新型深吃水多柱延伸式張力腿平臺的概念設(shè)計(jì)與耦合運(yùn)動響應(yīng)分析.pdf

1、隨著全球能源需求量的不斷增加,越來越多的深海油氣資源得以勘探和開發(fā),采用的鉆采設(shè)備主要是不同類型的浮式平臺,其中以張力腿平臺、半潛式平臺、浮式生產(chǎn)儲油輪和柱式平臺這四種最為常用。張力腿平臺,運(yùn)動性能優(yōu)良,同時具有半固定和半順應(yīng)的特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于世界眾多深海油氣鉆采工程當(dāng)中,但目前在我國尚沒有一座在建或投入使用。世界上的很多學(xué)者已經(jīng)對張力腿平臺的各方面性能做了大量的研究,其中水動力特性及動力響應(yīng)性能是張力腿平臺最核心的科學(xué)問題之一。為

2、了掌握張力腿平臺的各方面性能,為我國深海油氣資源的開發(fā)積累技術(shù)儲備,本文在綜述目前世界深海油氣資源勘探開發(fā)中常用浮式平臺的類型和特點(diǎn)以及張力腿平臺的發(fā)展歷史、不同型式的特性和主要科學(xué)問題的研究現(xiàn)狀及方向的基礎(chǔ)上,主要做了以下幾方面的研究工作:
　　(1)介紹了張力腿平臺的總體設(shè)計(jì)內(nèi)容、相關(guān)規(guī)范規(guī)程、交互式設(shè)計(jì)方法和基本力學(xué)特性,歸納出了深水浮式平臺型式創(chuàng)新的方向和原則,提出了一種新型的深吃水多柱延伸式張力腿平臺,并根據(jù)我國南海特定

3、海域的實(shí)際環(huán)境條件對它進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和選型,得到了此種平臺的基本特性,結(jié)果表明新型深吃水多柱延伸式張力腿平臺所受到的波激力狀況要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)張力腿平臺,具有更好的動力響應(yīng)性能。用擬靜力的方法分析了張力腿平臺運(yùn)動對各參數(shù)的敏感性,結(jié)果表明影響張力腿平臺性能的主要參數(shù)有平臺水線面面積、張力腿的初始預(yù)張力和就位長度。
　　(2)應(yīng)用勢流理論及波浪的繞射和輻射理論,考慮系泊系統(tǒng)的附加剛度,建立和求解了張力腿平臺上體的波頻響應(yīng)運(yùn)動方程。以四

4、座常用類型張力腿平臺和新型系列深吃水多柱延伸式張力腿平臺為對象,建立它們的數(shù)值計(jì)算模型,分別計(jì)算了它們的水動力參數(shù)和波頻響應(yīng),結(jié)果表明系泊系統(tǒng)的附加剛度使得波浪能量集中的周期范圍內(nèi)平臺各方向的運(yùn)動幅值響應(yīng)算子取值均變小,縱、橫蕩和首搖均呈現(xiàn)出很長的自然周期,垂蕩和縱搖的自然周期很短;水線面的減小將同時減小平臺的波浪荷載和靜水回復(fù)剛度,會同時增大平臺垂蕩和縱搖的幅值響應(yīng)算子;新型深吃水多柱延伸式張力腿平臺具有良好的波頻響應(yīng)特性,立柱的直徑

5、、間距和吃水是影響其性能的主要參數(shù)。
　　(3)考慮多種環(huán)境荷載與平臺運(yùn)動的耦合關(guān)系,建立了由平臺上體、立管和張力腿系泊系統(tǒng)共同組成的張力腿平臺時域耦合運(yùn)動方程,并給出了方程迭代求解的方法。建立平臺全耦合運(yùn)動系統(tǒng)的數(shù)值模型,數(shù)值模擬不同工況下四座常用類型張力腿平臺和新型深吃水多柱延伸式張力腿平臺的時域運(yùn)動響應(yīng),結(jié)果表明張力腿平臺縱蕩將引起垂蕩,它們和首搖運(yùn)動均以低頻成分為主,而縱搖就是高頻成分占絕對優(yōu)勢的波頻響應(yīng),立管的主要作用是

6、增加平臺主體的沉降和提高垂蕩響應(yīng)的低頻成分比例,新型張力腿平臺在各方向上的運(yùn)動性能均要比傳統(tǒng)式張力腿平臺優(yōu)良。
　　(4)應(yīng)用弦振動理論推導(dǎo)了張力腿在流荷載作用下產(chǎn)生卡門渦街時的非線性偏微分振動方程,從而建立了適用于概念設(shè)計(jì)階段的平臺張力腿動力響應(yīng)快速預(yù)報(bào)模型,進(jìn)一步推導(dǎo)了張力腿在頂端受到平臺各方向運(yùn)動作用時的動力響應(yīng)計(jì)算方法,最后用數(shù)值模擬的方法分析了一個張力腿算例在波、流聯(lián)合作用下在不同方向上和不同工況下的動力響應(yīng),其中考慮了

7、張力腿的運(yùn)動與所受流荷載大小及方向的耦合效應(yīng)。結(jié)果表明波浪荷載的作用很小,平臺的運(yùn)動會激起張力腿在更多頻率上的共振響應(yīng),在一定條件下張力腿會產(chǎn)生渦激振動并處于發(fā)散狀態(tài),這將嚴(yán)重危害平臺的安全。
　　(5)提出了兩種能夠使得張力腿平臺適用于更深海域或更惡劣海況的方案:混合系泊系統(tǒng)方案和附加浮箱張力腿方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明裝備混合系泊系統(tǒng)的張力腿平臺各方向的響應(yīng)幅值均會有顯著地減小,在張力腿的一定位置附加浮箱可以顯著降低平臺的縱蕩和垂