S- spar平臺垂蕩板數目確定及立管系泊系統耦合分析

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(河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

于衛(wèi)紅[1]針對南海特殊環(huán)境條件，設計了S- spar平臺。總體結構見圖1。圖2為在SESAM中建立的結構模型。S- spar平臺對垂蕩運動性能要求嚴格，中部布置垂蕩板可顯著減小垂蕩運動[2]。但其垂蕩板數目是參考Truss Spar平臺3個垂蕩板的設計，并未結合平臺本身的特性進行深入研究。由于實驗開展限制較多，在頻域內考慮不同垂蕩板數目時S- spar平臺的水動力特性，以求得最適合S- spar平臺的垂蕩板數目。

圖1 S- spar平臺總體結構

圖2 S- spar平臺結構模型

S- spar平臺需要系泊系統來限定其運動。系泊系統一般分為兩類：張緊式系泊與懸鏈式系泊。在同等水深條件下，張緊式系泊的系泊纜索較短，平臺偏移量小，占用海床的面積小[3]。深海平臺中多采用鋼懸鏈線立管(SCR)，因為頂端張緊立管(TTR)難以適應平臺較大的偏移量與升沉量[4]。Ormberg等[5- 6]分別用時域耦合計算和非耦合計算分析海洋平臺/系泊/立管的相互作用問題，發(fā)現耦合計算能夠更好地模擬系泊系統及立管的響應。基于4塊垂蕩板的S- spar平臺的頻域分析結果，采用時域耦合計算法分析S- spar平臺在其作業(yè)工況下的動力響應特性：取南海10年一遇非臺風條件，對S- spar平臺的張緊式系泊系統與鋼懸鏈線立管進行耦合分析，比較有無立管時系統的動力響應，并針對立管張力過大的問題，提出安裝浮子的解決方案[7]。討論浮子的位置及浮子浮力，使得浮子能夠最大程度地減小立管張力，保護立管安全。

1 S- spar平臺數值模型

S- spar平臺工作水深1 500 m，布置3塊垂蕩板，基本尺度及相關參數如下。

總長 169 m； 主體重量 51 432 t；

中段長度 84 m； 浮心距龍骨距離 82 m；

總排水體積 49 630 m2； 軟艙長度 15 m；

重心距龍骨距離 71 m； 硬艙直徑 28 m；

垂蕩板數目 3； 工作水深 1 500 m；

硬艙L長度 70 m； 垂蕩板間距 21 m。

2 垂蕩板數目確定

分別安裝0～7塊垂蕩板的模型見圖3。

圖3 分別安裝0～7塊垂蕩板的S- spar平臺模型

表1為不同數目垂蕩板對應的平臺總體垂蕩附加質量和單板垂蕩附加質量。

表1 不同數目垂蕩板對應的平臺和單板垂蕩附加質量

圖4 不同數目垂蕩板對應的平臺垂蕩RAO

由表1可知，隨著垂蕩板數目的增加，平臺的總附加質量不斷增加，但分配到每塊垂蕩板上的附加質量不斷減小，說明垂蕩板的利用效率越來越低。垂蕩板的布置數目在滿足設計要求的同時,應該合理考慮其利用效率,以降低平臺的成本[8]。由圖4可見，垂蕩板數目從0增加到4時，平臺垂蕩響應顯著減小。數目為4時，平臺的垂蕩響應為2.8 m，為無垂蕩板時的64%，比3塊垂蕩板時降低了15%。垂蕩板數目再繼續(xù)增加時，垂蕩RAO雖有減小，但已不明顯，所以選擇4塊垂蕩板作為優(yōu)選方案。

3 立管及張緊式系泊系統耦合分析

3.1 海洋環(huán)境條件

取中國南海油田典型環(huán)境條件：10年一遇非臺風海況作為其作業(yè)工況，波浪譜為JONSWAP譜，有義波高6.5 m，譜峰周期12.3 s，譜峰因子為2，風譜為NPD風譜，平均風速16 m/s，表面流速1.09 m/s。

對S- spar平臺來說，當風、浪、流同向時，環(huán)境荷載對系泊纜及立管上的臨界力達到最大[9]。因此，本文選取風、浪、流方向一致，均取為與X軸正方向成0°進行計算。

3.2 系泊系統與立管設計

系泊系統采用三段組合式張緊式系泊，分為4組，每組3根，共12根。每根系泊纜自上(導纜孔)而下(海底點)分別由上段鋼纜、中段聚酯纜和下段鋼纜組成，導纜孔位置與平臺重心約在同一水平面上。各段參數見表2。

表2 系泊纜主要參數

立管采用鋼懸鏈線立管(SCR)。立管內部流體為石油，密度為880 kg /m3，外部為海水，密度為1 025 kg /m3。4 根立管懸掛在甲板外側，參數見表3。

表3 立管主要參數

圖5為立管及系泊系統布置示意圖，1～12號為系泊纜，相隔30°布置1根。13～16號為立管，與1號、4號、7號、10號相隔45°逆時針布置。耦合分析模型如圖6所示。

3.3 耦合分析結果

立管的存在對平臺浮體運動響應及系泊纜張力會產生影響[10]。本文給出了有無立管時，S- spar平臺的6個運動自由度上的響應值、系泊纜及立管的最大張力值，結果見表4。

圖5 立管及系泊系統布置示意圖

圖6 平臺、立管及系泊系統耦合分析模型

參數最大值無立管有立管最小值無立管有立管平均值無立管有立管縱蕩響應值/m38.8428.800.280.2531.8425.99橫蕩響應值/m1.541.03-2.96-3.35-2.38-1.39垂蕩響應值/m0.010.92-5.81-0.36-4.160.22橫搖響應值/(°)1.900.89-0.03-0.191.380.49縱搖響應值/(°)1.830.84-0.020.041.010.50首搖響應值/(°)1.640.210.000.000.940.087號纜鋼纜張力/kN1690137030902830138011307號纜聚酯纜張力/kN16601340274024601350110014號立管最大張力/kN-8190-7460-7840

有無立管耦合會對平臺各個方向的運動產生顯著的影響。考慮立管耦合后，平臺6個方向的運動響應平均值均明顯減小，可見立管對于平臺不僅有生產輸油的作用，也在一定程度上充當了系泊纜的作用。為保證平臺安全進行鉆井作業(yè)，立管系統不能有大幅度的運動。平臺水深作業(yè)為1 500 m時，其活動半徑(即水平位移)不能超過30 m(2%的作業(yè)水深)[11]。該立管與系泊系統耦合條件下，平臺的最大活動半徑是平臺的縱蕩位移，為28.80 m，符合立管的作業(yè)要求。在0°環(huán)境荷載方向作用下，無論有無立管耦合，都是7號纜的張力響應值最大，1號纜最小，這是因為7號纜為迎浪側，受到風浪流的直接作用，1號纜相反。根據API規(guī)范要求，系泊系統完好時鋼纜最大張力的安全系數應大于1.67，纖維材料系泊線應大于1.82[12]。無立管時，7號纜上部鋼纜安全系數為3.95，中部聚酯纜為4.74；有立管時，上部鋼纜的安全系數為4.81，中部聚酯纜為5.84，均滿足規(guī)范要求。考慮立管耦合后，發(fā)現張力最大的立管為14號立管，張力值見表4。

圖7 系泊纜最大張力響應譜

由圖7可知，在考慮立管后，平臺系泊系統的張力明顯減小，這對于整個平臺的系泊系統而言是更加安全的。雖然系泊纜張力得到了減小，但是立管上的張力仍然很大，為系泊纜張力的7倍左右。本文進一步研究在保證系泊纜安全的基礎上，在立管上安裝浮子以減小立管的張力，并討論浮子位置、浮子浮力對立管張力的影響。

4 浮子對立管張力的影響

4.1 浮子位置的影響

計算浮子浮力為300 kN時，距立管頂端不同距離情況下浮子對立管及系泊系統的影響。由于立管長度較長，會在海底形成一段躺底長度，為使浮子更好地發(fā)揮作用，浮子不設在躺底的立管上，而是設在立管懸垂段上。模型的立管躺底長度約為1 300 m，懸垂長度約為1 900 m，浮子便設在距離立管頂端1 900 m長度內。不同距離分別取距立管頂端0、285、570、950、1 235、1 520、1 800 m，即懸垂段的0%、15%、30%、50%、65%、80%、95%來進行分析比較。

運動及張力隨浮子安裝位置的變化見圖8。

圖8 運動及張力隨浮子安裝位置的變化

由圖8可知，立管上安裝浮子后，立管張力顯著減小。立管最大張力隨浮子距立管頂端距離的增加呈先減小后增大的趨勢。當浮子距立管頂端的懸垂段百分比為65%時，立管的張力最小。7號纜上的張力隨浮子距頂端距離的增加而逐漸增大，但增幅較小。在浮子距立管頂端的懸垂段百分比為65%時，計算其上部鋼纜的安全系數為4.83，中部聚酯纜為5.79，均滿足規(guī)范要求。平臺的縱蕩響應隨浮子距頂端距離的增加呈先增大后減小的趨勢，但變幅很小，僅約為0.3 m，因此認為浮子位置的變化對平臺的縱蕩位移影響很小。綜上分析，將浮子設在立管懸垂段距頂端65%位置處時，減小立管張力的效果最好。

4.2 浮子浮力的影響

確定浮子安裝的最佳位置，即距立管頂端懸垂長度的65%處后，再改變浮子浮力，來比較其對立管及系泊系統的影響。運動及張力隨浮子浮力的變化見圖9。

圖9 運動及張力隨浮子浮力的變化

7號纜與14號立管上的張力仍然最大。由圖9可知，7號纜上的張力隨浮子浮力的增加而逐漸增大，在浮子浮力取1 200 kN時,其張力最大，此時安全系數最小：上部鋼纜為3.63，中部聚酯纜為4.33，均滿足規(guī)范要求。14號立管的張力隨浮子浮力的增加而顯著減小，同時平臺縱蕩位移逐漸增大。當浮子浮力為500 kN時，平臺的縱蕩位移為29.75 m，此時立管張力比無浮子時減小了25%，受力狀態(tài)顯著改善。浮子浮力再增大，平臺縱蕩位移將無法滿足不超過2%的作業(yè)水深的要求。綜上分析，本文選擇500 kN的浮子，并安裝在距立管頂端懸垂長度的65%處作為浮子的最優(yōu)方案。

5 結論

1)此前的S- spar平臺設計中，垂蕩板數目的確定是參照Truss Spar平臺的3塊垂蕩板設計，本文研究發(fā)現S- spar平臺設置4塊垂蕩板更為合適，為未來S- spar平臺結構的優(yōu)化設計提供了參考。

2)在立管與系泊系統耦合作用下，立管在一定程度上充當了系泊纜，使得平臺6個自由度上的運動均比無立管時小，系泊纜上的張力也減小，平臺更加安全。

3)當浮子浮力一定時，將浮子安裝在距立管頂端懸垂長度的65%位置處，減小立管張力的效果最好。在利用浮子減小立管張力的工程中，此結論有一定的借鑒意義。

4)浮子位置對平臺的縱蕩位移影響較小，而浮子浮力影響較大。在海洋平臺系泊系統及立管設計中，設置浮子浮力大小時要密切關注平臺縱蕩位移的變化。

5)立管張力隨浮子浮力的增大顯著減小，但是浮子浮力的合理取值受立管重力、平臺質量等因素的影響，其影響規(guī)律還有待進一步研究。

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