深水S-Spar平臺水動力性能及其立管系統(tǒng)疲勞特性研究.pdf

1、隨著人類石油勘探開發(fā)逐漸向深水領(lǐng)域擴展,涌現(xiàn)了許多新型的適應(yīng)深海海洋環(huán)境的平臺。與其他形式的平臺相比,Spar平臺的適用水深范圍大,運動性能和穩(wěn)定性好,已經(jīng)成為世界深海油氣開采的主力平臺類型之一。Spar平臺已經(jīng)由第一代Classic Spar平臺、第二代Truss Spar平臺發(fā)展到第三代Cell Spar平臺。目前我國在此領(lǐng)域的研究還處于起步階段,且特殊的環(huán)境條件對Spar平臺的設(shè)計和研究提出了新的挑戰(zhàn)。因此,急需開展新型Spar平

2、臺概念設(shè)計及其水動力性能等方面計算和模型試驗研究。
　　 本文結(jié)合Classic Spar和Truss Spar平臺的優(yōu)點,基于極深水和海洋內(nèi)波等特殊的海洋環(huán)境條件,提出一種新型S-Spar平臺,并設(shè)計了半張緊半懸鏈線式的系泊系統(tǒng)。S-Spar平臺采用圓柱形中央井連接軟硬艙,并在連接段的中央井外設(shè)置了三層垂蕩板。S-Spar平臺獨特的封閉式中段能夠有效避免頂張式立管等設(shè)施因內(nèi)波高流速引起嚴重的渦激振動,還可以安裝更長的浮筒,不需

3、要采用輕質(zhì)金屬便能提供足夠的頂張力,使用的水深范圍更大。此外,中段的獨特設(shè)計還減少了鋼材的消耗量,有效的提高了平臺的有效荷載。
　　 采用三維勢流理論分析平臺在頻域內(nèi)的運動響應(yīng),計算了作用在平臺主體上的波浪載荷、附加質(zhì)量和勢流阻尼系數(shù)以及運動響應(yīng)傳遞函數(shù)等。計算結(jié)果表明,新型S-Spar平臺的附加質(zhì)量和阻尼都達到了良好的量級,具有良好的運動性能,所得的頻域計算結(jié)果將進一步用于平臺的時域耦合分析計算。
　　 采用DeepC

4、軟件建立了S-Spar平臺和‘Horn Mountain’Truss Spar平臺的耦合分析模型,考慮風、浪、流等環(huán)境荷載的作用和系泊系統(tǒng)的非線性影響,進行了時域耦合分析。得到了兩種Spar平臺的波浪荷載(包括一階波浪激勵力和二階波浪力)、運動位移時程、運動響應(yīng)譜、系泊纜的張力時程和張力極值等,并對兩種Spar平臺的結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明,S-Spar封閉式的中段并沒有引起平臺主體承受的波浪荷載的明顯增大；在極端風浪流環(huán)境荷載的作用下

5、,S-Spar平臺各自由度的運動響應(yīng)要優(yōu)于‘Horn Mountain’Truiss Spar平臺,其系泊纜的張力極值和張力變化幅值也的得到了很好的控制,因此新型S-Spar平臺保持了傳統(tǒng)Spar平臺良好的運動性能,能夠適應(yīng)深海油氣的開采。
　　 Spar平臺常采用TTR作為海面與海底井口間的主要連接件,現(xiàn)在對Spar平臺TTR系統(tǒng)的研究多針對單根立管,即不考慮Spar平臺的影響,尤其是TTR的渦激振動分析。本文最后基于S-Sp

6、ar平臺,對其頂張式立管渦激振動疲勞特性進行了研究,主要包括S-Spar平臺對立管保護作用研究、Spar平臺對其頂張式立管(TTR)固有頻率和渦激振動疲勞損傷的影響、Spar平臺VIM運動對其TTR疲勞損傷的響應(yīng),得出以下結(jié)論:
　　 1)新型S-Spar平臺的封閉式中段不僅能夠保護平臺中段的立管,還能有效的減小整根立管的疲勞損傷。S-Spar平臺對平臺長度范圍內(nèi)立管及導(dǎo)向環(huán)支撐位置處立管的保護作用最為明顯,且隨著流速的增大保護

7、作用增強。
　　 2)Spar平臺中央井內(nèi)的導(dǎo)向環(huán)對TTR提供側(cè)向支撐作用,使得有Spar平臺時TTR的固有頻率會高于無Spar平臺模型,對于本文的頂張式立管,固有頻率誤差最大可達11.12％。
　　 3)不考慮Spar平臺而采用簡化的單根管模型對TTR進行渦激振動疲勞損傷計算使立管的疲勞設(shè)計偏于危險。本文的頂張式立管在南海海域各流速的作用下,有Spar平臺的立管疲勞損傷為單根管模型計算結(jié)果的2.598倍。
　　

8、 4)VIV疲勞損傷與VIM疲勞損傷耦合計算時,Spar平臺VIM運動可以降低TTR的疲勞損傷。忽略Spar平臺VIM運動而對TTR進行疲勞壽命預(yù)報會使結(jié)果偏于保守。
　　 本論文的創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在:綜合Classic Spar和Truss Spar平臺的優(yōu)點,考慮極深水和海洋內(nèi)波等特殊海洋環(huán)境條件,提出一種新型S-Spar平臺,并完成了時域和頻域內(nèi)的運動響應(yīng)分析；基于S-Spar平臺,從S—Spar平臺對立管保護作用、Sp