影响明显，但不具有人为可控性，不便于采取相关应对措施，因此，需综合分析后考虑开展 “进水点位置”的敏感性分析。

假设将进水点位置不断向平台中心靠拢，当进水点设置到一定位置的时候，发现该情况下系泊断裂过程平台稳性可以满足要求，通过多次分析可以找出一系列这样的临界进水点，选取的几个代表的临界进水点见表8，这些临界进水点可以组成进水点位置的限制曲线，如图6所示。假设将进水点设置在这些临界进水点位置时，分析可得到系泊断裂过程平台稳性分析结果见表9，静稳性曲线如图7所示。

图7 考虑不同进水点时系泊断裂过程的静稳性曲线

从稳性分析结果可以看出：若将该半潜式平台的进水点设置在这三个临界进水点处，或设置在图6中的临界进水点限制线以内时，能使该平台在系泊断裂后瞬态漂移工况的稳性满足规范要求。也就是说，通过限制进水点位置或临时将部分进水点水密处理，能够有效预防半潜式平台在系泊断裂后瞬态漂移时可能发生的倾覆问题。

表8 假想的某半潜式平台临界进水点列表

表9 系泊断裂瞬态漂移工况不同临界进水点的稳性分析结果

5 结论

通过该文研究，可以得到以下结论：

(1) 基于目前的分析可知，从第一根系泊缆断裂到最后一根系泊断裂过程中，半潜式平台会快速漂移，同时将产生严重倾斜。

(2) 灾害环境条件下，半潜式平台系泊断裂后漂移工况的稳性可能会不满足要求，有发生进水倾覆的危险，该过程的稳性问题需要被关注，但该过程的稳性不是致命问题，可以通过限制进水点位置或临时水密处理进水点即可有效预防。

[1] Sharples M. Post mortem failure assessment of MODUs during Hurricane Ivan[C].MMS Report, 2006.

[2] Sharples M. MODU Performance in Hurricane Ivan[C]. OTC18322, Houston, Texas, USA , 2006.

[3] Sharples M. Post Mortem Failure Assessment of MODUs During Hurricane Lili[C].OTC16800, Houston, Texas, USA, 2004.

[4] Sharples M. Post mortem analysis of MODUs in Hurricane Katrina and Rita[C]. OTC20144, Houston, Texas, USA, 2009.

A Stability Analysis of Floating Platform of the Transient Drift Process during
the Mooring Line Break in Extreme Sea Condition

FENG Jia-guo1， LIU Xiao-yan2， XIE Wen-hui1，WANG Shi-sheng1， QU yan1

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100027， China;2.COTEC, Beijing 100011, China)

Floating platforms are one of the main facilities for oil and gas exploration and production. It is important to ensure the platforms are safe. The time domain coupled simulation of the movement of the semi submersible of the transient drift process during the mooring line break is provided and the stability analysis of this process is presented. The results indicate that the semi would fast drift and would have a serious tilt when the mooring line breaks and this increases overturning moments and may result in the semi not meeting the stability requirements during this process. The research shows that it is necessary to pay attention to the stability problem of the transient drift process during the breaking of the mooring line. The stability problem can be avoided by properly locating of down-flooding points.

semi-submersible platform; mooring line break; stability analysis; water point

2014-07-08

国家863课题资助(2006AA09A109)；中国海洋石油总公司京直地区青年科技项目：“半潜平台系泊断裂过程中的稳性分析”资助(JZTW2011KJ11)。

冯加果(1985-)，男，工程师。

1001-4500(2015)03-0081-08

P75

A