深海系泊系统动力特性研究进展

系泊系统设计是深海平台开发的关键问题之一。由于深海环境载荷和系泊材料物理特性及系缆构型影响,系泊系统分析涉及流固耦合非线性、非线性流体动力及整个系泊系统的运动稳定性。总结深海系泊系统关键理论和技术研究的前沿问题,包括系泊系统系缆建模、系泊系统耦合动力分析的理论和方法等,重点分析系泊系统非线性动力学问题的研究进展,并且提出了深海系泊系统需要深入研究的若干动力学问题。     

系泊平台碰撞外部动力学的数值仿真研究

海洋平台通常在近岸系泊状态下作业,附近常有穿梭油轮和供应船的航行或停靠,因此系泊状态下的平台被碰撞的机会较多。平台一旦遭受碰撞,其结构将受到严重的破坏,因此对该状态平台动力特性的研究具有重要意义。本文结合碰撞的外部动力学和多体动力学理论,对软钢臂单点系泊条件下的海洋平台进行碰撞分析,对平台碰撞特性和系泊装置的运动响应进行了研究,分析了系泊平台的运行轨迹及能量耗散情况,为平台在系泊状态下的安全性提供依据。从分析结果可以看出:相比于无系泊状态的碰撞,系泊平台遭受侧向撞击时,平台的纵荡位移可降低30%~40%,但由于系泊系统的存在,横荡速度和位移显著增加,但整体偏转幅度降低(即艏尾位移减小);垂荡位移大幅度增加,速度波动较大,振动明显;横摇和艏摇的角速度和角度幅值降低,沿近似正弦曲线变化。     

深海吸力锚水平极限承载力研究

深海吸力锚基础的极限承载能力是海洋工程锚固系统的一个关键问题。基于Coulomb摩擦接触对原理,给出一种模拟吸力锚承载能力的有限元模型。在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS,研究系泊点位置、吸力锚长径比对极限承载力的影响,并给出深海吸力锚失稳模式。结果表明,系泊点位置极大地影响着吸力锚的极限承载力与稳定性,系泊点位置的变化会导致吸力锚出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式,同时吸力锚失稳模式受长径比的影响。为工程实际和理论分析提供了技术支持和理论指导。     

半潜式起重平台系泊系统设计与优化研究

近年来,国内兴起了大力发展半潜式起重平台的势头,系泊系统的设计与优化是该类型平台开发中的关键问题之一。采用时域方法对半潜式起重平台系泊系统进行耦合动力分析,研究系泊系统主要参数对其动力响应特性的影响,并给出主要参数的设计优化流程,在此基础上,以能够满足安全校核且性能较优的系泊方案为目标,对该半潜式起重平台的系泊系统进行优化设计,并研究单根系泊缆发生破断对整个系泊系统的影响。结果表明:基于主要参数对系泊性能的影响规律,经优化设计得到的系泊方案,预留的安全欲度适中,能够保障半潜式起重平台在恶劣海况下的生存能力,同时具备较好的经济性。     

极限海况下Spar平台系泊系统耦合动力分析

在复杂的风浪流海洋环境中,Spar及其系泊系统的耦合作用受多方面的影响。对极限海况下的某Classic-Spar平台及其系泊缆索的动力响应做了时域非线性耦合研究。重点分析了极限海况下一根或者多根系泊缆索断裂时平台运动及其缆索张力动力响应的统计特性。分析结果表明,在风浪流同向且共线的极限海况下,不同位置处的系泊缆索发生断裂,对整个平台系泊系统安全的影响程度不尽相同,尤其以迎浪方向系泊缆索的断裂影响显著。     

半潜式平台运动及系泊系统特性研究

针对深海半潜式平台及其系泊系统的水动力特性,运用时域耦合的分析方法,对一座水深为1 000 m的半潜式平台,及其悬链线式系泊系统的水动力性能进行探索,获得频域和时域响应结果。同时阐述了平台系泊系统的设计流程,并通过系泊系统参数的变化,研究其特性寻找影响系泊系统作用的一般规律,为平台及其系泊系统设计提供参考。     

深海SPAR平台系泊系统耦合动力分析

随着海洋石油向深水领域的拓展,SPAR平台以其诸多优点逐渐成为海上油气生产的主流设施。主要研究SPAR与系泊系统间的耦合响应问题,在讨论了浮体在波浪中运动求解方法之后,阐述了如何利用非线性有限元技术对系泊缆索和立管进行动力分析和张力计算,以及浮体与系泊系统耦合计算的相关理论,对浮体和系泊系统耦合计算模型进行了描述。通过对某SPAR进行系泊系统耦合计算和对计算结果的讨论,证明了深海SPAR系泊系统耦合计算的正确性。     

畸形波作用下JIP Spar平台波浪力分析

利用时域高阶边界元法研究畸形波、系泊系统与浮式结构物耦合作用问题,运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势,采用非线性有限元法模拟系泊缆索的各种受力及缆索的弹性变形。以Longuet Hinggins模型为基础,调整组成波的初相位,在很短的波列中得到满足畸形波定义的波形。分析了聚焦位置、初始相位、谱峰周期、谱宽以及水流参数等对系泊JIP Spar平台缆绳力和波浪荷载的影响。将入射波浪的聚焦点分别设置在平台的迎浪侧和背浪侧,分析缆绳力和波浪荷载聚焦峰值,模拟结果发现其最大值产生在聚焦点为迎浪侧的情况。当聚焦点在迎浪侧时,缆绳力和波浪荷载聚焦峰值随着初相位的增加而减小,随着谱宽的增加而减小,而随着谱峰周期的增加而增加。     

一种新型的Spar平台及其动力特性

介绍了一种新型的Spar平台。由于Spar平台属柔性连接结构,允许其在一定范围内运动,故二阶漂移力为系统稳定性的控制荷载,而线形波浪力则可导致系泊系统产生疲劳破坏。为此,文中结合分析此新型平台所受水动力特性,比较其相对于现有Spar平台的优势。由于浮筒位于水下一定深度处,新型平台所受线性波浪力和二阶波浪力均大幅度减小,尤其是后者可减至现有Spar平台受力的2%左右,所以大大地改善了平台的稳定性和系泊系统的抗疲劳破坏能力。由于在上部平台和浮筒之间增加了导管架,使得各模块间的连接点大大减小,从而又方便了海上施工作业。     

新型张力腿式储油处理平台的动力响应分析

针对目前小油田早期生产中存在的不足,提出一种适用于浅水海域的新型张力腿式储油处理平台,该平台主要由储油箱、浮箱、吸力桩、系泊链和甲板结构构成,具备原油处理和储存功能。应用非线性时域耦合分析法,研究了有义波高、平均波周期、水深对该平台的运动响应和系泊链张力的影响。计算结果表明,波高对平台动力响应有较大影响,有义波高每增加0.4 m,平台水平位移相应增加0.408 m,而系泊链力随有义波高的增加呈准线性增大;波周期对平台水平运动影响显著,平均波周期从6.5 s逐级变化至8.5 s时,最大水平位移自3.760 m渐增至5.467 m,而波周期对系泊链力影响较小,变化率一般小于10%;该新型平台对水深大于20 m的浅水海域有良好的动力特性,而对水深小于20 m的海域却表现异常。因此,该新型张力腿式平台能满足水深不小于20 m浅海区的油田早期生产需要。     

立管对深水半潜式生产平台定位性能影响研究

基于三维频域势流理论,计算船体的水动力参数;采用动态耦合方法分析了深海半潜式生产平台各系统之间的相互作用特征,研究了立管系统对锚泊系统定位能力的影响。计算结果表明,立管系统在一定程度上增加了整个系统的刚度,其所受的附加质量和阻尼可降低平台的低频响应,从而降低平台的偏移和系泊缆的张力;海流将增大立管上的拖曳力,使平台偏移更远,锚索上的张力更大;立管系统对锚泊系统定位性能的最终影响需综合考虑多种因素的叠加。对目标平台而言,由于服役海域的流速较大,对立管的拖曳作用较为明显。因此,为确保平台的安全性,当服役海域流速较大时,带有多立管的平台,其锚泊系统的设计应考虑立管的影响。     

海洋平台抛锚方式模糊优化设计方法

海上钻井平台由于工作地点经常发生变化,工作环境条件随之改变,锚泊抛锚方式就要相应更改。本文针对深海半潜平台及其悬链线式系泊定位系统,运用平台与锚链耦合运动时域分析方法,对其水动力性能进行探索,并提出一种运用模糊算法计算平台抛锚方式优化设计方法,此方法可使钻井平台在风暴自存工况和钻井工作工况下更快更好地找到最佳抛锚方式。以一典型的半潜式钻井平台为例进行数值模拟,结果表明本文提出的方法是可行的,能够很方便地找到比较好的抛锚方式来满足相关要求。这种锚泊优化设计方法可为平台及其系泊系统设计提供参考。     

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.     

半潜式钻井平台复合锚泊系统组分配比优化设计

从提高锚泊系统收放时效性入手,提出了一种半潜式钻井平台复合式锚泊系统组分配比优化设计方法,旨在尽可能降低复合式锚泊系统的钢链配比长度,提高收放效率。结合锚泊系统设计参数,制定优化设计准则,建立优化分析流程,采用ANSYS-AQWA建立锚泊定位半潜式平台水动力分析模型,获得平台运动参数和锚链动力参数,对平台漂移量、锚链最小安全系数、走锚临界张力、锚链最小卧底长度和起锚力进行无量纲指标分析,并综合考虑张力倾角与预张力对优化结果的影响,获得复合式锚泊系统钢链与钢缆的最优配比关系,确定最优钢链长度为395 m,较原钢链长度缩短225 m,钢链收放时间降低36%,进一步提高锚泊系统收放时效性,并降低平台可变荷载。     

半潜式支持平台系泊系统的设计方法及应用

系泊系统是半潜式支持平台抵抗恶劣海洋环境作用、限制平台偏移、实现海上定位的重要设备,辐射状多点系泊是常用的布置方式。针对该平台系泊系统开展了设计方法和分析流程研究,阐述了系泊系统配置设计,包括系泊缆的数量、抛出长度、单根系泊缆的刚度、直径、破断负荷、定位锚的型式、最大抓力等;系泊系统的布置设计,包括系泊缆之间的水平夹角、系泊绞车、导缆器、定位锚的位置等;同时归纳风载荷、流载荷以及波浪慢漂载荷的常用估算方法;总结适用于该类平台系泊系统设计的规范要求。将上述方法和流程应用于某型半潜式支持平台系泊系统的开发和设计,采用系泊定位分析程序MIMOSA对该系统的定位能力进行分析,研究了系泊缆形状、夹角等参数随张力的变化特征,同时系泊缆按照船级社的规范要求进行衡准,反复调整和优化系泊系统的配置和布置方式,直至系泊系统满足要求,最终设计出较合适的系泊系统。相关方法、流程和结论为实际工程项目提供重要的设计思路。     

半潜平台浮子式系泊系统参数优化研究

通过在系泊缆中设置浮子可以改善系泊系统性能,降低平台运动响应。建立浮子式系泊系统的数值计算模型,验证浮子式系泊系统数值计算方法,详细分析浮子设计参数(设置位置和净浮力大小)变化对系泊缆张力特性与平台运动的影响规律,并根据得到的规律选择了优化的浮子系泊系统方案。最后对优化方案进行评估,表明优化方案可以显著降低系泊中的平台水平运动,尤其是低频运动,同时系泊缆张力变化不大,仍满足安全要求。研究结果可为今后浮子式系泊系统设计提供参考。     

Dynamic Response Analysis of the Equivalent Water Depth Truncated Point of the Catenary Mooring Line

The real-time computer-controlled actuators are used to connect the truncated parts of moorings and risers in the active hybrid model testing system. This must be able to work in model-scale real time, based on feedback input from the floater motions. Thus, mooring line dynamics and damping effects are artificially simulated in real time, based on a computer-based model of the problem. In consideration of the nonlinear characteristics of the sea platform catenary mooring line, the equations of the mooring line motion are formulated by using the lumped-mass method and the dynamic response of several points on the mooring line is investigated by the time and frequency domain analysis method. The dynamic response of the representative point on the mooring line is analyzed under the condition of two different corresponding upper endpoint movements namely sine wave excitation and random wave excitation. The corresponding laws of the dynamic response between the equivalent water depth truncated points at different locations and the upper endpoint are obtained, which can provide technical support for further study of the active hybrid model test.     

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。     

一种适用于深水浮式海洋平台结构的新型系泊系统设计及水动力性能分析

作为浮式结构最常采用的两种系泊方式,悬链式系泊和张紧式系泊皆存在不足。本文提出了一种新型系泊系统,并以一深水FPSO为例,采用完全时域耦合分析方法,对不同工作水深情况下的浮体及新型系泊系统的运动性能进行了数值模拟,并将该新型系泊系统的仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较,分析了新型系泊系统在浮体运动性能、缆索张力等方面的改善,同时探讨了该新型系泊系统的最佳工作水深。     

张力腿式浮式风机耦合动力响应理论模型与数值实现

针对张力腿结构动力响应特点,提出一套张力腿式浮式风机动力耦合理论模型,编制计算程序,并通过与实验结果的对比,验证理论模型以及程序的适用性。张力腿式系泊系统稳定性好,但张力载荷随平台位移的变化显著;张力腿结构的动态响应与支撑平台和风机系统动态响应存在显著的耦合作用。针对张力腿浮式风机动力耦合特性,采用谱方法对张力腿结构建立耦合动力模型;考虑细长体在波浪中受到的粘性力,通过哈密顿原理推导出张力腿运动控制方程,利用自主开发的计算程序DARwind和数值计算方法求解系统动态响应。最后,将数值计算结果同UMAINE的试验数据进行对比分析,以验证程序的合理性。