深吃水半潜式平台参数共振研究

深吃水半潜式平台(deep draft semi-submersible,DDS)作为一种新型海洋结构物,既继承了传统半潜式平台的优点,又改善了传统半潜式平台垂荡运动性能差的不足。但随着吃水的增加,DDS纵摇运动参数共振也成为一个不容忽视的问题。当DDS纵摇运动固有周期和垂荡运动周期满足一定关系时,纵摇运动将发生参数共振,纵摇角度将会显著增大。研究推导了DDS纵摇运动方程,并简化为标准的马修方程,运用希尔无穷行列式法求解马修方程,得到了含阻尼的马修稳定性图谱,并结合具体算例讨论了不同参数对DDS纵摇运动参数共振问题的影响。研究表明:深吃水半潜式平台的参数共振,是设计人员在设计之初必须考虑的问题;通过合理选取平台的系统参数,可以有效避免纵摇运动参数共振现象的发生。     

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.     

新型干树式半潜平台浮体结构设计研究

为适应中国南海深水区域的油气田开发,研发出了一种具有渐变式立柱的深吃水干树式半潜钻井/生产平台(TCDDSemi)。平台的浮体采用了深吃水、变截面长立柱构型,即向底部逐渐扩大的渐变截面形式。结合干树式深吃水半潜平台的研发过程,通过采用压缩空气压载系统、全注水下浮体、压缩空气水密检测以及水密面板的三级正交加强筋设计等新兴技术,极大地提高了钢材的利用效率,达到了节省材料、减轻浮体自重的目的。对浮体的有限元(FEM)整体分析结果表明,浮体结构设计满足各工况强度要求。     

半潜式平台完全时域耦合运动分析

采用三维频域GREEN函数法计算浮体的水动力特性,并运用非线性有限元法对系泊缆索进行模拟,通过完全时域耦合方法求解整个系泊系统的时域控制方程,得到半潜式平台系统的运动响应和系泊缆索的张力变化情况,并对这些响应结果的波频和低频成分进行了分离,讨论了各频率响应成分对平台系统运动的贡献。     

深水半潜式生产平台耦合动力特性对比研究

应用数值模拟与模型试验相结合的方法研究半潜式生产平台系泊状态下的耦合动力特性。建立耦合分析模型,时域内计算求解平台的动力响应,选取缩尺比为1∶60,采用等效截断模型方法对数值模拟结果进行验证。通过对比模型试验与数值模拟结果发现:等效截断系泊系统可以较好地模拟平台的位移响应,但在系泊张力方面却差异较大,此外极端海况下平台的甲板上浪问题也必须得到充分重视。     

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.     

U型半潜式起重铺管平台水动力分析

采用理论分析和模型试验相结合的方法,对一U型半潜式起重铺管平台进行了运动性能与气隙分析,为该平台的主尺度确定和作业能力评估提供了参考依据。同时,对半潜式起重铺管平台水动力分析的方法和流程进行了归纳与总结。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Experimental and numerical study on vortex-induced motions of a deep-draft semi-submersible

An experimental study on vortex-induced motions (VIM) of a deep-draft semi-submersible (DDS) was carried out in a towing tank, with the aim to investigate the VIM effects on the overall hydrodynamics of the structure. In order to study the fluid physics associated with VIM of the DDS, a comprehensive numerical simulation was conducted to examine the characteristics of vortex shedding processes and their interactions due to multiple cylindrical columns. The experimental measurements were obtained for horizontal plane motions including transverse, in-line and yaw motions as well as drag and lift forces on the structure. Spectral analysis was further carried out based on the recorded force time history. These data were subsequently used to validate the numerical model. Detailed numerical results on the vortex flow characteristics revealed that during the “lock-in”, the vortex shedding processes of the upstream columns enhance the vortex shedding processes of the downstream columns leading to the rapid increase of the magnitude of VIM. In addition to the experimental measurements, for the two uniform flow incidences (0° and 45°) investigated, comprehensive numerical data of the parametric study on the VIM characteristics at a wide range of current strength will also serve as quality benchmarks for future study and provide guidance for practical design.     

基于多态模糊贝叶斯网络的半潜平台安装风险分析

针对半潜式平台安装作业风险评估中存在的风险多态性和模糊性问题,构建了一种多态模糊贝叶斯网络风险分析模型。根据行业规范推荐标准定义语言性评价模糊集,描述根节点的事故状态发生概率,克服了传统方法中确定性概率难以获取的困难。利用相似性聚合法结合置信度指标融合专家意见,引入改进的去模糊化转换方法,提高了专家知识经验转化为定量数据的合理性和可靠性。基于贝叶斯网络的双向推理和敏感性分析技术,实现了工程作业全过程的风险评估。通过对陵水17-2项目半潜平台整体吊装过程进行风险分析,验证该模型的合理性与有效性,为半潜平台安装作业风险管理与防控策略制定提供指导。     

老龄半潜式钻井平台节点疲劳裂纹扩展寿命预报

通过结合常规谱疲劳分析方法和裂纹扩展分析方法,给出了一种工程实用的评价老龄平台节点裂纹扩展寿命的方法,并以某一平台为例进行了验证计算。首先,基于谱疲劳分析得到各个节点在过去30年的节点疲劳损伤,然后,对损伤接近或大于1.0的节点进行基于单一曲线模型的裂纹扩展分析,以求得该节点在目前状态下裂纹扩展寿命。结果表明,目标平台计算疲劳热点满足继续使用的要求。此外,针对不同初始裂纹尺寸时的裂纹扩展寿命计算结果表明初始裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展寿命影响很大。