深水S-Spar平臺(tái)水動(dòng)力性能及其立管系統(tǒng)疲勞特性研究.pdf

1、隨著人類石油勘探開發(fā)逐漸向深水領(lǐng)域擴(kuò)展,涌現(xiàn)了許多新型的適應(yīng)深海海洋環(huán)境的平臺(tái)。與其他形式的平臺(tái)相比,Spar平臺(tái)的適用水深范圍大,運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性好,已經(jīng)成為世界深海油氣開采的主力平臺(tái)類型之一。Spar平臺(tái)已經(jīng)由第一代Classic Spar平臺(tái)、第二代Truss Spar平臺(tái)發(fā)展到第三代Cell Spar平臺(tái)。目前我國(guó)在此領(lǐng)域的研究還處于起步階段,且特殊的環(huán)境條件對(duì)Spar平臺(tái)的設(shè)計(jì)和研究提出了新的挑戰(zhàn)。因此,急需開展新型Spar平

2、臺(tái)概念設(shè)計(jì)及其水動(dòng)力性能等方面計(jì)算和模型試驗(yàn)研究。
　　 本文結(jié)合Classic Spar和Truss Spar平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn),基于極深水和海洋內(nèi)波等特殊的海洋環(huán)境條件,提出一種新型S-Spar平臺(tái),并設(shè)計(jì)了半張緊半懸鏈線式的系泊系統(tǒng)。S-Spar平臺(tái)采用圓柱形中央井連接軟硬艙,并在連接段的中央井外設(shè)置了三層垂蕩板。S-Spar平臺(tái)獨(dú)特的封閉式中段能夠有效避免頂張式立管等設(shè)施因內(nèi)波高流速引起嚴(yán)重的渦激振動(dòng),還可以安裝更長(zhǎng)的浮筒,不需

3、要采用輕質(zhì)金屬便能提供足夠的頂張力,使用的水深范圍更大。此外,中段的獨(dú)特設(shè)計(jì)還減少了鋼材的消耗量,有效的提高了平臺(tái)的有效荷載。
　　 采用三維勢(shì)流理論分析平臺(tái)在頻域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),計(jì)算了作用在平臺(tái)主體上的波浪載荷、附加質(zhì)量和勢(shì)流阻尼系數(shù)以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)等。計(jì)算結(jié)果表明,新型S-Spar平臺(tái)的附加質(zhì)量和阻尼都達(dá)到了良好的量級(jí),具有良好的運(yùn)動(dòng)性能,所得的頻域計(jì)算結(jié)果將進(jìn)一步用于平臺(tái)的時(shí)域耦合分析計(jì)算。
　　 采用DeepC

4、軟件建立了S-Spar平臺(tái)和‘Horn Mountain’Truss Spar平臺(tái)的耦合分析模型,考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載的作用和系泊系統(tǒng)的非線性影響,進(jìn)行了時(shí)域耦合分析。得到了兩種Spar平臺(tái)的波浪荷載(包括一階波浪激勵(lì)力和二階波浪力)、運(yùn)動(dòng)位移時(shí)程、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜、系泊纜的張力時(shí)程和張力極值等,并對(duì)兩種Spar平臺(tái)的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,S-Spar封閉式的中段并沒有引起平臺(tái)主體承受的波浪荷載的明顯增大；在極端風(fēng)浪流環(huán)境荷載的作用下

5、,S-Spar平臺(tái)各自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)要優(yōu)于‘Horn Mountain’Truiss Spar平臺(tái),其系泊纜的張力極值和張力變化幅值也的得到了很好的控制,因此新型S-Spar平臺(tái)保持了傳統(tǒng)Spar平臺(tái)良好的運(yùn)動(dòng)性能,能夠適應(yīng)深海油氣的開采。
　　 Spar平臺(tái)常采用TTR作為海面與海底井口間的主要連接件,現(xiàn)在對(duì)Spar平臺(tái)TTR系統(tǒng)的研究多針對(duì)單根立管,即不考慮Spar平臺(tái)的影響,尤其是TTR的渦激振動(dòng)分析。本文最后基于S-Sp

6、ar平臺(tái),對(duì)其頂張式立管渦激振動(dòng)疲勞特性進(jìn)行了研究,主要包括S-Spar平臺(tái)對(duì)立管保護(hù)作用研究、Spar平臺(tái)對(duì)其頂張式立管(TTR)固有頻率和渦激振動(dòng)疲勞損傷的影響、Spar平臺(tái)VIM運(yùn)動(dòng)對(duì)其TTR疲勞損傷的響應(yīng),得出以下結(jié)論:
　　 1)新型S-Spar平臺(tái)的封閉式中段不僅能夠保護(hù)平臺(tái)中段的立管,還能有效的減小整根立管的疲勞損傷。S-Spar平臺(tái)對(duì)平臺(tái)長(zhǎng)度范圍內(nèi)立管及導(dǎo)向環(huán)支撐位置處立管的保護(hù)作用最為明顯,且隨著流速的增大保護(hù)

7、作用增強(qiáng)。
　　 2)Spar平臺(tái)中央井內(nèi)的導(dǎo)向環(huán)對(duì)TTR提供側(cè)向支撐作用,使得有Spar平臺(tái)時(shí)TTR的固有頻率會(huì)高于無Spar平臺(tái)模型,對(duì)于本文的頂張式立管,固有頻率誤差最大可達(dá)11.12％。
　　 3)不考慮Spar平臺(tái)而采用簡(jiǎn)化的單根管模型對(duì)TTR進(jìn)行渦激振動(dòng)疲勞損傷計(jì)算使立管的疲勞設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn)。本文的頂張式立管在南海海域各流速的作用下,有Spar平臺(tái)的立管疲勞損傷為單根管模型計(jì)算結(jié)果的2.598倍。
　　

8、 4)VIV疲勞損傷與VIM疲勞損傷耦合計(jì)算時(shí),Spar平臺(tái)VIM運(yùn)動(dòng)可以降低TTR的疲勞損傷。忽略Spar平臺(tái)VIM運(yùn)動(dòng)而對(duì)TTR進(jìn)行疲勞壽命預(yù)報(bào)會(huì)使結(jié)果偏于保守。
　　 本論文的創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在:綜合Classic Spar和Truss Spar平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn),考慮極深水和海洋內(nèi)波等特殊海洋環(huán)境條件,提出一種新型S-Spar平臺(tái),并完成了時(shí)域和頻域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析；基于S-Spar平臺(tái),從S—Spar平臺(tái)對(duì)立管保護(hù)作用、Sp