深水多功能半潛式平臺系泊系統(tǒng)設計的若干問題研究.pdf

1、海洋蘊藏著極為豐富的資源。美國的墨西哥灣、歐洲的北海、西亞的波斯灣、北非海域以及南中國海域，都是世界各國開發(fā)海洋石油資源的重要活動場所。目前，海洋石油工業(yè)正在逐步向更深的水域發(fā)展，比如墨西哥灣、巴西、非洲西部、北大西洋與挪威海，水深都在1000～3000m范圍內(nèi)。 我國擁有廣闊的大陸架，現(xiàn)已探明有工業(yè)價值的海上油氣田就包括渤海、黃海、東海和南海的所有中國海域，已形成了年產(chǎn)1000萬噸原油的生產(chǎn)能力，海洋石油已成為我國重要的原油生

2、產(chǎn)基地。目前我國油氣資源開發(fā)主要是在200米水深以下的海域，深海平臺技術的研究尚處于起步階段，在面臨世界各國對人類共同擁有的深海資源激烈競爭的形勢下，須高度重視對深海平臺技術的研究。用于油氣開采工作的平臺有固定式平臺和移動式平臺兩大類，移動式鉆井平臺克服了固定式平臺不能重復使用的缺點，并大大增加了工作水深。移動式海洋石油鉆井設備擁有自己的浮力結(jié)構，可以由拖船拖著移動。有的還擁有自己的動力設備，可以自航。移動式海洋鉆井設備包括：坐底式平臺

3、、自升式平臺、半潛式平臺和鉆井船。其中半潛式平臺是目前適合于較深水域作業(yè)的先進平臺，它既能克服鉆井船的不穩(wěn)定性又能在較深水域中作業(yè)。系泊定位系統(tǒng)是半潛式平臺的重要組成部分，系泊系統(tǒng)包括動力定位和傳統(tǒng)錨泊定位，其中傳統(tǒng)錨泊方式在深水應用也非常廣泛，特別是多種成分錨泊線構成的錨泊系統(tǒng)。 本論文針對多成分懸鏈線錨泊系統(tǒng)的設計，特別是新的材料和新的方式的應用所帶來的發(fā)展，對深水半潛式平臺系泊系統(tǒng)的設計的相關問題進行研究。對于多成分錨泊系

4、統(tǒng)的設計問題作了以下工作。 1.多成分錨泊線的懸鏈線理論的研究錨泊線在水中是大變形柔性結(jié)構，其力和位移的求解依賴于沿線方向積分和求解非線性方程組。本論文推導了多成分懸鏈線方程組和多成分錨泊線的組合剛度系數(shù)矩陣，為多成分錨泊線的計算和分析進行理論的研究和準備。本論文還對有彈性錨泊線的懸鏈線方程進行推導，并對彈性的處理給出適當?shù)姆治龇椒?。對剛度較大的錨鏈、錨索或彈性較大的纖維繩等都適用這一方法。 2.多成分錨泊線的優(yōu)化設計模

5、型及方法的研究錨泊系統(tǒng)在深水中通常采用錨索或錨鏈等多種成分合成的錨泊線來降低錨泊系統(tǒng)的重量，因而涉及參數(shù)較多給錨泊系統(tǒng)設計分析帶來不便。針對這一問題，本論文基于準靜定分析和所推導的一定水深下多成分錨泊線懸鏈線方程組，并考慮錨泊線組成成分的特征參數(shù)對錨泊系統(tǒng)回復力的影響，建立了一種深水多成分錨泊線的優(yōu)化設計分析新模型。研究多目標函數(shù)模型的求解方法，分別采用多目標優(yōu)化和遺傳算法優(yōu)化方法選擇出最佳模型參數(shù)，將之應用于設計實例。最后，將這一模型

6、與錨泊系統(tǒng)設計過程結(jié)合，引入圖譜設計方法提高求解效率，對南海2號半潛式平臺的錨泊系統(tǒng)的深水改造進行分析求解，得到有益結(jié)論。此方法已經(jīng)申請國家發(fā)明專利，申請?zhí)枮椋?00410024881.7，公開號為：1583504。 3.錨泊線與海底接觸的有限元建模及求解針對錨泊線與海底接觸的非線性問題，本論文建立了錨泊線與海底接觸的有限元模型，求解非線性方程得到水中錨泊線的空間形態(tài)和應力分布數(shù)值，并分析了導纜孔的應力隨時間的變化。對于單一成分

7、和多成分錨泊線進行比較和分析，分別采用彈塑性或彈性的土體本構模型對海底基礎建立了有限元分析模型。通過加入動態(tài)環(huán)境力，分析和比較海底的摩擦、海底彈性模型和彈塑性模型對錨泊線動力、位移的影響。全面的分析錨泊線橫、縱剖面方向錨泊線與海底接觸引起的應力和變形，為錨泊線的設計提供有益的分析方法和結(jié)論。 4.錨泊線的動力分析單根錨泊線和錨泊系統(tǒng)的整體動力響應是錨泊系統(tǒng)設計的重要分析內(nèi)容。忽略海底摩擦的影響，本論文根據(jù)設計波方法提出了一種進行

8、錨泊線動力分析的時域方法。用于對稱式布置的錨泊線的動張力和空間位移的計算，并對其結(jié)果進行分析。對多成分錨泊線和單一成分錨泊線的動張力和導纜孔的位移進行分析和比較，為多成分錨泊線的動張力分析提供一種效率較高的實用方法。 5.考慮平臺運動的錨泊系統(tǒng)動力分析海洋平臺在外載荷作用下的運動對錨泊系統(tǒng)的張力和位移的影響分析是一個相當復雜的非線性問題。本文考慮錨泊系統(tǒng)導纜孔處半潛式平臺的運動，根據(jù)錨泊系統(tǒng)設計的需要，忽略阻尼和粘性，考慮錨泊系

9、統(tǒng)和浮體受海浪和海流作用時錨泊系統(tǒng)的張力和位移。對迎浪和浪后的錨泊線的張力和位移作詳細的分析。 6.多成分錨泊系統(tǒng)分析策略的建立總結(jié)論文中對多成分錨泊系統(tǒng)設計中的幾個關鍵設計問題，比如初步設計階段的多成分錨泊線的優(yōu)化設計研究；對錨泊線與海底接觸的非線性問題分析；以及考慮平臺運動后的錨泊線動力計算研究成果，借鑒傳統(tǒng)錨泊系統(tǒng)設計的過程，本論文將這些研究成果應用于實際的系泊項目——“南海2號”半潛式平臺系泊系統(tǒng)的深水改造設計，綜合整理

10、提出深水多成分錨泊系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和計算的過程。 錨泊系統(tǒng)的設計目標是根據(jù)任務書的要求，在滿足規(guī)范要求的前提下，結(jié)合錨泊系統(tǒng)靜動力分析的結(jié)果，確定最合適的錨泊系統(tǒng)的相關設備和錨泊線的組成成分。多成分錨泊線組成的錨泊系統(tǒng)的研究是一個新的領域。本論文立足于實際工作，從設計任務要求出發(fā)，針對錨泊系統(tǒng)設計中的非線性問題，進行了一系列的研究：研究了初步設計階段，錨泊系統(tǒng)的組成成分相關參數(shù)的優(yōu)化選擇方法；研究了海底與錨泊線接觸的交互作用，以及