張緊式系泊方式對深水半潛平臺性能影響研究

范亞麗, 吳寶山, 繆泉明

(中國船舶重工集團公司第七O二研究所,無錫 214082)

張緊式系泊方式對深水半潛平臺性能影響研究

范亞麗, 吳寶山, 繆泉明

(中國船舶重工集團公司第七O二研究所,無錫 214082)

張緊式系泊是一種適用于深水定位的系泊方式。針對作業水深為2 000 m的半潛式鉆井平臺,設計了不同的張緊式系泊布置方案,通過系泊系統耦合分析,對方案逐步優化,最終確定系泊系統參數。并在確定的系泊布置形式下,分析了平臺作業狀態下的運動性能,可為平臺系泊系統設計提供參考。

張緊式系泊;半潛式鉆井平臺;耦合分析

Abstract:The taut-mooring system is a type of mooring technique suitable for deep water positioning.This paper investigates the effect of different taut-mooring systems on semi-submersible platforms working in the water depth of 2 000 m by applying coupled analysis method.The optimized parameters of the mooring system for the platform are recommended and then the analyzed results of the motion and mooring force of the platform with the mooring system are presented.The results can be a reference for the design of deep water mooring systems.

Key words:taut-mooring;semi-submersible platforms;coupled analysis

0 引言

圖1 懸鏈線系泊系統

圖2 張緊式系泊系統

任何一種浮式平臺,都需要借助定位系統,長期作業于海洋環境中。這類浮式平臺不像一般船只那樣,在惡劣海況時,可以避航,加之海上油氣生產作業要求平臺具有低幅運動特性,因而,定位系統的設計選擇顯得非常重要。目前采用的定位方式分為3種:錨泊定位、動力定位以及動力定位+錨泊輔助。其中錨泊定位采用最普遍,這種方法很早就在船舶上應用,具有結構簡單、可靠、經濟性好等優點。錨泊系統一般分為兩種形式:懸鏈線系泊系統和張緊式系泊系統[1],見圖 1、圖 2。

懸鏈線系泊系統由鋼鏈或鋼纜組成,通常只用于1 000 m以內的水深,當水深超過1 000 m時,不僅造價極高,而且帶給結構物巨大的重量。由于系統提供的回復剛度隨水深的增加而降低,致使平臺在極限海洋環境條件下產生較大的水平偏離。張緊式系泊系統中系泊纜索以一定的角度到達海底,這個角度一般為30°～45°,在拋錨點處既要受到水平力,又要承受向上的力,其回復力由纜索的軸向剛度提供[2]。受力方式的改變,使錨基受到隨著纜索的長度增加而減少的垂向力作用,因此張緊式系泊系統對錨基要求更高。

與懸鏈線系泊系統相比,張緊式系泊系統具有以下優點:①提供較大的回復剛度,水平偏移量減小;②同水深時,張緊式系泊所需系泊纜索長度較短,節約了成本;③具有更小的系泊半徑,系泊基礎占用的海床面積小,減少了與其他水下設施相碰撞的危險[3,4]。

本文中平臺采用張緊式系泊方式,通過耦合分析研究系泊參數變化對整個系統運動和受力的影響,并對工作水深2 000 m的半潛式鉆井平臺的系泊系統進行選型研究。

1 耦合分析原理

隨著半潛式平臺向深海發展,為準確預報平臺運動響應,必須充分考慮系泊系統的粘性效應、慣性質量、流載荷和回復力。平臺響應和系泊系統響應不應單獨求解,而應將系泊系統和平臺系統整體考慮為動態系統聯合求解。求解這類問題已經有比較成熟的軟件可以應用,如DNV研發的船舶與海洋結構物分析軟件SESAM功能強大,其DeepC模塊專門針對平臺整個系統的耦合問題進行求解。

耦合分析時,把平臺船體和錨鏈、立管系統看作一個整體系統作為分析對象,同時求解由系泊系統動力特性和平臺船體6個自由度剛體運動方程組成的整體系統運動方程。平臺船體和錨鏈、立管系統的響應在每個時間步中同時求解,這樣既考慮了平臺船體對錨鏈、立管系統的影響,也考慮了錨鏈、立管系統對平臺船體的影響。深水平臺系統耦合運動方程可以表達為

式中:RI、RD、RS分別表示慣性力、阻尼力和內力矢量;RE表示外力矢量;r分別表示結構的位移、速度和加速度。慣性力和阻尼力通過下面方程給出:

式中:M是系統質量矩陣,包括結構質量及水動力質量(由流體作用和水動力作用引起的質量);C是系統的阻尼矩陣,包括內結構阻尼和水動力阻尼。

內力矢量的計算是基于單元每一瞬時的應力狀態,外力矢量則包括重力、浮力、海洋環境力和特定力[5,6]。

2 平臺主尺度及環境條件

2.1 主要參數

本文研究的深水半潛式鉆井平臺,工作水深2 000 m。平臺關于 xz、yz平面對稱,以兩對稱面與基平面的交點為坐標原點,由該坐標系給出平臺主要參數,見表1。

除了高斯隨機噪聲和有界噪聲之外，稀疏噪聲也是經常遇到的噪聲.將一個矩陣分解為一個低秩矩陣和一個稀疏矩陣的和的問題就是經典的主分量分析問題.Candes等在文獻[7]中提出了新的恢復算法求解下面的最優化問題：

2.2 海洋環境條件

表1 平臺主要參數

在系泊系統設計中,通常以百年一遇海況為設計工況,即采用最惡劣的風、浪、流組合工況:有義波高13.3 m、譜峰周期15.5 s;風速62.2 m/s;表面流速1.97 m/s。

3 系泊方式設計方案

本文研究對象是工作水深為2 000 m的半潛式鉆井平臺,在該水深條件下,本文采用張緊式系泊方式,通過對平臺系泊系統的時域耦合分析,選擇一套安全、經濟的系泊系統。根據纜索數目不同,初步設計提出兩種方案,纜索數目分別為4根、8根。兩方案中纜索從導纜孔到海底都呈鋼絲繩—聚酯繩—鋼絲繩型式布置。

3.1 方案一

圖3所示為4根纜索布置情況。對系泊系統進行耦合分析,還須考慮海洋環境條件,建立耦合分析的有限元模型,如圖4所示。

圖3 方案一示意圖

圖4 耦合分析模型

纜索材料中鋼絲繩特性取為:直徑170 mm,濕重 215 kg/m,軸向剛度9.28×108N,破斷強度2.2×107N;聚酯繩特性取為:直徑0.17 mm,濕重79.3 kg/m,軸向剛度8.275×108N,破斷強度2.1×107N。

(1)纜索布置角度。纜索平面與 x軸夾角依次取為30°、40°、50°,見圖5。以生存工況0°、90°浪向為研究工況進行系泊纜索耦合分析,結果見表2。

本文中安全系數定義為纜索破斷強度與纜索最大張力的比值。表2結果顯示,隨著布置角度的增加,迎浪工況下平臺最大偏移量稍有增加,纜索最大張力逐漸減小,而橫浪工況下,平臺最大偏移量依次減小,纜索最大張力呈先減后增的趨勢,如圖6、圖7所示。根據這一規律,選擇系泊纜索平面與 x軸布置角度為45°。

圖5 纜索平面與 x軸夾角變化示意圖

圖6 最大水平位移隨角度變化

圖7 最大張力隨角度變化

表2 不同布置角度統計結果

圖8 最大水平位移隨纜索長度變化

圖9 最大張力隨纜索長度變化

總結上述結果,可得到以下規

律:迎浪、橫浪兩種浪向下,平臺偏移量都隨纜索長度的減少而減小,纜索張力則隨之增大。

(3)不同預張力。以纜索分段長度400 m-2 100 m-500 m,纜索平面與 x軸成45°布置為例,纜索預張力分別取為(×106)N:4.44、3.21、2.68。通過分析得到生存工況下的結果見表4,變化規律可通過圖10、圖11示意。

表4 不同預張力統計結果

圖10 最大水平位移隨預張力變化

圖11 最大張力隨預張力變化

由結果可知,纜索長度與布置角度保持不變,纜索預張力越大,則平臺偏移量越小,纜索最大張力越大,安全系數減小。

綜合(1～3)的研究,考慮各要素的關聯影響,本文選擇系泊系統參數為:分段長度400 m-2 000 m-500 m,系泊半徑約為2 050 m,與 x軸成45°,該布置下,纜索預張力為3.86×106N。在生存工況下對該系泊系統進行靜力、動力分析。靜力分析得到的最大張力是3.86345×106N,安全系數達到5.43,計算中發現4根纜索張力沿繩長具有相似的分布,如圖12。動力分析得到的統計特性見表5(搖晃角度迎浪工況指縱搖,橫浪工況指橫搖)。

表5 選定系泊系統動力分析結果

圖12 纜索張力沿繩長變化

API規范規定,對于完整的系泊系統,采用靜力分析時,纜索最大張力安全系數取為2.0,采用動力分析時,纜索最大張力安全系數取為1.67;風暴工況作業時平臺最大水平位移不能超過水深的8%。以上計算結果表明,靜力、動力計算纜索安全系數都滿足要求,平臺水平面內的最大偏移量是72.54 m,沒有超過水深的4%。

3.2 方案二

對于8根纜索的系泊系統,布置角度對平臺位移和纜索張力有很大的影響,文獻[7]中給出了8根纜索常用的布置形式,見圖13。T.M.Smith、M.C.Chen,et al[8]研究發現,圖13(a)形式中的系統回復力具有方向上的平穩性,(b)、(c)兩種形式系統提供的回復力隨波浪方向的變化而變化。陳新權[9]通過研究證實這一規律也適用于張緊式系泊系統。

因此,在對方案二的研究中就采用(a)形式的系泊布置。如保持平臺預張力不變,則需對纜索材料特性進行調整。鋼絲繩:直徑170 mm,濕重215 kg/m,軸向剛度9.28×108N,破斷強度2.2×107N;聚酯繩:直徑0.16 mm,濕重17 kg/m,軸向剛度1.8756×108N,破斷強度7.848×106N。靜力分析得到的最大張力為1.736×106N,8根纜索張力沿繩長具有相似的分布,見圖14。動力分析得到的統計結果見表6。該方案中,平臺最大水平偏移量是83.68 m,約為水深的4.18%,小于規范中要求的8%;兩浪向下,最大張力安全系數也都大于1.67。比較兩方案,百年一遇海況條件下二者都滿足規范要求,迎浪工況下,平臺最大水平位移分別是22.85 m和19.52 m,相應的標準差分別是4.09和3.93,差別并不太大,而垂蕩和角度運動基本趨于一致;橫浪工況下,兩者的主要差別也表現在水平運動上,最大偏移和標準差分別是72.54 m、15.91和83.68 m、18.32。總體來說,兩方案基本能達到相同的定位效果,但方案二纜索數目較多,建造、安裝成本均隨之增加,因此經濟性、可靠性仍需進一步分析。

圖13 8纜常用的布置形式

表6 選定系泊系統動力分析結果

圖14 纜索張力沿繩長變化

4 作業工況平臺運動性能分析

由于鉆井、采油作業的需要,對平臺在作業狀態下的運動響應有一定要求。一般希望:平臺最大漂移范圍不超過水深的2.5%,垂蕩運動不超過±3 m,搖晃小于3°～5°,(因過大的運動會對鉆井作業帶來影響)。為此,本文還需對方案一中最終選擇的系泊系統作業工況下的性能進行分析。作業工況環境條件取為:有義波高7.6 m、譜峰周期11.3 s;風速33.5 m/s;表面流速1 m/s。

表7 作業工況動力分析結果

結果如表7所示,該工況下,平臺最大水平位移是4.56 m,僅為水深的0.2%,垂蕩運動不超過3 m,最大角度約為4.2°,纜索最大張力安全系數大于1.67,平臺運動響應能夠較好地滿足生產作業要求。圖15～圖17給出的是迎浪工況下,平臺運動響應譜密度函數,圖18～圖20表示line1張力時歷曲線和響應譜。

圖15 縱蕩響應譜

圖16 垂蕩響應譜

圖17 縱搖響應譜

分析圖15～圖17,發現平臺縱蕩運動表現出明顯的低頻運動特性,在ω=0.5 rad/s的波頻范圍內會出現幅值相對較小的響應極值;垂蕩運動表現出明顯的波頻運動特性,在ω=0.5 rad/s附近出現響應峰值;縱搖運動表現為波頻運動,在ω=0.5 rad/s附近會出現響應峰值,但在低頻范圍內也會出現峰值很小的響應極值。

圖18 line1高頻張力時歷

圖19 line1低頻張力時歷

5 結語

以工作水深為2 000 m的深水半潛式鉆井平臺為研究對象,對鋼絲繩—聚酯繩—鋼絲繩型式的張緊式系泊系統布置方式進行研究,并對選定的系泊布置在工作海況條件下的運動性能進行了分析。總結本文研究內容,可以得到以下結論:

(1)本文采用張緊式系泊方式對目標平臺系泊系統進行設計,通過計算分析證明,所選用的系泊系統在生存工況下平臺運動響應和纜索張力都滿足規范要求;在作業工況下具有較好的運動性能,完全可以滿足海上生產作業要求。(2)計算顯示系泊纜索的布置角度、長度及預張力等對平臺位移和纜索張力有重要影響,合理選擇這些參數能夠保證系泊的有效性。(3)若采用懸鏈線式系泊方式,工作水深為1 500 m時,所需要的纜索長度大概是3 300 m,系泊半徑約為2 765 m。若采用張緊式系泊方式,工作水深2 000 m,所需要的纜索長度是2 900 m,系泊半徑接近2 050 m。顯然,張緊式系泊方式具有較好的經濟性,并且由于占用的海床面積小,減少了與附近其他水下設施相碰撞的危險。(4)從平臺運動響應譜中,可知半潛式鉆井平臺的水平運動具有明顯的低頻運動特性,而垂蕩運動則表現為波頻運動特性。

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[9] 陳新權.深水半潛式平臺初步設計中的若干關鍵問題研究[D].上海交通大學,2007.

The Effect of Taut-Mooring Systems on the Performance of Semi-Submersible Platforms

FAN Ya-li, WU Bao-shan, MIAO Quan-ming
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

U661

A

1001-4500(2010)03-0041-06

2010-01-12

范亞麗(1984-),女,碩士生,從事船舶及海洋結構物設計制造研究。