畸形波作用下半潜式平台波浪爬升与气隙响应特性

半潜平台的波浪爬升与气隙响应是设计过程中的重要考量因素。为探究随机波浪场中畸形波对半潜平台波浪爬升及气隙响应的影响,将含畸形波的随机波浪试验与一般随机波浪试验结果进行了对比研究分析。对模型试验测得的运动以及监测点处的波浪爬升及气隙进行频谱分析以及极值统计分析。研究发现,纵荡和纵摇的极大值主要受畸形波的影响而显著增大,纵荡、垂荡以及纵摇响应谱几乎不受单个畸形波影响;波浪爬升与气隙的极大值受到畸形波的影响而增大,同时,畸形波对气隙响应谱造成极大影响,增强了波浪爬升与气隙响应的非线性性。     

基于深度学习的随船波浪测量技术研究

深海极端波浪环境为浮式海洋平台作业时最为关键的海洋动力环境之一。在其作用下,深海浮式平台的运动、气隙以及结构响应等均为近年来的研究热点。然而,在深海环境中,入射波浪环境往往通过X波段雷达进行测量,仅能获得波浪的短时统计值,极大限制了实海域浮动平台动力响应的研究。目前,尚无成熟的方法能够对海洋浮式平台所处海域的入射波时序进行实时测量。针对深远海半潜式平台的波浪时序随船测量问题,结合平台气隙响应与运动响应数据建立基于深层神经网络的波浪非线性解耦模型,准确估计辐射、绕射波浪以及其非线性成分对时序波浪场的影响。研究显示,基于深度神经网络的波浪时序测量技术可以实现从气隙响应到入射波信息的反推,利用该方法计算得到的波浪时序具有较高的精度。     

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。     

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。     

基于统计分析的半潜式平台气隙预报方法研究

以浮式半潜平台为研究对象，针对影响气隙结果的波浪非线性效应进行研究分析。通过分析平台气隙响应特性，确保平台在极端海况下的安全性。首先通过数值计算与模型试验，对一座浮式半潜平台在极端海况下的气隙响应进行计算与测量；进一步对平台附近18个典型位置的波面升高响应进行统计分析与概率分布拟合处理；最终求得反映各处波浪非线性强度的非线性因子∂值，并与OTG-13规范中的建议值对比讨论。结果发现∂的计算值与建议值并不完全一致，由于波浪受平台运动及平台结构扰动影响，平台下浮体附近处波浪非线性效应较强，计算值较建议值大，需要重点考虑分析。相应地，距离平台结构较远位置处的计算结果与建议值一致。     

半潜式平台结构整体可靠性分析方法

针对海洋环境中的半潜式平台多方面不确定性,基于半潜式平台结构整体强度分析方法,考虑多种波浪荷载作用的结构响应,采用非线性逐步垮塌分析方法,研究平台在不同控制工况下的极限承载力模型,建立相应的功能函数.根据结构体系可靠度理论和失效模式之间的关系,采用串联体系的可靠度计算方法.最后,对一座具体半潜式平台在100年重现期波浪荷载作用下进行了体系可靠性计算.计算结果表明平台整体可靠度水平由波浪引起的主要结构响应形式决定.通过计算,验证可靠度计算方法具有高效性和可行性,可以为大型深水浮式平台结构的设计、维护和评估提供理论依据.     

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。     

半潜式平台气隙量数值预报方法研究

以半潜式平台为研究对象,基于势流理论开展了有义波高Hs=10 m,谱峰周期Tp=15.4、14.1、12.8、11.8及10.6 s,有义波高Hs=8 m,谱峰周期Tp=10.1及9.6 s,浪向角β=0°、30°、45°、60°及90°,共计35个工况下半潜式平台气隙量的数值预报技术研究,计算结果表明:波浪的有义波高、特征周期及浪向角对半潜式平台气隙量的影响较大,半潜式平台甲板边缘易出现负气隙,同时平台垂向固有周期应避免与波浪的统计周期相同或接近。     

两型半潜式平台波浪作用下载荷敏感性研究

为探究半潜式平台在波浪作用下的载荷敏感特性,根据频域计算得到的水动力衍射/辐射结果,将动水压力作为输入项,利用ANSYS软件进行两型半潜式平台对波浪载荷的敏感性分析。以此对比两型平台响应特性,确定危险工况,并为平台整体结构设计提供参考。其中A型平台为柱稳式半潜平台,B型平台以A型平台为母型进行了水动力性能优化,以适用于北海海域作业环境。研究发现:两型平台的应变均在弹性形变范围内;两型平台会在相似位置处出现较大的等效弹性应力和应变分布,但相比于母型平台A,B型平台在立柱与浮体连接处也存在明显的高应力区;各波浪入射角度下,两型平台的入射波浪最危险周期不同,且存在B型平台响应大于A型平台响应的工况,因此基于水动力性能改进的B型平台,结构上可能存在不足。     

极限波浪作用下半潜平台运动响应时域数值模拟

针对一座工作水深为500 m的半潜式海洋平台,运用时域耦合分析方法,计算其在极限波浪作用下的运动响应。通过比较平台在两种不同形式极限波浪(即畸形波和"三姐妹"波)作用下的运动响应,分析两种不同形式的极限波浪对平台运动的影响。同时通过分析畸形波的参数对平台运动幅值的影响,确定平台运动响应对畸形波参数的敏感性。分析结果表明:极限波浪在聚焦点处波高最大,当平台恰好位于聚焦点时,对平台来说最危险;畸形波的波峰值是影响平台运动的最主要参数,在平台初期设计中要考虑工作海域中极限波浪可能达到的最大值;在波峰值相同的条件下,平台运动的最大值随着畸形波的谱峰周期和有义波高的增加而增加。     

内孤立波中半潜平台动力响应特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式,研究了两层流体中内孤立波与带分段式悬链系泊约束半潜平台的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析了在该内孤立波作用下SEDCO-700型半潜平台的内孤立波载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对半潜平台产生突发性冲击载荷作用,使其产生大幅度水平漂移运动,并导致其系泊张力显著增大,因此在半潜平台等深海平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

Dynamic Analysis of Semi-Submersible Production Platform Under the Failure of Mooring Lines

This paper quantitatively studies the transient dynamic response of a semi-submersible production platform with the loss of one or several positioning mooring lines.A semi-submersible platform,production risers,and positioning mooring lines are all included in the numerical simulation.Increased motion of the semi-submersible platform,tension variation of the remaining mooring lines/risers and the risk of mooring line or riser clashing are all investigated through fully coupled time-domain analysis.Combined environmental loads are selected from irregular waves and the steady current varying from very rough to extreme sea conditions.Three dimension radiation/diffraction theories and Morison’s equation are applied to calculate first-order wave force and second-order mean drift force of floating semi-submersible platform.Nonlinear time-domain finite element methods are employed to analyze the behavior of mooring lines and risers.Results show that the failure of mooring lines seriously reduce the platform’s stability performance.The tension of the rest lines is also increased accordingly.Remaining lines which are closer to the failed lines will have larger tension increase to compensate.Line-Line distance provides practical information for the risk of clashing investigation.     

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。     

内孤立波下深水半潜式平台系统动力响应研究

我国南海海域海洋环境条件复杂且海水密度垂直层化现象显著,内孤立波活动频繁,因内孤立波而造成海洋开采平台破坏的案例屡见不鲜。依托水动力计算软件AQWA二次开发功能,采用Kdv方程,借助Fortran语言将深水半潜式平台立柱、浮箱、系泊系统3部分的内孤立波作用力叠加到外力项中,联合求解半潜式平台的6自由度动力响应特性。数值模拟结果表明,在内孤立波作用下,半潜式平台的运动及系泊线张力均受到了显著的影响。在不考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台在纵荡和横荡方向上产生较大的漂移运动,最大偏移量较无内孤立波情况下增加了8倍;系泊线最大张力提高了17%,增加了系泊线断裂的风险。在考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台的纵荡和横荡运动响应在原响应基础上继续提高15%,但是系泊线张力变化不大。内孤立波不同浪向下的平台纵荡和横荡响应相差也很明显;系泊系统合力在不同方向上的大小决定了平台不同方向上运动的大小。     

Classification and Comparison of Wave Impact Modes on Semi-Submersibles

Semi-submersibles for offshore oil exploration and exploitation often suffer from severe wave impacts in extreme ocean environments.Owing to the complex wave interactions among structural components of semi-submersibles,in-depth analyses on the characteristics of wave impact events are of significance for both industry and academia.An experimental study was carried out to investigate the local wave impact loads on a semi-submersible,with focus on understanding the wave impacts by identifying typical impact modes.Quantitative criteria are proposed to classify major wave impacts on the semi-submersible into six modes and two types.The results show that the classification is reasonable and provides valuable information for studying wave impacts on semi-submersibles.The incident wave characteristics at the fore column of the semi-submersible have important influence on the wave impact mode.The fore-column dominating wave impacts exert the most intense loads on the fore column and feature well-developed breaking waves or slightly breaking waves at the fore column.However,the aft-column dominating wave impacts exert the most intense loads on the aft column or the deck bottom and feature non-breaking waves at the fore column.Energy loss during the fore-column impact weakens the impact severity on the aft column in the fore-column dominating wave impacts.The shoaling effect of the submerged pontoon and different motion configurations of the platform result in higher occurrence rate of the aft-column dominating wave impacts.Different impact modes are also distinguished by different spatial distributions of wave impact loads.     

半潜平台总体强度评估的谱分析法和设计波法对比

采用谱分析方法对半潜平台进行总体强度评估,验证了谱分析方法的可操作性。利用谱分析法计算平台关键连接部位处的应力水平,并与采用设计波法得到的应力结果进行比较,讨论两种方法之间的相关性。计算表明,谱分析法与设计波法存在一定的相关性,谱分析法的计算结果相对准确可靠,设计波法的计算精度依赖于选取的特征载荷工况,且目前规范推荐的载荷工况不够全面。本研究成果可为类似平台的总体强度分析提供参考。     

基于谱分析法的深水半潜式平台疲劳强度分析

以某新型深水半潜式钻井平台为分析对象,依据三维绕射理论计算单位波幅下波浪诱导载荷,通过建立三维有限元模型计算完成了热点应力响应。运用热点应力的谱分析法计算得到危险节点的疲劳寿命,并进一步分析了各个短期海况和不同浪向对节点总的疲劳损伤度的贡献。研究结果表明,危险节点的疲劳寿命都满足设计寿命要求;在各种中低海况下,疲劳损伤主要来自于平均跨零周期在6 s附近,有义波高转大的短期海况;平台关键连接部位的疲劳损伤主要是在横浪和斜浪状态下产生的,并且对某单一方向的波浪非常敏感。此研究对该类型平台的连接处结构设计和疲劳分析方法有参考意义。