不同類型張力腿平臺的主要結構特征與技術特點

吳家鳴

(華南理工大學 土木與交通學院 船舶與海洋工程系, 廣東 廣州 510640)

不同類型張力腿平臺的主要結構特征與技術特點

Primary structural features and technical characteristics of different types of tension leg platforms

吳家鳴

(華南理工大學 土木與交通學院 船舶與海洋工程系, 廣東 廣州 510640)

張力腿平臺(簡稱 TLP)是一種垂直系泊的順應式平臺, 其主要設計思想是通過平臺自身的特殊結構形式, 產生遠大于平臺結構自重的浮力, 浮力除了抵消結構自重之外, 所產生的剩余浮力與張力腿的預張力相平衡。時刻處于受張拉繃緊狀態的張力腿使平臺的橫搖、縱搖和垂蕩運動較小, 近似于剛性。張力腿平臺立柱主要為直立的圓筒型或方形截面結構, 這樣的柱型結構所受水動力載荷主要是水平方向的波浪和海流力, 它們可以通過張力腿的柔性約束, 允許平臺在水平面上的縱蕩、橫蕩和艏搖有一定自由度的順應式運動。張力腿平臺這樣的結構形式使得它所受到的環境載荷可以通過平臺自身的慣性力來得到平衡, 從而使張力腿平臺具有良好的運動性能。

1 張力腿平臺的共同特點

目前已投入使用的張力腿平臺共有24座, 按其主要結構特征分為第一代張力腿平臺(也稱為傳統類型的張力腿平臺)和第二代張力腿平臺, 而第二代張力腿平臺又分為SeaStar、MOSES和ETLP三個系列。不同類型的張力腿平臺具有不同的結構特征與技術特點, 但由于他們都是以張力腿垂直系泊的方式將浮式平臺系泊于深海中, 不同類型的張力腿平臺具有以下共同的特點[1-4]: (1)具有良好的運動響應特性。張力腿平臺具有順應式結構物的特點, 平臺在風、浪、流等海洋環境載荷作用下發生偏轉運動時會產生一種慣性力, 這種慣性力可以對環境載荷構成一定的抵消作用, 從而減少作用在平臺結構上的凈載荷。(2)由于平臺為一種半順應半固定式的結構,在水平方向是一種順應式結構, 在豎直方向接近于固定式結構。這一特點使得張力腿平臺可以保留傳統的固定式生產平臺的許多作業優勢, 其生產與維護作業方式與傳統固定式平臺相似, 其操作方式與固定式平臺幾乎沒有差別。但是, 對于深海油田, 由于張力腿平臺的結構造價不會隨著水深的增加而大幅度地增大, 采用張力腿平臺比固定式平臺其開發費用要低得多。特別是在300 ～ 1 500 m水深范圍內, 采用張力腿平臺優勢明顯。(3)由于張力腿平臺可以通過合理選擇平臺本體的結構形式和設置合理的張力腿預張力來決定張力腿系泊系統的剛度, 進而調整張力腿平臺的固有搖蕩周期, 使其避開海面的波浪頻率。現有的張力腿平臺水平面運動(縱蕩、橫蕩、艏搖)的固有周期約為1～2 min, 高于波浪周期; 鉛直面運動(垂蕩、橫搖、縱搖)的固有周期約為2～4 s, 低于波浪周期。這樣的固有周期范圍避免了平臺結構和海浪能量集中的頻率發生共振, 使平臺結構受力合理, 動力性能良好, 這樣就可以將平臺的運動控制在低水平范圍內。(4)平臺在張力腿的約束下幾乎沒有垂蕩運動; 張力腿平臺的結構形式也決定了平臺難以有橫搖與縱搖運動, 平臺的主要搖蕩運動為縱蕩、橫蕩和艏搖。這三個自由度的搖蕩運動可以通過增加平臺本體產生的剩余浮力或張力腿的預張力、進而提高平臺在這些自由度方向上的恢復力來加以約束。多年來, 不同類型的張力腿平臺的使用實踐表明: 在海洋環境因素作用下, 平臺的運動很小, 這一類型的平臺結構表現出了良好的平穩特性。(5)平臺本體結構通過張力腿垂直錨泊。因此, 與Spar平臺不同, 張力腿平臺沒有錨固半徑的限制。(6)適應范圍廣, 它可應用于不同規模大型或小型油氣田, 幾百米到1 500 m的水深范圍均可考慮使用張力腿平臺。(7)張力腿平臺是一種小水線面結構, 它對平臺重量的變化非常敏感。對于特定的張力腿平臺, 載重的增加將會降低平臺的剩余浮力或張力腿的預張力。因此, 這類平臺對其有效載荷會有限制。(8)張力腿平臺的結構特點決定了平臺難以具備自身的儲油能力, 所生產的原油需要用管線外輸到其他浮式儲油裝置進行儲存。

2 第一代張力腿平臺的主要結構特征與技術特點

第一代張力腿平臺也稱為傳統類型的張力腿平臺, 其主要結構特征包括: 上體均為四邊形。作為生產平臺使用的 TLP立柱采用大直徑的柱體, 直徑在15～25 m之間, 有的立柱間還設有橫撐和斜撐。而作為井口平臺使用的TLP立柱則采用小直徑立柱或矩形立柱。作為平臺下體的浮箱首尾與各立柱相接, 形成方形環狀結構。張力腿與角立柱存在著一一對應的軸向連接關系, 張力筋腱通常通過角立柱內部在水平面之上和甲板相錨固、或在角立柱外側與平臺本體相錨固。第一代張力腿平臺是最早出現的一種張力腿平臺, 也是當今世界上數量最多的張力腿平臺, 目前在役的平臺共9座, 幾乎占世界張力腿平臺總數的一半。圖1為第一代張力腿平臺Hutton TLP的整體概貌簡圖[5]。

除了張力腿平臺共同的特點外, 第一代張力腿平臺還具備以下技術特點[1-4]: (1)較之其他類型的張力腿平臺, 第一代張力腿平臺體積巨大, 能夠支持一套高生產能力的原油處理設施, 它可應用于大型的深海油氣田開發。(2)由于搖蕩運動不大, 平臺與生產立管之間的相對運動量較小, 張力腿平臺可以采用結構簡單、造價低廉的立管張緊裝置, 采油樹可以設置在平臺之上, 海底油井由垂直生產立管直接連接到位于平臺井口甲板的采油樹上。采用干式采油樹方式作業, 操作人員可以從平臺上直接鉆井和直接在甲板上進行采油操作, 這使鉆井、完井、修井等作業和井口操作變得簡單, 而且便于維修和管理,從而降低了采油操作費用。(3)由于平臺采用了大直徑立柱, 在自由漂浮狀態下具有較好的穩性, 包括平臺上體、立柱及下體在內的平臺本體結構可以在岸上一體化建造、然后整體海上就位安裝, 為降低海上安裝和維護費用創造了條件。(4)由于張力腿長度與水深呈線性關系, 隨著水深的增加, 張力腿自重過大、張力腿的購置費用增加。水深超過1 000 m后,其經濟性不佳。(5)由于張力腿的預張力通常較大,整個張力腿平臺系統剛度較強, 對高頻波浪力擾動響應比較敏感。(6)平臺本體結構巨大, 造價比第二代張力腿平臺要高得多。

圖1 Hutton TLP整體概貌簡圖

3 第二代張力腿平臺的主要結構特征與技術特點

第二代張力腿平臺出現于20世紀90年代初期,它在繼承第一代張力腿平臺優良運動性能和良好經濟效益等優點的同時, 對結構形式進行了優化改進,使之具有體積小、靈活性好、受環境載荷小、在深水環境中能穩定地工作等優點。從而更適合于深海作業條件、惡劣海洋環境和深海的中小油田開發, 并因此而降低了油田開發和平臺的建造成本。目前投入生產實踐的第二代張力腿平臺共分為三大系列,分別是SeaStar TLP、MOSES TLP以及ETLP(Ext-ended TLP)[1-4,6]。

3.1 SeaStar TLP系列

SeaStar TLP采用了一種獨特的單柱式設計, 這一圓柱體結構稱為中央柱, 中央柱穿過水平面, 上端支撐平臺甲板, 在接近下端的部位固定連接三根矩形截面的水平浮筒, 各浮筒向外延伸成懸臂梁結構, 且末端截面逐漸縮小, 彼此在水平面上的夾角為 120°, 呈輻射狀分布。這三根浮筒與中央柱一道向平臺本體提供所需的浮力, 三根浮筒在外端與張力腿系統連接, 其作用是分開三組張力腿, 張力腿從浮筒末端的連接頭垂直延伸到海底錨固基礎, 張力腿被剩余浮力繃緊(見圖2[7])。

圖2 SeaStar TLP

SeaStar TLP除了具有張力腿平臺的共同特點外,還具備以下的技術特點: (1)SeaStar TLP的結構形式具有更高的承載效率, 平臺主體能夠提供相當于自身重量1.5 ～ 2.5倍的有效載荷, 而傳統類型張力腿平臺最多只能提供相當于自身重量1倍的有效載荷。(2)單一圓柱體結構和對稱形的平臺本體結構為模塊化建造、降低平臺結構重量提供了有利條件, 這大大縮短了建造周期, 節約了建造和安裝成本。(3)穿越自由表面的單一圓柱體結構進一步降低了波能聚集區水動力載荷對平臺運動的影響, 其體積比起傳統類型張力腿平臺要小得多、自重也較輕, 受力面積小,所受的風、浪、流等環境載荷自然也較傳統類型張力腿平臺要小得多。(4)盡管采用了單柱式設計, 呈輻射狀分布外延伸的三條懸臂梁浮筒結構與三組張力腿一起除了為平臺提供足夠的預張力, 使平臺具備了抵抗環境載荷的回復力外, 還為平臺提供了足夠的抗傾覆力矩, 使之在惡劣環境條件下能夠維持作業所需要的穩定狀態。(5)平臺采用了中性浮力的張力筋腱設計, 使張力筋腱在海水中所受的浮力等于甚至大于其自重。這樣, 隨著由于水深的增加導致張力筋腱長度增加而引起的張力腿自重過大的問題不再構成張力腿平臺向超深水作業過渡的一個障礙。

SeaStar TLP的上述技術優勢使這種類型的張力腿平臺更適應于在惡劣環境下穩定作業、也大大降低了張力腿平臺的建造費用, 為中小型深海油田提供了一種可供選擇的實用開發手段。

SeaStar TLP的單一圓柱體設計也為其帶來了不少的制約: 拖航或自由浮動時穩性較差; 對平臺上體結構的可變載荷變化非常敏感, 對平臺上體結構的使用構成很大限制; 由于單一圓柱體設計, 平臺上體結構沒有更多的底部支撐, 平臺上體結構的受力分布不均勻, 這使得這種類型的張力腿不利于向大型化方向發展; 自由浮動時只有中央柱的水線面提供浮筒與中央柱組成的組合結構的回復力矩, 其穩性不佳, 主體和平臺上體結構的現場安裝都需要大型浮吊輔助。

3.2 MOSES TLP系列

圖3 MOSES TLP

MOSES TLP設計沿襲了傳統類型張力腿平臺的四角柱結構, 而與傳統類型張力腿平臺不同, MOSES TLP的四條立柱向平臺中心靠攏, 立柱橫截面也比傳統類型張力腿平臺的小很多(圖 3[8])。小立柱截面設計減輕了立柱重量, 降低了平臺的整體重心, 使立柱在自由表面的波能聚集區中受力面積很小; 同時, 集中布置的四條立柱存在一定的遮蔽效應, 一定程度上也減小了平臺所受的環境載荷作用。這些措施減少了立柱所受到的波浪載荷以及由此所引起的平臺在波浪場中的動力響應。

與SeaStar TLP比較, 由于采用了四條立柱結構,立柱之間離開一定間距能夠提供給平臺上體更大范圍的支撐, 使平臺上體受到一個更均勻的支撐力分布, 從而使平臺上體結構強度設計趨于合理, 平臺上體的結構重量也因此得以減輕, 其建造難度也相應地可以降低。

MOSES TLP還有以下的技術特點: (1)通過對包括張力腿在內的平臺整體系統的動力響應優化設計,使平臺結構和張力腿避開了導致其疲勞破壞的波頻響應區域, 從而降低了對張力腿預張力和張力腿制造技術的要求。(2)立管系統沿著平臺外側連接到安裝在平臺一端遠離中心的外側開放空間中, 這一設計減小了立管系統事故發生的可能性; 一旦發生故障后, 檢修起來也較方便。(3)平臺的組成結構大多采用平面直角設計、矩形橫截面結構、標準模塊和標準板材組裝等, 使平臺的制造可以盡量利用船廠的標準建造設備和標準通用材料進行制造, 以此簡化平臺的建造工藝。

3.3 ETLP系列

ETLP的結構形式實際上是由傳統類型張力腿平臺演變而來, 其主要改進點在于將傳統類型張力腿平臺四條立柱與張力腿的垂向軸線位置對應關系通過增加延伸懸臂梁的方式將它們的位置約束關系解除, 使設計者在考慮平臺的張力腿的布置形式時不受平臺上體和立柱布置形式的約束, 從而使設計者從平臺在海洋環境載荷作用下的動力響應、結構強度和平臺上體的主尺度選擇角度去考慮這三者關系時有更大的自由度(圖4[3])。

圖4 ETLP

ETLP的平臺本體的主體結構由立柱和浮箱兩大部分組成, 立柱的數目為三柱或四柱, 立柱截面為方形或圓柱形, 立柱上端穿出水面支撐平臺上體,下端與浮箱結構相連, 浮箱截面的形狀為矩形, 首尾相接形成環狀基座結構, 在環狀基座的每一個邊角上, 都有一向外延伸形成的延伸懸臂梁, 懸臂梁的外端與張力腿相連接。

與傳統類型張力腿平臺張力腿與立柱存在一一對應的軸向連接關系不同, ETLP張力腿上端與延伸懸臂梁的外端相連, 這一設計使得張力腿與立柱設置之間的限制關系得以弱化, 設計者可以根據動力響應、結構強度和整體布置等方面的需要來確定二者的幾何布置關系。采用ETLP結構形式, 使所設計的張力腿平臺更容易達到一種符合作業要求的理想力學狀態: 延伸懸臂梁的外端連接張力腿, 使張力腿之間有一個合理的跨距和系泊點的分布范圍, 為平臺獲得更大的抗傾覆力矩、更高的縱橫搖轉動剛度、使平臺受到更大的轉動響應的限制提供了保證;立柱間距不再受張力腿系泊點的限制, 設計者可以更多地從結構設計的考慮去設置立柱, 這為優化平臺甲板的尺度、簡化主體結構、減輕平臺重量、降低平臺建造費用創造了條件。ETLP設計上的這些改進大大降低了張力腿平臺的用鋼量。

與MOSES TLP類似, ETLP主體設計盡量采用簡單結構、平臺本體結構為對稱形, 易于采用模塊化的建造方式, 對建造場地條件要求也不高。這對于提高平臺的建造工作效率, 降低其施工難度十分有利。

3.4 第二代張力腿平臺共同的結構特征與技術特點

第二代張力腿平臺研發的初衷是考慮如何將第一代張力腿平臺的技術優勢拓展到深海的中小油田開發中去, 以簡化平臺結構、降低張力腿平臺的重量和造價, 使之在惡劣的海洋環境條件下具有更理想的動力響應特性作為其設計研發目標。以此為目標所研發的第二代張力腿平臺具有以下的一些共同的結構特征與技術特點: (1)與第一代張力腿平臺立柱與張力腿軸向一一對應的連接關系不同, 第二代張力腿平臺三個系列均采用了立柱與張力腿軸向異位連接方式, 立柱向平臺中心靠攏; 張力腿均通過在平臺本體結構上設置的懸臂梁浮筒結構與平臺連接。這樣一種結構方式使設計人員在考慮平臺的動力響應、立柱間距、平臺上體的尺度等力學與平臺的布置等問題時有了更大的設計自由度。(2)立柱采用小水線面設計, 使立柱在近水線面處受力面積降低, 這樣可以大幅減小平臺在水線面處受到的環境荷載。但是, 立柱小水線面設計同時也會造成平臺回復力矩的減小以及對可變荷載變化的敏感, 不利于平臺對作業載荷適應能力的提升。(3)普遍使用了模塊化設計建造技術。第二代張力腿平臺有意將平臺結構盡量設計成對稱形, 平臺的組成結構盡量采用平面直角設計、矩形橫截面結構、標準模塊和標準板材組裝等, 以此簡化平臺的建造工藝、降低平臺的建造成本。(4)部分類型的平臺采用了中性浮力的張力筋腱設計, 采用這一類型的張力筋腱, 使平臺擺脫了深水條件下張力腿過重的問題, 使之可以在更深的海域作業。

4 已投入使用的張力腿平臺整體概況及主要技術參數

4.1 張力腿平臺整體概況

目前世界上最大的張力腿平臺為傳統類型的張力腿平臺HEIDRUN, 該平臺于1995年在挪威345 m水深的海域投入使用, 是世界上第一座也是唯一的一座混凝土張力腿平臺, 因為其主體構造采用了混凝土結構, 所以主體排水量遠遠超過其他鋼制張力腿平臺, 平臺本體重量達到25.5萬t, 設計排水量為29萬t。該平臺設計使用壽命為50 a, 平臺上有生產井51口、注水井24口, 平臺日產當量原油25.1萬桶。另外二座在歐洲海域作業的張力腿平臺分別為HUTTON和SNORRE A。WEST SENO A為在亞洲地區第一座也是目前唯一的一座張力腿平臺; KIZOMBA A為在非洲海域作業的第一座張力腿平臺, 此后陸續有另外三座張力腿平臺坐落在非洲海域, 它們是 KIZOMBA B、OVENG和 OKUME/ EBANO。除了上述的亞、非、歐8座張力腿平臺外,其余的16座均在美國墨西哥灣作業。目前作業水深最深的張力腿平臺為坐落于美國墨西哥灣的MAGNOLIA, 其作業水深達到1 425 m, 平臺的結構形式為ETLP; MORPETH為世界上第一座第二代張力腿平臺, 該平臺于1998年在美國墨西哥灣518 m水深的海域投入使用, 平臺為SeaStar TLP結構形式,平臺本體結構重量為5 357 t, 設計排水量為10 605 t,平臺日產當量原油4.8萬桶。產量最大的張力腿平臺為在挪威海域作業的傳統類型張力腿平臺 SNORRE A, 平臺日產原油當量36.6萬桶。該平臺本體重量約為 7.4萬 t, 設計排水量為 10.6萬 t, 是除了 HEIDRUN TLP以外最大的一座張力腿平臺, 也是目前世界上最大的一座鋼質張力腿平臺。

從1984年至今, 世界上建成投入生產的第一代張力腿平臺共有11座, 屬于第一代張力腿平臺的有HUTTON、JOLLIET、SNORRE A、AUGER、HEIDRUN、MARS、RAM POWELL、URSA、MARLIN、BRUTUS、WEST SENO A。第二代張力腿平臺最早于1998年投入使用, 迄今共有三個系列13座第二代張力腿平臺投入使用。屬于第二代張力腿平臺 SeaStar系列的有: MORPETH、ALLEGHENY、TYPHOON、MATTERHORN和NEPTUNE;屬于MOSES系列的有: PRINCE、MARCO POLO、OVENG、OKUME/EBANO和SHENZI; 屬于Extended TLP系列的有: KIZOMBA A、MAGNOLIA和KIZOMBA B。24座張力腿平臺中, 除了 HUTTON已退役、TYPHOON由于在Rita和Katrina颶風中傾倒報廢、沉入海底作為人工魚礁外, 其余22座TLP均在役。

此外, 巴西國家石油公司(Petrobras)正在為位于巴西海域的坎普斯盆地(Campos Basin)、水深為1 180 m的PAPA TERRA P-61油田設計建造一座ETLP結構形式的張力腿平臺, 目前尚未見到該平臺投產的報道。

4.2 已投入使用的張力腿平臺的主要技術參數

1984年世界上第一座實用化的張力腿平臺Hutton TLP投入使用以后的近30 a來, 張力腿平臺已經逐漸成為各大石油公司深海油氣田開發考慮采用的主流開采裝置之一。目前已有24座不同類型的張力腿平臺在世界各海域使用, 其中二座已退役。表1[3,6,9-13]為這24座張力腿平臺基本信息、張力腿及其基礎結構參數表, 表2[3,6,9-13]為24座張力腿平臺本體結構的主要參數表。

5 討論、結論與展望

根據前面的分析, 本文有如下的討論、結論與展望: (1)第一代張力腿平臺和Extended TLP一般規模較大, 具有較大的油氣處理能力, 這兩類平臺可用于大型油氣田的開采; SeaStar TLP由于自身結構特點一般適用于環境惡劣的中小油田和邊際油田以及

作為井口平臺使用; 而MOSES TLP介乎于第一代張力腿平臺、Extended TLP和SeaStar TLP之間。(2)就海底基礎形式而言, 已投產的張力腿平臺中只有二座張力腿平臺(SNORRE A和HEIDRUN)采用了重力式基礎, 其余的均以樁基形式作為其海底基礎。重力式吸力基礎一般為淺基礎, 主要適用于土質較軟、或土質情況不穩定的土層, 而樁基礎則適用于承載力較高的土質。(3)傳統類型張力腿平臺是最早出現的一種張力腿平臺結構形式, 但2003年作為井口平臺使用的最后一座傳統類型張力腿平臺 WEST SENO A投產后, 至今未見這種類型的新平臺投入使用。顯然, 隨著第二代張力腿平臺越來越多地投入使用,傳統類型張力腿平臺結構形式的不足也越顯突出。可以預見: 今后新型的張力腿平臺將會在吸收第一、第二代張力腿平臺優點的基礎上, 綜合第一、二代張力腿平臺的四種類型的優點研發而成。(4)在投入使用的所有第一代張力腿平臺均擁有支持干樹系統的能力, 可歸類為干樹平臺; 已投產的所有 3座Extended TLP和大部分的MOSES TLP也為干樹平臺(除了MOSES系列中的SHENZI TLP為濕樹平臺外); 而 5座 SeaStar系列的張力腿平臺除了MATTERHORN擁有支持干樹系統的能力外, 其余4座為濕樹平臺。平臺是否具備支持干樹系統的能力主要由平臺的規模大小而定。(5)目前張力腿平臺大部分是在墨西哥灣使用, 近年來有向巴西、北非等海域擴張的趨勢。隨著我國南海油氣資源開發活動的升溫, 張力腿平臺無疑將會與Spar、FPSO等一起作為我國南海油氣田開發的主要考慮采用的裝置。

表1 24座張力腿平臺基本信息、張力腿及其海底基礎結構參數表

續表

表2 24座張力腿平臺本體結構的主要參數表

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

TE5

A

1000-3096(2014)04-0101-08

10.11759/hykx20120912002

2012-09-12;

2014-02-12

國家自然科學基金資助項目(10772068)

吳家鳴(1957-), 男, 廣西梧州人, 教授, 博士, 主要從事船舶與海洋結構物設計制造領域的研究, 電話: 020-87111030-3637, E-mail: ctjmwu@scut.edu.cn