深水Spar平臺水動力性能和運(yùn)動響應(yīng)數(shù)值研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，陸上和近海石油資源逐漸減少，為了滿足日益增長的能源需求，世界發(fā)達(dá)國家將油氣資源的開發(fā)重點(diǎn)定在了深海。立柱式平臺即為這種用于深海石油的開采、生產(chǎn)、處理加工和儲存的平臺結(jié)構(gòu)形式之一，被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)在的水深較大的深海油氣田中。由于所處海洋環(huán)境和地質(zhì)條件惡劣，深海浮式生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、投資巨大、風(fēng)險極高。因此如何正確地獲得其在海洋環(huán)境下的運(yùn)動性能非常重要，對平臺前期設(shè)計有十分重要的參考價值。
　　 本文研究的Tru

2、ss Spar平臺參照一座在墨西哥灣服役的母型平臺進(jìn)行設(shè)計。其中平臺的系泊系統(tǒng)考慮了分組式系泊模式和對等分布式系泊模式。采用理論分析和數(shù)值模擬的方法在頻域和時域內(nèi)對平臺的水動力性能和運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行了分析研究。
　　 建立Spar平臺的三維水動力模型，通過在平臺柱體導(dǎo)纜孔處指定預(yù)張力、傾角和剛度來模擬系泊系統(tǒng)的影響，采用三維勢流理論分析平臺的水動力特性和運(yùn)動性能，計算作用在平臺上的波浪載荷以及平臺運(yùn)動響應(yīng)的傳遞函數(shù)等水動力參數(shù)，并對

3、平臺在不規(guī)則海浪中運(yùn)動的進(jìn)行短期預(yù)報。結(jié)果表明，所設(shè)計平臺具有良好的運(yùn)動性能，所得頻域計算結(jié)果可用于進(jìn)一步系泊設(shè)計的分析計算。建立不同數(shù)量垂蕩板的平臺模型，忽略粘性阻尼影響，在頻域內(nèi)初步探討了垂蕩板引起的附加質(zhì)量效應(yīng)和對平臺垂蕩運(yùn)動的影響。
　　 采用懸鏈線法和有限元法對分組式系泊平臺和對等式系泊平臺進(jìn)行了靜力特性分析。計算了單根系泊纜的張力與位移關(guān)系曲線以及系泊系統(tǒng)回復(fù)力與平臺位移的關(guān)系曲線。對系泊系統(tǒng)在不同環(huán)境工況下的靜力特

4、性進(jìn)行分析，包括完好和單根系泊纜破斷失效兩種條件，總結(jié)了平臺位移和系泊纜張力的變化規(guī)律。
　　 將Spar平臺及其系泊系統(tǒng)作為一個相互之間動力耦合的完整系統(tǒng)，計及各種非線性因素，考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的共同作用，采用三維非線性時域模擬方法分析了平臺的運(yùn)動響應(yīng)和系泊纜動張力的變化規(guī)律。研究了系泊參數(shù)，如系泊模式、系泊纜夾角、立管系統(tǒng)和二階波浪漂移力計算方法對系泊系統(tǒng)運(yùn)動性能的影響。
　　 本文的主要結(jié)論有：
　　

5、 1、隨著垂蕩板數(shù)量的增加，平臺的附加質(zhì)量也逐漸增加，垂蕩自然周期逐漸增大，同時垂蕩幅值逐漸變小，帶來更好的運(yùn)動性能。但是由于垂蕩板的板數(shù)增多，板間距變小，各板相互間存在遮蔽作用，使得垂蕩板總體附加質(zhì)量的增長速度低于板數(shù)的增長速度，平均到每一塊板上的附加質(zhì)量反而會變少，效率有所降低。
　　 2、靜力分析結(jié)果表明，系泊纜張力在頂端導(dǎo)纜孔處最大，隨著水深的增加逐漸變?。惠d荷不同方向作用時，出現(xiàn)最大載荷系泊纜編號不同，一般來說，與載荷

6、方向夾角最小且在迎浪側(cè)的系泊纜內(nèi)張力最大。系泊平臺在不同方向上對環(huán)境載荷的抵抗能力不同；分組系泊模式提供了更好的張力余量，在張力上有更高的安全系數(shù)，靜力性能要優(yōu)于對等分布系泊模式。靜力分析的結(jié)果可以為時域動力分析提供參考。
　　 3、動力分析表明，海洋平臺在風(fēng)浪流環(huán)境載荷的作用下，低頻載荷對平臺部分自由度上的運(yùn)動響應(yīng)，如縱蕩、橫蕩、橫搖和縱搖具有重要影響；而垂蕩響應(yīng)和系泊纜動態(tài)張力則表現(xiàn)出明顯的波頻特性。
　　 4、在百

7、年一遇風(fēng)暴環(huán)境條件下，通過分析研究不同系泊模式下浮體的運(yùn)動響應(yīng)和系泊纜張力，發(fā)現(xiàn)對等分布系泊模式和分組系泊模式下平臺的運(yùn)動響應(yīng)和系泊纜張力均滿足規(guī)范要求。但是在完好條件下和單鏈?zhǔn)軗p情況下，分組系泊模式系泊纜最大張力小于對等分布系泊模式，分組系泊模式比對等分布系泊模式運(yùn)動性能優(yōu)越。
　　 5、通過比較不同系泊纜夾角，分別為5°、10°和15°的三組分組系泊系統(tǒng)的極值位移和張力值，發(fā)現(xiàn)隨著角度的增加，平臺運(yùn)動響應(yīng)逐漸減小，而系泊纜極

8、值張力逐漸增大。綜合比較平臺運(yùn)動響應(yīng)和系泊纜極值張力變化情況，發(fā)現(xiàn)系泊纜夾角最小(5°)時系泊平臺的性能最優(yōu)。
　　 6、考慮立管系統(tǒng)后，增大了結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量和阻尼，導(dǎo)致平臺整體運(yùn)動響應(yīng)程度減小，系泊纜極值張力減小，同時動張力響應(yīng)程度也減小。處于載荷迎浪面的系泊纜張力極值和標(biāo)準(zhǔn)差較大。
　　 7、研究比較了Newman近似和直接計算QTF兩種計算二階波浪漂移力的方法對系泊平臺運(yùn)動性能的影響，發(fā)現(xiàn)Newman近似方法在計算