0 引　言

随着人类对能源的需求日益增大，海洋油气开采逐渐向着深水进发。目前，可用于深水油气资源开发的浮式平台类型主要有FPSO、TLP、Spar平台和半潜式平台^[1]。相比于FPSO、TLP和Spar平台，半潜式平台因具有工程造价低、甲板面积大、装载能力强、适应水深范围广、海上运输和安装简便等优点而得到广泛应用^[2]。

半潜式平台自20世纪60年代首次应用以来，已经历了7代的发展，平台工作水深显著增加，可适应更恶劣海况，可提供更大的可变载荷，平台外形结构逐步简化并大量采用了高强度钢^[3]。目前，最新第7代半潜式钻井平台D90最大作业水深已突破3600 m，为当前全球最大作业水深平台^[4]。国内对于半潜式平台的研究相较于国外虽然起步较晚，但进展较快。中国海油一直是国内海洋油气资源勘探开发的中坚力量，十分注重半潜式平台的自主研发能力。2008年，中国海油牵头自主设计和建造了我国第1条第6代深水半潜式钻井平台“海洋石油981”。该平台作业水深超过3000 m，钻井深度10000 m以上，甲板可变载荷8000 t以上，是世界上第1条能适应南海恶劣海况并抵御特级台风的平台，标志着我国半潜式钻井平台设计建造能力达到国际先进水平^{[5 − 7]}。在半潜式生产平台方面，中国海油以陵水17-2气田为目标，自主设计和建造了带凝析油储存和外输功能的深水半潜式生产储油平台“深海一号”能源站。该平台为世界首个采用立柱储油的半潜式生产平台，平台作业水深1500 m，排水量达10×10⁴ t，可存储2×10⁴ m³的凝析油，可实现30年不解脱不进坞，该平台的建成和应用标志着我国已具备深水油气田自主船型开发技术^{[8 − 9]}。除上述传统半潜式平台外，中国海油还研发了多款新型半潜式平台，如深水不倒翁平台^{[10 − 11]}、新型深水多功能干树半潜平台^{[12 − 13]}、菱形立柱式半潜平台^[14]等，大量的数值和试验研究表明上述新型半潜式平台具有良好的运动性能，可适应南海恶劣海况，为南海深远海油气资源开发提供了新开发理念。

以中海油研究总院团队研发的菱形立柱式半潜平台为研究对象，首先以浪向角为0°的百年一遇风浪流组合工况为例，分析得到该新型半潜平台的运动性能和系泊力，并与试验数据相对比以验证当前数值分析模型的正确性。在此基础上，对平台开展时域分析，研究在完整工况和破断工况下，平台的运动性能和系泊系统性能，同时研究系泊缆瞬态破断的影响。最后，开展谱分析和敏感性分析以研究该新型半潜式平台的水动力机理。

1 数值分析模型 1.1 平台参数

如图1所示，平台由上部模块、菱形立柱和浮箱构成，4根菱形立柱布置在平台的4个角端，立柱内侧布置有一个四边形的环形浮箱，环形浮箱的4个角端分别对应连接一根立柱，这样的布置形式可在保证平台主尺度不变的同时减少平台耗材和工程造价。表1给出了平台的主尺度参数，其坐标系如图2所示。

1.2 系泊系统参数

如图3所示，平台的深水系泊系统由4组，每组3根，共12根相同的系泊缆组成，每根系泊缆均采用典型的链-缆-链3段组合形式。相邻组系泊缆的夹角为90°，而同组相邻系泊缆之间的夹角为5°。表2为平台组合系泊缆主要物理属性。

1.3 环境工况参数

平台所处海域为南海1500 m水深处，本文选取目标海域百年一遇风浪流组合工况作为主要分析工况，研究该工况不同浪向角下平台的各项性能，具体环境工况参数详见表3。

1.4 数值模型

如图4所示，平台时域耦合模型是通过OrcFlex软件建立，即将频域分析中所得平台各项水动力系数导入OrcFlex软件中，并设置系泊系统参数和环境参数。在平台时域耦合模型设置中，取模拟时长为10800 s、时间步长为0.2 s。

2 数值分析模型验证研究

首先以浪向角为0°的百年一遇风浪流组合工况为例，计算得到平台在时域内的各项性能参数（运动性能和系泊力），并与试验数据相对比以验证本文所采用的数值分析模型的正确性，所得数值结果和试验结果请见表4。通过对比，试验结果和数值结果之间的误差均小于4 %，说明了本文所采用的数值分析模型可准确模拟平台在真实海况下的运动性能和系泊力，可在菱形立柱式半潜平台总体性能研究中所应用。

3 平台总体性能研究

采用OrcFlex软件对菱形立柱式半潜平台开展时域分析，分析在完整工况和破断工况下，平台的运动性能和系泊系统性能。在时域分析中，为偏保守考虑，假设风、浪、流同向。

3.1 完整工况分析

选取南海目标海域百年一遇风浪流组合工况为主要分析工况，研究在不同浪向角情况下，平台的运动性能和系泊系统性能。由于平台关于X、Y轴对称，因此浪向角选取0°～45°，间隔为15°。

表5给出了完整工况下，平台运动响应和系泊力统计值。从表中可看出，平台在百年一遇风浪流共同作用下最大位移为63.40 m，仅为水深的4.23 %；最大垂荡运动为7.66 m；最大转角为6.04°；最大系泊力为8583.5 kN，系泊缆安全系数为1.88，满足规范要求。可以看出，当前系泊系统在恶劣海况下仍能较好完成对菱形立柱式半潜平台的定位任务，保障平台安全性。通过进一步对比分析发现，浪向角变化对平台垂荡运动几乎无影响，而对平台平动和转动影响较大，这是因为平台平动和转动与平台受力方向有关，即与浪向角有关，而垂荡运动仅与自身重力和浮力有关。

3.2 破断工况分析

根据完整工况的分析结果，在百年一遇风浪流组合工况下，当浪向角为45°时，8号系泊缆受力最大，其次为9号系泊缆。因此，本文假定8号系泊缆断裂，研究平台在单根系泊缆破断情况下的运动性能和系泊系统性能。此外，为验证更加恶劣的系泊缆受力情况，本文也对9号系泊缆破断工况进行模拟。

表6给出了破断工况下平台的运动响应及系泊力统计值，通过对比可得如下结论：

1）单根系泊缆断裂对平台最大系泊力影响较大，最大系泊力增加约30 %，相应的安全系数减小为1.44，但仍满足规范要求，可保障平台安全。

2）单根系泊缆断裂使平台平动增加，最大位移增加约45 %，而平台垂荡运动和转动减小，分别减小约10 %和14 %。

3）在8号系泊缆和9号系泊缆2种破断工况下，平台各项性能参数基本相同。

3.3 瞬态破断工况分析

上述破断工况分析是假定破断发生在一开始（t=0 s），忽略了破断时刻的瞬态响应。为了评估这一瞬态效应对其他系泊缆受力的影响，本文开展了瞬态破断工况研究，即假定系泊缆断裂发生于张力最大时刻。为了分析周全，还假定断裂发生于张力最大时刻前30 s。

完整工况中，8号系泊缆在t= 6185 s时，达到最大张力。因此，假定8号系泊缆分别在t=6 185 s和t=6 155 s时发生断裂，研究9号系泊缆张力变化。图5为4种工况下9号系泊缆受力时历曲线。可知，在断裂前，瞬态曲线与完整状态的曲线重合；断裂后，张力迅速增大，增大速度约为30 kN/s；断裂大约100 s后，瞬态效应消失，瞬态曲线与非瞬态破断曲线重合。

3.4 谱分析

为了更加深入探究菱形立柱式半潜平台的水动力机理，本文以浪向角为45°的百年一遇风浪流组合工况为例，对平台运动响应（纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、首摇）和最大系泊力进行谱分析。

图6为平台六自由度运动响应谱。从图6（a）和图6（b）中可看出，平台的横荡和纵荡运动主要由低频运动和波频运动构成，其中低频运动占主导地位，且幅值远远大于波频运动幅值，因此可认为横荡和纵荡主要由于二阶波浪慢漂力所导致；同时，低频运动峰值出现在0.05 rad/s处，与平台横荡和纵荡运动的固有周期（116.2 s）相同，而波频运动峰值则出现在0.39 rad/s处，与波浪谱峰周期（谱峰周期为16.1 s）相同。从图6（c）中可看出，平台垂荡运动主要为波频运动，这是由于平台垂荡运动固有周期（19.3 s，对应频率为0.33 rad/s）与波浪周期接近的原因，且垂荡运动响应谱有2个峰值，分别出现在平台垂荡运动固有周期处和波浪谱峰周期处。如图6（d）和图6（e）所示，由于平台横摇和纵摇运动固有周期（32.9 s，对应频率为0.19 rad/s）远大于波浪周期，因此平台在波浪慢漂力作用下出现显著的低频运动响应，同时在波浪谱峰周期处出现显著的波频响应，且两者处于同一量级。从图6（f）中可看出，平台首摇运动响应谱有3个峰值，分别出现在平台纵荡、横荡固有周期处和平台横摇、纵摇固有周期处以及波浪谱峰周期处，说明平台首摇运动受到平台平动和转动及波频运动影响，且影响程度为平动影响最大，其次为转动，最后为波频运动。

图7为8号系泊缆张力响应谱，可以看出系泊力主要受到低频运动和波频运动的影响，其中低频运动影响较大。对比图7和图6（a）、图6（b）可发现，系泊力响应谱与平台横荡和纵荡运动响应谱随频率变化趋势较为相似，说明系泊力主要受到平台横荡和纵荡运动的影响。

3.5 敏感性分析 3.5.1 系泊缆刚度

聚酯缆的材料具有粘弹性，所以具备非线性拉伸行为。因此，传统的单个线性刚度模型不能充分预报平台运动响应和系泊力。本文采用美国石油协会规范API RP 2SM推荐的高低双刚度法对平台进行敏感性分析。分析计算中使用的刚度是基于厂家的推荐值：

1）低刚度PI：EA=13×MBL=210 MN；

2）高刚度SS：EA=28×MBL=452 MN。

表7为高低双刚度下，平台各项性能参数统计值，通过对比两者数据，可得出如下结论：

1）系泊缆刚度对平台垂荡运动和平动影响较大，相对于高刚度系泊缆而言，平台在低刚度系泊缆系泊下，垂荡运动可减小约13 %，最大位移可增大约90 %；而系泊缆刚度对平台转动影响较小。

2）系泊缆刚度对系泊力影响较大，相对于高刚度系泊缆而言，低刚度系泊缆最大系泊力可减小约24 %。

3.5.2 系泊缆长度

在工程实际中，聚酯缆在服役期间可能会经历超过特定值的大荷载，其长度L也会因大荷载导致永久变形而增大。因此，本文假定聚酯缆因蠕变而导致其长度增加0.5 %，并模拟该状态下平台的各项性能。

表8为2种系泊缆长度下，平台各项性能参数统计值，通过对比两者数据，可得出如下结论：

1）系泊缆长度对平台平动影响较大，系泊缆长度增加0.5 %可使平台最大位移增加约15 %；而系泊缆长度对平台垂荡运动和转动影响较小，影响程度在5 %以内。

2）系泊缆长度对系泊力影响较小，系泊缆长度增加0.5 %，只可使最大系泊力减小约2 %。

4 结　语

本文以菱形立柱式半潜平台为研究对象，以 1 500 m为工作水深，以南海百年一遇风浪流组合工况为主要分析工况，开展了时域分析、谱分析和敏感性分析，研究了平台的运动性能和系泊系统性能，相关结论如下：

1）菱形立柱式半潜平台在恶劣海况下，仍具有优异性能，可用于南海深远海油气资源的开发。

2）单根系泊缆断裂可使最大系泊力增加约30 %，最大位移增加约45 %，而平台垂荡运动和转动则分别减小约10 %和14 %。

3）平台纵荡、横荡、横摇和纵摇运动主要由低频运动和波频运动构成，其中平台纵荡、横荡以低频运动为主，而平台横摇、纵摇的低频特性和波频特性同样显著；平台垂荡运动主要为波频运动，而平台首摇运动主要为低频运动；系泊力主要受到平台横荡和纵荡运动的影响。

4）系泊缆刚度对平台垂荡运动、平动及系泊力影响较大，对平台转动影响较小；而系泊缆长度对平台平动影响较大，对平台垂荡运动、转动及系泊力影响较小。