基于缓波布置构型的深水立管动力优化机理研究

缓波型立管可以有效降低深水立管的顶端张力,缓解浮式结构运动对立管触地区的耦合作用,从而提高立管触地区的疲劳寿命。通过改进细长杆理论模型以及浮力段等效优化,提出基于多重波形串联布置的深水缓波型立管构型(简称多重缓波型立管),通过对比不同浮式结构垂荡激振以及海流作用下悬链线立管、缓波型立管以及多重缓波型立管的动力响应特征和运动传递路径,探究缓波布置构型对深水立管动力响应的影响规律和对立管触地区运动的解耦机理。结果表明:基于缓波布置构型的深水立管通过构建缓波构型可以大大降低立管触地区的法向运动响应,进而优化该区域的动态曲率及抗疲劳性能;相比于缓波型立管,多重缓波型立管在动态轴力及动态曲率等方面没有显著优势,但在触地区曲率幅值响应上具有一定竞争力。     

一种新型深海海洋平台——几何形Spar和集成浮力桶的试验研究

介绍了一种新型深海海洋平台——几何形Spar壳体概念和集成浮力桶立管支撑概念，并与常规Spar和桁架式Spar进行了比较。为测定多角形Spar和集成浮力桶在不同环境条件下运动响应的总体性能，设计并完成了在海洋工程水池中的模型试验，此类试验在国内尚属首次。     

海洋输流立管耦合动力分析

综合考虑黏性内流以及立管轴向和流向的耦合效应等多种因素对立管动力响应的影响,基于Hamilton原理推导得出海洋立管耦合振动方程,采用Galerkin法进行数值求解。首先分析波流载荷与平台运动联合激励和仅在平台运动作用下立管动力响应的差异,然后讨论黏性内流和顶部张力对立管动力特性和响应峰值的影响。计算结果表明:波流与平台运动耦合作用和仅在平台运动作用下的立管各阶振动模态和振动峰值存在明显差异,波浪和海流对立管的直接作用不可忽略;内流运动黏性会改变立管振型峰值,立管流向一阶固有频率随内流流速增大而减小,流向和垂向振动峰值分别随之增加和减小,但这种影响很有限,且可以通过增大立管顶部预张力来抵消。     

系泊模式对深水Spar平台运动性能的影响

在频域和时域内研究对等分布式系泊和分组式系泊2种系泊模式对Spar平台运动性能的影响,并分析单根系泊缆破断失效后平台运动性能的变化。首先建立Spar平台的三维水动力模型,通过在平台柱体导缆孔处指定预张力、倾角和刚度来模拟系泊系统的影响;然后采用三维势流理论进行浮体水动力计算,获得Spar平台运动响应的传递函数等水动力参数;最后根据实际海况资料,在平台生存工况下,进行Spar平台在完好系泊和单根系泊缆破断失效状态下运动响应的短期预报,并在时域内进行耦合分析,研究平台运动响应和系泊缆张力变化情况。研究结果对Spar平台系泊系统设计和平台设计前期运动性能研究有参考意义。     

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves, ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

Truss Spar平台在波流联合作用下运动响应预报方法比较

基于细长体水动力模型比较了Truss Spar平台在波流联合作用下运动响应预报的三种方法。分别采用波流耦合、速度叠加及力叠加计算Truss Spar平台在波流联合作用下的水动力载荷,根据流场水质点运动规律和Truss Spar外部形状特点,分段高效计算水动力载荷。利用Runge-Kutta-Fehlberg方法求解刚体非线性运动方程得Truss Spar在波流场中的运动响应。研究结果表明力叠加法所预报的Truss Spar纵荡和纵摇运动明显大于其他两种方法的相应运动响应预报结果,而波流耦合法与速度叠加法所预报的纵荡与纵摇运动响应幅值相当,三种方法所预报的垂荡运动响应的大小取决于具体波流参数。     

新型多柱桁架式Spar平台水动力性能研究

Spar平台以其较大的水深适应范围,较好的运动性能和稳定性,在深海油气资源开采中得到广泛的使用。随着技术的进步,各种新型的Spar平台形式不断涌现,其各方面的性能也得到大量的研究。结合前几代Spar平台形式的特点,提出了一种新型的多柱桁架式Spar平台概念,希望通过桁架的使用,保持Spar良好的运动和受力总体性能,同时采用多柱式的硬舱结构,降低建造难度和成本。并对该Spar平台的水动力特性,载荷以及运动响应进行了数值建模计算,分析结果表明,其运动响应较小,水动力性能良好。     

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。     

陡波型柔性立管浮力块参数优化及应用

浮力块分布和外径等参数直接影响柔性立管在环境载荷作用下的动力响应,对某深水柔性立管进行陡波型布置,开展时域内的整体动态有限元分析,得到浮力块分布和外径对柔性立管动力响应的影响规律,表明浮力块参数是陡波型柔性立管整体设计的一个重要因素。立管动力响应是弯曲加强器的设计载荷,根据上述规律,构造具有不同浮力块参数的柔性立管模型,进行多工况动态分析,通过对比弯曲加强器设计载荷对(T,θ)的散点图,得到弯曲加强器设计载荷优化方法及最优设计载荷。     

风浪流中涡激共振对Spar型浮式风机运动响应的影响

以Spar型浮式风机为研究对象,研究涡激力对于浮式风机系统运动的影响。对多体动力学软件FAST进行二次开发,加入涡激力的计算接口,实现了在平台涡激、波激、空气动力载荷及系泊联合作用下的Spar浮式风机系统的运动响应的计算。计算了在风、浪、流联合作用下,频率锁定现象发生时,Spar基础的运动响应,分析了风浪下Spar风机运动响应的涡激运动特性,并研究了不同的入流角度的影响。结果表明:考虑涡激力后,Spar基础的横荡运动明显增大;风浪流同向时,风浪的存在会抑制流载荷引起的横荡在涡泄频率的运动;在流与风浪垂直时,会激发Spar基础的更大的纵荡运动响应。     

Coupled dynamic analysis for wave interaction with a truss spar and its mooring line/riser system in time domain

A full time-domain analysis program is developed for the coupled dynamic analysis of offshore structures. For the hydrodynamic loads, a time domain second order method is developed. In this approach, Taylor series expansions are applied to the body surface and free-surface boundary conditions, and the Stokes perturbation procedure is then used to establish the corresponding boundary value problems with time-independent boundaries. A higher-order boundary element method (HOBEM) is developed to calculate the velocity potential of the resulting flow field at each time step. The free-surface boundary condition is satisfied to the second order by fourth order Adams–Bashforth–Moultn method. An artificial damping layer is adopted on the free surface to avoid the wave reflection. The mooring-line/tendon/riser dynamics are based on the rod theory and the finite element method (FEM), with the governing equations described in a global coordinate system. In the coupled dynamic analysis, the motion equation for the hull and dynamic equations for mooring-lines/tendons/risers are solved simultaneously using the Newmark method. The coupled analysis program is applied for a truss Spar motion response simulation. Numerical results including motions and tensions at the top of mooring-lines/risers are presented, and some significant conclusions are derived.     

新型桁架式Spar生产平台储油系统及总体设计

新型桁架式Spar生产平台具有15 000 t的凝析油储存能力,采用基于油水置换技术和三级油水分离工艺的新型储油系统设计,这在现役和在建的Spar平台中尚属首次。介绍了平台的总体方案,包括主要技术参数、舱室划分、空船重量重心和系泊系统等。阐述了油水置换储油系统的布置方案以及三级油水分离工艺流程。并分析了平台的主要性能,包括气隙、运动耦合、稳性。最后通过风浪流联合运动响应的水池试验,验证了平台在百年一遇的海况下具有良好的运动性能。     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。     

Dynamic behavior of offshore spar platforms under regular sea waves

Many innovative floating offshore structures have been proposed for cost effectiveness of oil and gas exploration and production in water depths exceeding one thousand meters in recent years. One such type of platform is the offshore floating Spar platform. The Spar platform is modelled as a rigid body with six degrees-of-freedom, connected to the sea floor by multi-component catenary mooring lines, which are attached to the Spar platform at the fairleads. The response dependent stiffness matrix consists of two parts (a) the hydrostatics provide restoring force in heave, roll and pitch, (b) the mooring lines provide the restoring force which are represented here by nonlinear horizontal springs. A unidirectional regular wave model is used for computing the incident wave kinematics by Airy’s wave theory and force by Morison’s equation. The response analysis is performed in time domain to solve the dynamic behavior of the moored Spar platform as an integrated system using the iterative incremental Newmark’s Beta approach. Numerical studies are conducted for sea state conditions with and without coupling of degrees-of-freedom.     

Experimental Investigation on Hydrodynamic Behavior of the Geometric Spar Platform

1.IntroductionThe spar technology has been used off shore for many years in applications such as research ves-sels,communicationrelaystations,andstorage and offloading platformslikethe Brent spar(Downieetal.,2000;Incecik,2000;Marcioet al.,2003).In1996,the…     

Nonlinear coupled dynamic response of offshore Spar platforms under regular sea waves

Many innovative floating offshore structures have been proposed for cost effectiveness of oil and gas exploration and production in water depths exceeding one thousand meters in recent years. One such type of platform is the offshore floating Spar platform. The Spar platform is modelled as a rigid body with six degrees-of-freedom, connected to the sea floor by multi-component catenary mooring lines, which are attached to the Spar platform at the fairleads. The response dependent stiffness matrix consists of two parts (a) the hydrostatics provide restoring force in heave, roll and pitch, (b) the mooring lines provide the restoring force which are represented here by nonlinear horizontal springs. A unidirectional regular wave model is used for computing the incident wave kinematics by Airy’s wave theory and force by Morison’s equation. The response analysis is performed in time domain to solve the dynamic behavior of the moored Spar platform as an integrated system using the iterative incremental Newmark’s Beta approach. Numerical studies are conducted for sea state conditions with and without coupling of degrees-of-freedom.     

Spar平台湿拖阻力性能研究

海洋平台由拖船拖至工作地点,计算海洋平台的湿拖阻力在实际工程应用中具有重要意义。采用实验和数值模拟两种方法进行桁架式Spar平台的湿拖阻力性能研究,并将两种结果进行对比。并分析了桁架式Spar平台的垂荡板间流场的变化规律。研究结果表明,Spar平台的湿拖阻力中,摩擦阻力所占总阻力的比例小于10%;在平台拖曳运动的前几秒中,垂荡板间流体剧烈运动,速度和压力显著变化,随后就运动慢慢变缓;Spar平台在低速拖曳时会产生明显的波浪,尾部有回流。     

浮体二阶运动下钢悬链式立管触地区动态响应分析

浮体运动是引起钢悬链式立管(steel catenary riser,简称SCR)动态响应和疲劳损伤的关键因素,目前研究SCR问题时,为简化计算往往仅考虑平台一阶运动,忽略二阶运动影响。而实际上不同浮体结构的二阶运动响应特征明显,拟以SCR服役张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)为例,探讨浮体二阶运动对SCR触地区动态响应的影响。建立考虑海床刚度退化的管土作用模型以改进现有的CABLE3D RSI程序,通过编写程序接口,将有限元分析得到的平台实际运动响应导入,研究平台不同运动作用下SCR触地区的位移、动力响应及疲劳分布情况。根据波流作用方向将TLP二阶慢漂运动分为近端和远端漂移两种工况,发现二阶运动下立管与海床的作用范围会增大,且触地区不仅发生高频小幅振荡运动,同时伴随低频大幅运动响应;平台远端漂移时,管内张力敏感程度高,而近端漂移时触地区的弯矩显著增大,都会不同程度提高触地区的疲劳损伤率。研究可为服役不同浮体的SCR响应预测与疲劳分析提供参考和借鉴。