半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。     

Truss Spar平台垂荡响应频域分析

利用已有水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,简化估计了Truss Spar平台垂荡方向水动力贡献,快速有效地预报了平台极端海况下的垂荡响应.在频域内分别采用数值迭代计算和粘滞阻尼线性化方法得到了平台在不同数量垂荡板配置下的垂荡响应幅值算子.在墨西哥湾、西非和中国南海等3种不同地区极端海况以及墨西哥湾工作状态海况下计算了平台的响应极值,分析发现平台波频垂荡响应对入射波浪周期非常敏感.采用JONSWAP波能谱得到了Truss Spar平台垂荡响应谱.通过比较和参数分析,验证了平台在设计上的合理性与实际海况下良好的垂荡运动性能.     

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响,从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响,建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先,基于三维势流理论,采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析,分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律;进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析,探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明：垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO,但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响;具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板,在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势,说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。     

基于非线性能量阱的随机波浪载荷下导管架海洋平台的振动控制

海洋平台受到波浪等海洋环境的影响会产生明显而持续的振动,这些振动会造成平台结构疲劳损伤,影响平台上工作人员的舒适性与安全性。研究了随机波浪载荷作用下非线性能量阱(Nonlinear Energy Sink, NES)对固定式导管架海洋平台振动控制问题,并与调谐质量阻尼器(TMD)进行对比分析。通过建立NES—海洋平台系统动力学模型,从降低平台位移响应均方差的角度对NES的参数进行了优化设计,确定了随机波浪载荷作用下NES和TMD的最优参数。考虑结构刚度变化的问题,对NES和TMD的减振性能、系统瞬时能量传递和平台响应小波变化时频谱进行了对比分析。结果表明,NES可有效降低平台的在随机波浪载荷作用下的位移响应,NES中的瞬态共振俘获现象可使平台与NES之间产生靶能量传递(Targeted energy transfer, TET),与TMD相比较NES对刚度变化的鲁棒性更强。     

半潜式平台垂向运动低频响应特性

对半潜式平台垂向运动性能(包括垂荡、横摇和纵摇)进行数值计算分析。与模型试验结果的比较表明,对于半潜式平台这类由柱体组成的结构物进行水动力数值预报,忽略粘性力作用会使得低频运动响应计算结果产生偏差,需要应用三维势流理论和Morison公式相结合的方法。横摇和纵摇运动固有频率均低于波浪频率,在波浪慢漂力作用下会出现显著低频运动响应。垂荡运动是否出现低频响应则与所处海况联系紧密。     

新型干树半潜式海洋平台垂荡运动性能研究

在深海油气田开发中,干式采油树比湿式采油树具有更多优势。为减小半潜平台的垂荡运动,使其能够采用干式采油树,对一种深吃水且具有大面积下浮箱的新型半潜平台的运动性能进行了探究。基于势流理论,采用频域和时域相结合的分析方法,计算了平台在多种海况下的运动响应,为新型平台的运动分析和设计提供指导。同时,开展了水池模型试验,将计算结果与试验结果相比较,验证了数值模拟结果的准确性。为进一步探究新型平台的运动性能,研究了下浮箱放置深度对平台运动性能的影响,并进行相应的模型试验。研究表明:下浮箱的存在可大幅改善新型干树半潜平台的垂荡运动性能。综合考虑平台运动性能和工程实际应用条件,确定了最合适的下浮箱放置深度值。     

新型多功能干树储油半潜平台研发

针对凝析油气田开发了一型适应我国南海环境条件的深水多功能干树半潜平台,平台运动性能优良,可实现干树开采、回接水下井口、油气生产处理、凝析油存储、钻修井等功能。平台由上部组块、主船体、细长柔性连接结构、垂荡板、顶张紧式立管(TTR立管)系统、系泊系统构成,结构特点为采用细长柔性连接结构连接主船体与箱型垂荡板。垂荡板采用箱型结构,承受作业吃水压力,可实现平台与箱型垂荡板的整体拖航,平台安装简易,细长柔性连接结构可在位维修或更换。平台立柱内设置储油舱存储天然气凝析油,解决凝析油存储外输问题。平台采用成熟系统系统集成,运动性能优良,海上施工风险可控,未来有望成为一种新的深水油气田开发平台型式。     

一种新型干树式半潜平台设计

开发了一种新型的深吃水干树式半潜生产平台(TCDD-Semi),该平台可用于中国南海深水区域的油气田开发。它的一个显著特点是立柱的截面形状呈现为渐变形式,而非传统的等截面形式。立柱的底部最大,向上逐渐变小,再结合适当的下浮体设计,能够为平台在服役前期及在位状态时提供足够的浮力以及稳性。最重要的是这种新型立柱的设计能够明显地减小平台在恶劣海况时的垂向运动,从而使在平台上布置具有干式采油树的TTR立管系统成为可能。此外,这种渐变式的立柱设计也有利于减弱平台在流作用下的涡激诱导运动(VIM)。分析结果表明这种渐变式立柱半潜平台可以明显降低平台的垂向运动,也可以在码头组装时提供足够的浮力以及在平台下沉过程中提供足够的稳性。平台优越的垂向运动性能可以使顶部张紧式立管的行程范围限制在10.5 m之内(包括平台偏移、垂荡运动、潮汐影响、海床沉降、热膨胀等因素)。分析结果表明平台的垂荡范围、水平偏移、倾侧角度、上部模块重心处的加速度等可以满足设计要求,证明了这种新型干树式半潜平台的可行性。     

新型圆筒型FPSO垂荡抑制结构优化设计

针对传统圆筒型FPSO垂荡运动剧烈的特点,提出一种带有垂荡抑制结构的圆筒型FPSO。采用1∶77.8的缩尺比制作模型,进行垂荡纵摇衰减试验,得到带有不同垂荡抑制结构模型的固有周期和无因次阻尼系数,进而选取最优的垂荡抑制结构型式。之后计算并对比传统圆筒型FPSO和新型圆筒型FPSO垂荡纵摇运动的固有周期和幅频响应函数。在此基础上,结合我国南海海洋环境条件,设计新型圆筒型FPSO的系泊系统,计算分析自存工况下的耦合动力响应,并与传统圆筒型FPSO进行对比。结果表明,文中提出的垂荡抑制结构可以有效增大系统垂荡纵摇运动的固有周期,改善运动性能,提高系泊的安全性。     

新型深水半潜式生产平台发展综述

干式采油树具有修井方便、操作成本低、停机时间短和流动安全性好等优势,然而由于它要求平台具有较低的垂荡运动幅度,目前仅有张力腿平台和Spar平台能够支持干式采油树.相比这两种平台,半潜式生产平台不受水深限制,可变载荷大,且可实现整体拖航和上船体码头安装,但运动幅度相对较大.近年来,海洋工程界致力于通过改善半潜式平台的运动性能,使其可支持干式采油树.介绍了深水油气开发领域中可采用干式采油树的几种新型半潜式生产平台概念,分别从结构型式、安装方法和性能特征等方面进行了综述,总结了新型平台的技术发展趋势以及所带来的新问题,最后提出了我国发展新型半潜式生产平台的目标和需要解决的问题.     

台风海况下半潜式钻井平台动力性能监测与分析

半潜式钻井平台在海洋油气资源开发中发挥着重要作用,目前主要采用模型试验和数值模拟方法对其动力性能进行研究,非常缺乏台风等极端海况下半潜式平台动力响应的实海域监测数据。以某半潜式钻井平台为研究对象,构建了一套比较完善的平台动力性能监测系统,并对台风“杜苏芮”过境阶段的监测数据进行了分析。根据平台艏部气隙及运动监测数据推算了平台吃水及环境波高;采用随机波浪的统计分析方法,计算得到短期海况的有效波高、谱峰周期、能量谱等信息,通过与多种典型海浪谱对比发现Jonswap谱与所测波谱吻合较好;对平台的横摇、纵摇及垂荡运动进行了时域统计分析和频域谱分析,得到了台风海况下被测平台波频运动的实际响应特征,对于指导平台抗台作业具有重要意义。     

深水浮式平台垂荡运动与水下柔性立管涡激振动的动力耦合

基于有限元数值模拟,进行了"平台垂荡-顶张力立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟。动响应模型考虑了立管尾迹流场的水动力与结构动力的耦合和垂荡引起的立管结构刚度的时变特性;分析了平台垂荡运动的频率、模态阶数等因素对水下顶张力立管涡激振动的影响。数值结果表明:与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移会增大;立管响应幅值随着模态阶数的降低而增大;在响应过程中,尤其对于低阶模态,会出现响应的模态转换现象。鉴于在平台垂荡和涡激振动的共同作用下,立管的动响应会大于涡激振动、参数激励分别单独作用的响应,建议在立管实际工程设计中应该考虑平台运动和涡激振动耦合激励作用下的结构动响应。     

基于非线性数学模型的半潜式平台共振运动特性研究

共振运动是深海浮式平台设计的关键考虑因素之一,对海洋平台的作业具有重要影响。采用半潜式平台运动的非线性耦合数学模型,考虑浮筒和横撑出入水以及垂荡、横摇和纵摇运动耦合对平台浮力和恢复力的影响,研究半潜式平台非线性共振运动特性,以及不规则波浪参数对运动的影响。研究表明:在非线性耦合运动和浮力变化的影响下,半潜式平台纵摇和垂荡运动的固有周期会随运动幅值的增大而逐渐减小,且最终趋于稳定,对纵摇运动周期的影响更为显著;非线性效应会使半潜式平台产生显著的低频纵摇共振响应,以及共振频率漂移的现象,且受随机种子和波浪周期的影响较小。     

垂荡板对浮式风机水动—气动耦合性能影响研究

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势.由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出功率.因此,如何有效地抑制浮式风机系统的运动响应就成为了设计的关键.基于非稳态致动线模型和两相流求解器naoeFOAM-SJTU,进行了带垂荡板的浮式风机耦合性能研究.首先在OC3-Hywind Spar平台上附加垂荡板,并结合NREL-5 MW风力机建立带垂荡板的浮式风机模型.其次对比不同形状的垂荡板对Spar-5 MW型浮式风机气动—水动耦合结果,分析相同风浪联合作用条件下垂荡板形状对浮式风机耦合响应的影响.研究结果表明:垂荡板能够减小纵荡和垂荡等运动响应幅值,但是对纵摇运动响应影响较小;当垂荡板直径和吃水位置相同时,相同风浪条件下圆形垂荡板能使浮式风机的气动平均功率增大约0.844％,而正方形垂荡板却使平均功率减小1.492％,这说明圆形垂荡板对浮式风机系统的作用效果整体而言优于正方形.     

波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

半潜式平台垂向运动对气隙影响的概率统计分析

应用矩和L矩方法以及二次转换方程,基于模型试验数据的概率统计分析,研究半潜式平台在作业工况和生存工况下的气隙响应,以及平台垂向运动对立柱周围不同位置处的波浪升高和气隙的影响。结果表明,垂向运动总体上能够增加气隙,海况越恶劣,增加程度越明显;在不同浪向下对不同位置的气隙影响有差别,后立柱周围的波浪升高和气隙受平台运动的影响相比前立柱更为显著;同时,平台垂向运动会引起立柱周围波浪升高的非线性增强。     

基于现场实测数据的半潜式平台运动响应分析和极值预测研究

浮式平台承受风浪流等多种海洋环境载荷作用,呈现出复杂的运动学响应状态.通过对"南海挑战号"半潜式平台的实测六自由度响应数据进行分析,采用广义极值分布建立六自由度响应的概率密度和分布模型,并通过K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验验证了分布模型的合理性,进而开展了对该平台多年一遇重现期的六自由度响应极值预测研究.通过与平台的初始设计指标进行对比,发现平台的横荡、纵荡等五个自由度表现良好,而垂荡的响应极值超出设计指标,在现场作业中应予以注意研究成果对平台的安全作业具有辅助指导意义,可将预测结果作为极端恶劣海况下,人员提前撤离的辅助决策支持.通过更新平台的监测数据进行极值分析和预测研究可评估平台的性能变化行为.     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

海上风电半潜式基础初步选型Pareto-Optimal评价

针对半潜漂浮式风电基础初步选型,采用Pareto-Optimal评价方法对不同吃水、平台立柱直径、立柱间距和垂荡板直径四个参数的不同组合进行分析比较。基于浮体动力学频域计算方法,采用我国阳江某海域极限波浪条件计算得到叶轮中心水平加速度,同时考虑完整稳性的计算结果。对比分析表明平台吃水和立柱直径宜选择适中的取值,较大的排水量和立柱总体积并不会显著减小叶轮中心水平加速度。垂荡板对于改善平台整体性能是较为敏感的,垂荡板与立柱的直径比存在一定的最佳范围。平台立柱间距是影响平台运动性能最大的因素,增大立柱间距可以有效地降低叶轮中心水平加速度,但立柱间距的增大对立柱间的撑杆结构强度以及平台整体的建造和下水提出了较大的挑战。     

三维复杂结构Spar平台垂荡板垂荡水动力性能研究

对三维复杂结构Spar平台垂荡板进行垂荡运动的数值模拟,并对垂荡板附近流场及水动力系数进行对比分析。结果表明:在主板尺寸相同情况下,主板边缘附近较小的角钢结构会对垂荡板流场产生明显影响,并导致水动力性能的较大差距;水动力系数计算结果与流场分析的结论一致。虽然复杂板架结构的三维建模及网格划分难度很大,但是在Spar平台垂荡板工程设计中不能完全采用简化光滑平板代替真实、复杂结构形式的垂荡板进行水动力性能的计算。