（油气井工程专业论文）半潜式海洋平台减摇装置的研究.pdf

t h er e s e a r c ho fs e m i - s u b m e r s i b l eb a r g e a n t i - - r o l l i n gd e v i c e l i uf e n g ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e nj i a n m i n a b s t r a c t o f f s h o r eo i le n g i n e e r i n gt e c h n i c a li si m p r o v i n gr a p i d l yd a yb yd a y i nd e e pw a t e ro i l a n dg a sf i e l dd e v e l o p m e n t ，t h et r a d i t i o n a lj a c k e tp l a t f o r ma n dg r a v i t yp l a t f o r ma r eg r a d u a l l y r e p l a c e db yd e e pw a t e rf l o a t i n gp l a t f o r ma n da l lu n d e r w a t e rp r o d u c t i o ns y s t e m c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n ts h o w si na l lt y p e so fd e e pw a t e rp l a t f o r m s ，d e s i g n ，a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y s e m i s u b m e r s i b l ed r i l l i n gp l a t f o r mw a si n v e n t e da f t e rt h es e l e c t i o no f f l o a t i n gb o a t - n i g h ti n t h e ( s u r f a c e - t y p e ) p l a t f o r m , w h i c ho v e r c a m et h ed i s a d v a n t a g eo fa n t i w a v eg e n e r a t e do ft h e b o a tf l o a t i n gd r i l l i n gp l a t f o r m i tc a l lo p e r a t ei ns h a mw a t e r su n d e rh a r s he n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n sa si th a sa d v a n c e ds p o r t sp r o p e r t i e sa n da n t i - w i n dp e r f o r m a n c e a sd e v e l o p m e n to f o f f s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c e si nc h i n a , i ti sb e l i e v e dt h a t d e e p e rr e s e a r c h e s i n s e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r mf i na r en e e d e di nt h ef u t u r e b a s e do nt h es o u t hc h i n as e ao nt h e2 n ds e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ，t h ea r t i c l ew i l l i n t r o d u c et h eu s eo ff l u e n ts o f t w a r ef o ra n t i - r o l l i n gt a n kc y c l ea tl a m i n a ra n dt u r b u l e n t c a s e s ，r e s p e c t i v e l y ，c o n d u c t e das e r i e so fs i m u l a t i o n s ，u n d e rt h es e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r mo f i n f o r m a t i o nd e s i g nr a t i o n a la n t i - r o l l i n gt a n k b yu s i n gm o s e sm a r i n es t r u c t u r ec a l c u l a t i o n s o f t w a r ea n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i ct h e o r y ，a n a l y z et h es e m i - s u b m e r s i b l e p l a t f o r m u s i n gj o n s w a r pw a v es p e c t r u m ，c o m b i n e d 嘶吐1w i n d ，f l o wc o n d i t i o n s ，f i r s ts e t u pas e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ，f l o a t i n g - b o d ye x e r c i s eo ft h ec o u p l e dm o d e l ，i nt h e f r e q u e n c yd o m a i nc a l c u l a t i o n ，ap l a t f o r mf o r t h es p o r ti nr e s p o n s ea m p l i t u d eo p e r a t o rf r a o ) ； i nt h et i m ed o m a i nh a sb e e nc a l c u l a t e da ta td i f f e r e n tt i m ep o i n t so nt h es i xd e g r e e so f f x e e d o mo fm o v e m e n td i s p l a c e m e n t ，t h er o l lm o t i o no fat i m e d o m a i na n a l y s i s ，w h e nt h e c a l e n d a rh a sb e e nc h i v e s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ec o n t r o l s t r a t e g yf o rw a t e rv a l v ec o n t r o l m o d u l et oa c h i e v eag o o da n t i - r o l l i n ge f f e c t k e yw o r d s ：f l u e n t , m o s e s ，e x e r c i s er e s p o n s e ，a n t i - r o l l i n gt a n k ，s e m i - s u b m e r s i b l e p l a t f o r m 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：乃加夕年多月胪e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构j 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：日期： 指导教师签名：_ 二乏霉j 啦日期：，1 年上月眵日 年岁月卟日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 海洋石油发展现状 第一章前言 海洋是一个巨大的宝库，不仅为人类提供丰富的渔业资源，矿产资源，而且海底下 蕴藏着丰富的石油资源。有专家估计，近海海底的石油地质储量为2 5 0 0 亿吨，约占全 世界总储量的4 5 。目前全世界已经找到的石油储量为1 6 0 0 亿吨，其中近海3 6 5 亿吨， 仅为五分之- n 四分之一。可见，海上石油的勘探程度远不及陆是充分，海上石油有着 极其广泛的前景。 全世界海底石油主要富集在四个区域：一个是中美洲海域，包括墨西哥湾，加勒比 海，马拉开波湖，以及巴西海域，其中墨西哥湾和马拉开波湖是全世界勘探，开发最早 的海上油田；第二是北欧，北美大陆架，包括北海，阿拉斯加，以及加拿大北部等，此 区域自然条件最恶劣，但自2 0 世纪6 0 年代以来，勘探、开发最为迅速；第三是中东的 波斯湾，这里的特点是得天独厚，储量最高；第四是东亚、东南亚海域，包括我国的四 海，印尼海域，以及澳大利亚的海域等，这是到目前为止勘探开发最不充分的地区。 我国的四海处于全世界四大海底石油富集区之一，海域辽阔；海岸线长，大陆架面 积宽广，生油、储油条件很好，具有非常好的勘探开发前景。海上的石油勘探开发也显 示了极其辉煌的前景【l 】。 随着海上油气开发的不断发展，海洋石油工程技术发生着日新月异的变化，在深水 油气田开发中，传统的导管架平台和重力式平台正逐步被深水浮式平台和水下生产系统 所代替，各种类型深水平台的设计、建造技术不断完善。目前，全世界已有2 3 0 0 多套 水下生产设施、2 0 4 座深水平台运行在全世界各大海域，最大工作水深张力腿平台( t l p ) 已达到1 4 3 4 m 、s p a r 为2 0 7 3 m 、浮式生产储油装置( f p s o ) 为1 9 0 0 m 、多功能半潜式平 台达到1 9 2 0 m 以上、水下作业机器人( r o v ) 超过3 0 0 0 m ，采用水下生产技术开发的油气 田最大水深为2 1 9 2 m ，最大钻探水深为3 0 9 5 m 。与此同时，深水钻井装备和铺管作业技 术也得到迅速发展，全世界已有1 4 艘在役钻探设施具备进行3 0 0 0 m 水深钻探作业能力， 第5 代、第6 代深水半潜式钻井平台和钻井船已在建造中。第6 代深水钻井船的工作水 深将达到3 6 5 8 m ，钻井深度可达到1 1 0 0 0 m ；深水起重铺管船的起重能力达到1 4 0 0 0 吨， 水下焊接深度为4 0 0 m ，水下维修深度为2 0 0 0 m ，深水铺管长度达到1 2 0 0 0 k m 。如图1 1 ： 1 第一章苗言 巍麟麟 圈1 - 1 海洋钻井 聊g l - lo f f s h o r e d r f l l m g 若从1 9 5 6 年莺歌海油苗调查算起，我国海洋石油工业已经走过了近5 0 年的发展历 程。特别是1 9 8 2 年中国海洋石油总公司成立后，我国海洋石油工业实现了从合作开发 到自主开发的技术突破，已经具备了自主开发水深2 0 0 m 以内海上油气田的技术能力 建成投产了4 5 个海上油气田，建造了9 3 座固定平台，共有1 3 艘开s 0 ( 其中8 艘为自 主研常虮1 艘唧( 浮式生产装置) 、4 套水下生产设施，形成了3 9 0 0 万吨的生产拒力。 目前，中国海洋石油总公司已拥有1 5 艘钻井装备和蓝疆号大型海上起重铺管船， 其中3 艘钻井装备作业水深在3 0 0 m 以上，最大钻探水深达到5 0 5 m ，大型起重铺管装 备的起重能力达到3 8 0 0 吨。目前，中国海洋石油总公司正在启动深水钻井、铺管装备 等方面的前期研究l 我国的f p s o 建造速度和建造质量已达到国际先进水平，平均建造 周期为2 2 个月艘，远远低于发达国家3 6 个月，艘的平均建造周期。 通过合作开发，我国在深水油气田开发方面已实现了零的突破。1 9 9 6 年3 月，利用 一艘f p 8 0 、一座半潜式平台、一套2 4 井式永下生产系统成功开发了目前我国南海最大 的油田l h i l o i ，开发中使用了7 项世界海洋石油开发工程领域的创新技术，如首次将 电潜泵与水下井口生产系统结合进行油田开发，首次采用卧式采油树、跨接管测量预制、 回收技术婷：1 9 9 7 年，与s t a t o i l 公司合作，仅用一艘f p s o 和一套s 井式水下生产 系统就实现了水深3 3 3 m 的深水边际油田l f 2 2 0 i 的经济开发，成为世界海洋石油开发 领域韵典范目前，我国已与越南、菲律宾等周边国家签署了联合开发南海相关海域的 协议，开发南海水深1 5 0 0 3 0 0 0 m 海域的招标也将开始，有关深水钻探的计划正在酝酿 中。在国家8 6 3 计划的支持下，深水油气田开发公用技术平台正在建设中。 k扎熬慧撬 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 我国海洋深水区域具有丰富的油气资源，但深水区域特殊的自然环境和复杂的油气 储藏条件决定了深水油气勘探开发具有高投入、高回报、高技术、高风险的特点。迄今 为止，我国海洋石油工程自主开发能力和实践经验仅限于2 0 0 m 水深之内，与国外深水 海洋石油工程技术的飞速发展尚有很大距离。 海洋石油开发工程技术，特别是深水工程技术是当代石油开发工程技术方面的前沿 性技术之一，有着广阔的应用前景，并且能带来显著的经济效益。随着我国海洋石油工 业从浅海向中深海域发展，以及深水油气开发工程技术在l h l 0 1 、l f 2 2 0 1 、h z 3 2 0 5 等油田的成功应用，相关技术在中深海域油气开发中的技术优势和可观的经济效益已经 得到证实。 海洋深水油气勘探开发工程是一门跨学科、跨部门、多领域的技术创新工程，针对 我国的实际情况，兼顾引进与创新，集国内外深水油气开发技术之优势，联合攻关、尽 快缩短与国外先进技术之间的差距，使我们的深水油气勘探开发技术达到或超过国外同 类技术水平，是我国海洋石油开发工程领域当务之急，也是海洋石油工业与相关工业面 临的机遇与挑战【2 】。 1 2 半潜式平台发展现状 半潜式钻井平台是深水钻井的主要设备。1 9 9 6 年，在全世界拥有半潜式钻井平台 1 3 2 艘，1 9 9 7 年增至1 4 7 艘，1 9 9 8 年再增至1 6 5 艘，2 0 0 0 年增至1 7 0 艘，2 0 0 2 年末为 1 7 5 艘。 据2 0 0 2 年末统计，全世界现有和正建造的1 7 5 艘平台中，有3 1 艘工作水深在 1 8 2 9 m ( 6 0 0 0 f t ) 及以上，其中2 2 8 6 m ( 7 5 0 0 f t ) 及以上的有1 6 艘饴1 0 0 0 0 f t 2 艘) ，最深工作 水深为( ( d e e p w a t e rh o r i z o n ) ) 和 e i d kr a u d e ) ) ( b i n 9 0 9 0 0 0 系列) 其工作水深均为 3 0 4 8 m ( 1 0 0 0 0 f t ) 。 当前世界上较典型的深水、大型、先进的半潜式钻井平台： ( 1 ) 友人与金入( f r i e d e & g o l d m a n ) e x d 设计的第五代半潜平台开发钻井者1 号 ( ( d e v e l o p m e n td r i l l e rl ( 原名r i 9 18 4 ) ) ) 和开发钻井者2 号( ( d e v e l o p m e md r i l l e r2 ( 原 r i 9 1 8 5 ) ) ) ，计划2 0 0 3 年建成。工作水深2 2 8 6 m ( 7 5 0 0 f t ) ，钻深能力1 1 4 3 0 ( 3 7 5 0 0 f t ) ，可变 载荷7 0 0 0 t ，生活模块可住1 5 2 人，钻机主绞车为交流变频7 0 0 0 h p 。 3 第一章前言 ( 2 ) 卡江快捷号( c a j u ne x p r e s s ) ) ) 半潜平台。工作水深2 5 9 1 m ( s 5 0 0 f 1 ) ，钻深能力 1 0 6 6 8 m ( 3 5 0 0 0 f t ) ，工作水深可升级改造至3 0 4 8 m ( 1 0 0 0 0 f t ) 。该平台与赛德柯快捷号 ( s e d c oe x p r e s s ) ) ) 、赛德柯能源号( s e d c oe n e r g y ) ) ) 系采用同一设计( 即s e d c oe x p r e s s 2 0 0 0 ) ，后两者在法国建造，除工作水深为1 8 2 9 m ( 6 0 0 0 f t ) 、可升级改造至2 2 8 6 m ( 7 5 0 0 i t ) 外，其余参数均与在新加坡建造的卡江快捷号相同。该三艘平台钻机主绞车功率均 为h i t e ca h d 6 4 0 0 h p ，各装有四台推进器，每台7 m w ，航速可达1 2 k n ，工作海区分别 为墨西哥湾、巴西和尼日利亚海域，均于2 0 0 0 年建成。 ( 3 ) 深水地平线号( d e e p wa t e rh o r i z o n ) ) ) 半潜平台。工作水深3 0 4 8 m ( 1 0 0 0 0 f t ) ，钻 深能力9 1 4 4 m ( 3 0 0 0 0 f f ) ，可变载荷8 2 0 0 t ，生活模块可住1 5 2 人，钻机主绞车为6 6 0 0 h p ， 防喷器组( b o p ) 为1 8 3 4 i n 、压力1 5 0 0 0 p s i ，顶部驱动系统( t d s ) 为v a r e o t d s 一8 s a c ，动 力定位系统为8 5 0 0 0 k w 平推进器、d p 3 级，6 7 0 0 0 k w a c 发电机组。 ( 4 ) n o b le c l y d e b o u d r e a ux 号半潜平台。工作水深3 0 4 8 m ( 1 0 0 0 0 f t ) ，钻 深能力1 0 6 7 0 m ( 3 5 0 0 0 r ) ，可变载荷7 0 0 0 t ，生活模块可住1 5 0 人，钻机主绞车为4 0 0 0 h p ， 转盘通径6 0 1 2 i n ，泥浆泵为4 2 2 0 0 肿，b o p 待定，工作海区为世界范围内。将于2 0 0 4 年一季度完i t 3 1 。 1 3 减摇装置发展现状 1 3 1 减摇水舱减摇 减摇水舱( 减摇效果与船的航速无关) ，其中又可分为被动式，主动式和可控被动式。 减摇水舱是近几年来随着控制技术的飞速发展而兴起的减摇装置，它的最大优点是船舶 在任何航速下( 即使停泊时) 依然有较好的减摇效果，即减摇效果与船速无关。减摇水舱 的基本原理是：在船总长2 3 或1 2 外的两舷侧，设置两对水舱，通过检测船的横摇角 和横摇角速度，选择不同的水舱组合，控制气阀的启闭，使水舱内水的横向流动周期和 方向与船的摇摆运动周期同步，方向相反，从而达到消减摇摆幅度的目的。减摇水舱减 摇效率可达7 5 。减摇水舱有自动化、免维修、操作简单、成本低及可靠性高等特点， 还可用来抗横倾和检测稳性，是目前发展的方向。 1 3 2 减摇鳍减摇 减摇鳍( 减摇效果与船的航速有关) ：减摇鳍是目前世界各国装船最多的一种减摇置， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 它至少由一对可转动的鳍组成，左右舷各一个。通常安装在船的水下部分两侧，船体中 部的弯曲部位。减摇鳍的工作原理是：鳍在横摇参数控制下快速转过一个角度，一侧向 上运动则另一侧向下运动，两个鳍对船舶重心产生一个力偶，即鳍上产生“升力”，对 船舶形成抵抗波浪力矩的减摇力矩，从而减小横摇角。升力大小与航行速度的平方成正 比，所以减摇鳍装置适用于较高航速船舶，通常航速在1 0 k r r - - - 1 5 k n 的减摇效果最好， 减摇鳍减摇效率可达9 0 。减摇鳍的缺点是随着航速的降低，减摇鳍的效率也跟着下降， 因而通常不在低速运行的船舶上安装减摇鳍。同样减摇鳍的减摇能力是有限的，在高海 情下它的减摇能力也要下降。此外，减摇鳍的结构复杂且价格较高，需要经常维修保养。 1 3 3 舵减摇 舵减摇( 低航速无效) ：舵减摇是一项最新的减摇技术。船舶的横摇周期一般在7 s - - - 1 5 s 之间，而艏艉摇周期一般在2 0 s - 4 0 s 之间，靠舵对横摇和艏艉摇响应的差异，控制 舵角，以达到一定的减摇效果。目前的实验研究表明，舵减摇的效果可达5 0 。由于不 需要一套专门的减摇装置，因此舵减摇在船舶工程界倍受关注。 1 3 4 舭龙骨减摇 舭龙骨是形式最简单的减摇装置，目前几乎所有的海船都加装了舭龙骨，所以它己 成为海船船体的一部分。舭龙骨是一些垂直安装在船体舭部或其附近的鳍板，船舶横摇 运动在舭龙骨板的正、背面产生压差，形成了与横摇运动相反的阻尼，阻滞了船舶的横 摇。 舭龙骨在各种速度下都是非常有效的减摇装置，大约能减少2 5 - 5 0 的横摇幅度。 特别是当船在波浪中谐摇时，能有效地阻摇。横摇越剧烈，阻尼力矩越大，减摇效果越 明显。与其他减摇方式相比较，舭龙骨的显著优点是没有运动部件，且除了通常所做的 清除船体表面的维护外无需其他维护。它唯一的缺点是增加了船体的阻力。 1 3 5 减摇装置效能及使用范围 各种减摇装置的效能及适用范围等都有一定的差异见表1 1 嘲： 5 第一章前言 表1 - 1 减摇装置效能及适用范围 t a b l e l 1t h ep e r f o r m a n c ea n da p p l i c a b i l i t yo ft h ea n t i - r o l l i n ge q u i p m e n t 类型舭龙骨减摇鳍舵减横摇被动式减摇水舱可控式减摇水舱 减摇效果膨2 0 3 08 0 9 03 0 5 5有争议3 0 6 0 低速效果有效几乎无效几乎无效有效有效 装置重量占 接近o 5 o接近01 4l - 4 排水量 船舶阻力增 略有工作时略有减摇时略有无无 加 驱动功率无 较大 较大无小 所占空间 0 般小较大较小 横向连续空 间 不要不要不要要要 g b 的影响不降不降不降降低降低 噪声无小小有有 造价低 高较高一般较高 维修费 低般较低低 较低 易损性易易不易不易易 有效的波浪 广广广有限较广 范围 上海交通大学的冯铁城，陶尧森提出可控被动水舱可克服传统被动水舱的缺点，在 任何海况下都能较有效地减缓船舶的横摇运动 7 1 。 1 4 研究半潜式海洋平台减摇装置的意义 深水平台都要长期固定或系泊于特定的海域中作业，必然会受到风，浪，流等自然 条件的强烈作用，在六个自由度上都会有较大的运动，不但会严重影响平台的各种生产 操作流程，还会威胁到工作人员的生命安全。特别是当平台处于大风大浪条件下的恶劣 环境中时，若不具有良好的运动特性，一个巨浪就可能使整个平台结构毁坏，甚至倾覆， 从而带来不可估量的损失。2 0 0 1 年当时最大半潜平台巴西p 3 6 平台倾覆，直接损失5 亿美元，死亡1 1 人。因此，在设计深海浮式结构物时，正确确定其在海洋环境载荷作 用下的运动响应为设计耐波性和稳定性良好的结构物提供可靠的依据，对保证深海平台 的安全性和营运经济性都具有十分重要的意义。 本文结合南海2 号半潜式平台的原始数据，设计减摇水舱，结合改造添加减摇水舱 后的数据，利用m o s e s 软件对其在工作海域的海洋条件在频域及时域进行运动响应分析。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在这里需要指出的是在利用m o s e s 软件对南海2 号半潜式平台改造方案的运动响应研 究之前作者先对南海2 号半潜式平台的原始资料建模并计算了其运动响应所得结论与 已有资料吻合。 1 5 本文研究的内容 根据可控被动式减摇水舱具有减摇效果显著，不增加船体阻力，驱动功率小，不易 ： 损坏，有效波浪范围广，并且不受航速的限制，即使在零航速下也可起到良好的减摇效 果等特点，结合半潜平台的船体特征，工作原理及工作状态，对半潜平台进行改造，对 在平台上使用可控被动式减摇水舱进行减摇进行研究。 本文用f l u e n t 软件对减摇水舱的周期进行模拟，并将结果与渡边公式( 减摇水舱固有 周期计算公式) 进行比对。根据南海二号的资料设计减摇水舱，使其固有周期与半潜平 台的固有周期相接近从而达到良好的减摇效果。用m o s e s 软件模拟半潜平台南海二号的 运动响应。计算南海二号的固有周期，为减摇水舱的设计提供依据和支持。选用合理的 控制策略使其能够在更广泛的周期内起到良好的减摇效果。 7 第二章减摇水舱的减摇原理 第二章减摇水舱的减摇原理 对船舶减摇的方法有多种，其中减摇水舱减摇是对无航速船舶减摇的最简单、最经 济的减摇方法。本研究是要求对无航速状态下的半潜式平台进行减摇，因此选择用减摇 水舱减摇。 2 1 减摇水舱工作原理 减摇水舱减摇有被动式减摇和可控被动式减摇两种方法【1 0 1 。 被动式减摇水舱与船舶一起构成了二自由度振荡系统，水舱是按双共振原理设计 的，也就是使水舱固有频率与船舶横摇固有频率线相等。这样，当同频率的共振规 则波作用于船舶时，船舶与波浪之间、水舱与船舶之间产生双谐摇现象。这时，横摇运 动滞后于波浪扰动力矩9 0 。相位，舱内水的振荡较船舶横摇滞后9 0 。相位。结果，舱 内水的振荡较波浪扰动力矩滞后1 8 0 。相位，水舱产生的力矩与扰动力矩符号相反，从 而达到最佳减摇效果【1 1 】。被动式减摇水舱的特点是：结构简单、投资和操作费用低，在 营运中不消耗任何动力，在不用时可以排空，以减轻船舶装载量等，因而可以说是一种 较受用户欢迎的减摇装置。但是由于减摇水舱结构一旦确定后，其固有频率在运行期间 很难再改变，这样既不能适应船舶各种装载情况下横摇固有频率的变化，也不能适应各 种浪向和波浪干扰频率的变化。总之，被动式减摇水舱在偏离谐摇区时，船舶的两个扰 动力矩相位关系将发生变化，其减摇效果明显下降，甚至使船舶发生增摇现象，可能给 船舶的安全性带来不利的影响【1 2 1 。 可控被动式减摇水舱基本克服了这些缺点，是一种用少量能量改变水舱内水流振荡 频率的新型水舱，只要船舶横摇频率小于水舱固有频率，水舱的自动控制系统立即通过 气阀来调节水舱内水流振荡频率以适应变化的波浪频率，其工作原理如图2 1 所示。从 图2 1 中可以看出，由于水舱固有频率大于船舶横摇频率，在相位“4 ，右舷边舱已达 到最高液位，这时气阀自动关闭( 图中虚线上的彳点) ，舱内水的流动被阻止，形成最大 减摇力矩m 枷，以抵消船舶的横摇运动。直到相位“6 ”，自动控制系统给出信号将气 阀打开( 图中虚线上的男点，这时水舱中的水又开始自由流动，直到相位“8 ”，左舷边 舱达到最高液位，气阀自动关闭，其工作原理同相位“4 时一样。经过上述的反复控 r 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 制，使舱内水的振荡产生的稳定力矩总是与扰动力矩符号相反，在任何时刻都起到减摇 作用。可控被动式减摇水舱的控制作用相当于自动降低了水舱中水流振荡频率，也就是 说，只有船舶的横摇频率小于水舱固有频率时，自动控制系统才能发挥作用。 热胁h 。h 枷= 脚 l 一 = 苌辨醐 醚 j 乒p 7k _ - ， ， 汐 ， 1 l - 气费开启 气闷歼窟 l 气喇美闭 疆箍囊字 ，j 2 l 舱4 c 位i 一一，一 童 、 摩 一，7 l 、 。 ：i 1f 、 ) 嘏 1rii 图2 - 1 可控被动式减摇水舱相位循环图 f i g2 - 1 p h a s ec y c l eo ft h ec o n t r o l l a b l ea n dp e r m i s s i v ea n t i r o l l i n gw a t e rt a n k 图2 1 为可控被动式减摇水舱相位循环图。由于减摇水舱在零航速下能仍有效减摇 的特点，在经历了1 0 0 多年的研究和发展，逐渐形成了减摇水舱的各种理论，提出了装备 减摇水舱后的船舶横摇运动的各种预报方法【1 0 ，1 1 朋1 4 1 。 通过对减摇水舱内水的运动研究，发现表征水舱内水的运动特征参数是水舱的固有 频率和阻尼。关于水舱固有频率的计算，已有不少计算公式。实践证明，使用这些公式 计算得到的固有频率具有足够的精度【1 0 一1 1 。水舱阻尼的确定，则要求对于减摇水舱中 水的运动具有丰富的经验知识，才能在设计初期进行估算，水舱阻尼的具体值则必须通 过水舱模型的台架试验或者水池试验来确赳1 6 一 r l 。 2 2 减摇水舱的阻尼 u 型减摇水舱阻尼的产生是由于舱内流体为粘性流体。粘性的作用一方面将在舱内 湿表面与流体以及流体内部产生沿程损失的切应力，也就是摩擦力，为克服这种阻力要 损失能量，称为沿程损失；另一方面流体在流经舱内壁条件急剧变化( 如截面改变、流 动方向改变等) 的区域时，将出现旋涡区，或者速度分布的改变，这时流动的阻力将大 9 第二章减摇水舱的减摇原理 大增加，引起比较集中的能量损失，这种损失称为局部损失。如果将u 型水舱的流道 分解为若干段沿程水头损失和若干段局部水头损失，则整个水舱内流体的水头损失为各 段损失之和，即： h ( r 6 ) = e t = , h z ；+ j ：； ( 2 1 ) 式中：k 一各段的沿程水头损失；一各段的局部水头损失1 5 1 。 由水舱的减摇机理可知，实际水舱中流体的流速和管道直径都是比较大的，因此水 舱内流体的流动状态几乎都是紊流。为保证正确性，必须使模型内流体的流动状态为紊 流【1 7 1 引。 减摇水舱流道主要是矩形截面，在紊流状态下，其沿程水头损失的计算类似于圆形 管道，但这时需用当量直径沈代替圆管直径。即： 吃= 名，瓦l + 虿2 2 = 名石l 2 9 ( 2 - 2 ) 山 沈2 9 4 允 、7 式中：l - 管道长度；d r 当量直径；f 水力半径；入沿程阻力系数。 对于紊流，沿程阻力系数入是雷诺数r c 和管壁表面粗糙度的函数。由于紊流的复 杂性，沿程阻力系数入不可能象层流那样用解析方法推导出来，一般情况是根据实验资 料，综合出阻力系数的纯经验公式，或者用理论和实验相结合的方法，整理成半经验公 式进行计算【1 9 2 0 ) 。 减摇水舱的局部水头损失主要发生在舱内壁条件急剧变化的区域。这些区域包括： 断面突然扩大、断面突然缩小、弯管、肘管、阀门等。对于各种形状的断面，其局部水 头损失是不同的，但一般都表示为流速水头的倍数，即： ：f 芒 ( 2 3 ) 式中：写一局部阻力系数。局部阻力系数的确定一般情况下是由实验确定，但也有 用理论计算的。对于各种不同的断面变化，局部阻力系数毛的确定可从工程流体力学的 手册中查到【1 9 ，2 0 1 。根据式( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 可得减摇水舱总的水头损失。由连续性方程其中， a 。v 。= a ( s ，其中v o 、v i 分别为边舱液面的流速和第i 段截面处的流速。 u 型减摇水舱总的水头损失为： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 榔舻l e t 。旯若 南 2 + z 南 2 虿 1 ，0 2 警 ， 式中毒。五筹 南 2 e t - 。五苦 2 总损烁数珊2 q 代入等黻形 阻尼比公式，得到等效线形阻尼l z t ： 2 3 减摇水舱的固有周期 i = 竺gr 。缶l 占l 伽( 2 _ 5 ) 2 3 1 被动式减摇水舱固有周期 由于被动可控式减摇水舱的固有周期分为未启动阀门控制和启动阀门控制两种，故 需先测定未启动阀门控制时的固有周期，此时可视为被动式减摇水舱。 被动式减摇水舱固有周期的确定主要分为两种： ( 1 ) 公式计算：前人根据水舱流体自由衰减震荡运动的分析研究，结合对平面水舱和 u 型水舱固有周期的实验研究，给出了各种减摇水舱周期的计算公式。其中u 型水舱的 固有周期的计算公式如下： 互观叫嚣“归2 m 2 m ，鲁 ( 2 ) 实验测量： 用实验测定水舱固有周期的方法大致有两种： 一是强迫振荡试验方法【2 1 1 。 二是自由衰减振荡试验方法，由于此法的测量原理是基于水舱自由衰减震荡运动时 测量水舱力矩的变化，故又称为动力衰减法【2 2 】。 2 3 2 可控被动式减摇水舱固有周期 在进行水舱设计时，不能按被动式减摇水舱的双共振原理选取水舱的固有频率。于 是，人们提出了各种选取可控被动式减摇水舱固有频率的方法。对于可控被动式减摇水 舱，常用的选取固有频率的方法有： ( 1 ) 水舱固有频率大于船舶固有频率，取接近船舶所在服务海域摇摆的最大频率【2 2 1 。 第二章减摇水舱的减摇原理 德国英特灵( n t e r n g ) 公司生产的可控被动式减摇水舱就是按此思想进行设计的。当船 舶以该频率摇摆时，控制气阀常开，控制系统不起作用，水舱与船舶发生共振。一旦船 舶横摇频率小于水舱固有频率，则通过自动控制系统使水舱内水的振荡马上适应变化的 横摇频率。这种方法的特点是船舶在营运中，当船舶横摇固有频率( 对应于船舶某一装 载情况) 与水舱固有频率相等时，水舱是作为被动式运行的，与被动式水舱一样，不消 耗任何动力。但是，由于水舱固有频率取船舶最大横摇频率， 由式 q = 2 9 五 ( 2 7 ) 式中五2f 袁铲为舱内水柱相当长度( m ) ；g 为重力加速度( 所s 2 ) ；瓯为舷边舱自 由液面面积( 朋2 ) ；l 为水舱轴线总长度；s ( 1 ) 为水舱任一点的截面积( m s 2 ) 。 可知，水舱频率越大，则水柱的相当长度越小，从而要求连接水舱两边舱的通道 截面积越大，水舱水量也就越大，而这些增加的水量并没有起到增加减摇效果的作用。 ( 2 ) 根据大于水舱固有频率值的船舶横摇频率在其服务海域发生的概率为5 lo 的原则，选取水舱固有频率瞄】。实际选取时，根据船模在水池中的不规则波试验得到的 船舶横摇周期的直方图，按照上述原则选取水舱固有频率。 ( 3 ) 水舱固有频率取接近船舶所在服务海域的波浪的最大频率【2 3 1 。由于船舶服务海域 波浪的频率变化范围较大，如果选取波浪的最大频率，则水舱固有频率可能非常高，从 前面的分析可知，要求连接水舱两边舱的通道尺寸很大，将导致水舱水量也很大，这在 设计中无论从经济效益角度，还是从船舶初稳心高的允许损失量考虑，都是行不通的。 ( 4 ) 水舱固有频率取船舶固有频率的1 2 5 - 2 钭1 0 崩】。水舱固有频率越高越好，但由 于受到各种条件的限制，一般水舱固有频率可选取为船舶固有频率的2 倍，即c o = 2 c o , 对 于比值g m b 较小的船舶，取c o = 1 6 7 对于具有较大静稳性的船舶，取c o = 1 2 5 c o 。, 。 可控被动水舱是一种新型的减摇水舱，它可克服传统被动水舱的缺点，在任何海况 下都能较有效地减缓船舶的摇摆运动。它是近年来发展起来的新型高性能减摇水舱，它 在u 型被动水舱的基础上，在两边舱的顶部安上气阀，用少量的能量控制气阀的开关来 实现水舱内水流的控制，使水舱中的液体总是保持在船舶向上运动的那一边的边舱内。 这种水舱克服了被动水舱的固有缺点，在计算机的控制下改变水舱内水流振荡的周期以 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 适应经常变化的外界波浪条件，保证在任何海况下都具有较好的减摇效果。这种类型的 减摇水舱已在国外得到很快的发展，可以预见，在国内也有广泛的前途，在半潜式平台 的减摇中也会产生理想的作用。 1 3 第三章碱摇装置的设计 第三章减摇装置的设计 3 1 设计参数及减摇装置的结构 本研究以南海2 号半潜式钻井平台为研究对象，设计一减摇装置，使南海2 号在相 同海况下的摇摆运动得到抑制。 南海2 号是一座a k e rh 3 型半潜式平台，1 9 7 4 年在挪威建成，在北海作业几年 后于1 9 7 8 年被中冒海洋石油总公司买下。从1 9 7 8 年4 月开始南海2 号一直在中国的 南海作业。南海2 号从开始使用以来已经经过多次改造和维修。从目前状态来看由于得 到良好的维修和保养，它的各方面的状况比较好。 南海2 号的主要参数是：总长1 0 8 2 0 m ，总宽6 7 3 6 m ，主甲板高度3 65 8 m ，立柱 顶部高度3 9 6 5 m ，正常作业吃水2 1 3 4 m ，拖航状态吃水6 1 0 m ，风暴自存吃水1 8 2 9 m ， 大立柱直径7 9 2i n ，小立柱直径5 7 9m ，立柱数量8 个，下浮体高度67 1m ，下浮体 宽度1 0 9 8 m ，工作水深4 0 - 3 0 8 8 m ，钻井深度7 6 2 0 m 。 南海2 号的外形见图3 - 1 ： 图3 1 南海二号 f i 9 3 - 1t h e s o u t h c h i a as e a n o 2 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由图3 1 可见，南海2 号半潜式钻井平台是由水下浮体、圆形立柱和上甲板组成。 根据南海2 号的结构特点，本研究选择用减摇水舱减摇的方法进行减摇。具体思路是利 用平台的立柱内空间作为减摇水舱的一部分，在左右舷的立柱间建一连通舱作为减摇水 舱的另一部分，即减摇水舱由平台的两个立柱和另建的连通两个立柱的连通舱组成( 图 3 2 ) 。 3 2 减摇水舱固有周期计算 减摇水舱固有周期( 固有周期是固有频率倒数) 是影响减摇效果的关键参数，必须先 对减摇水舱的固有周期进行计算。计算公式( 渡边公式) 为： t t = 2 刀居址2 ，鲁 协1 ， 公式中各参数意义见图3 2 ，其中舢为减摇水舱边舱面积，a c 为底部连通管道面 积，h 为液面到底部连通管道中线的高度，r 为边舱半径，l 为边舱内测到中线距离的一 半。 图3 - 2 减摇水舱剖面图 f i g3 - 2 t h es e c t i o no ft h ea n t i - r o l l i n gw a t e rt a n k 由公式可以看出，当底部连通的面积增大时减摇水舱的固有周期减小，为使减摇装 置可以在适当的范围内可以起到减摇效果，故把底部连通的面积取到最大，也就是底部 连通的高度与大立柱的直径相等，即7 9 2 米。利用g a m b i t 建模模块，借助于平台的 数据，建立2 维模型，x 方向长度为6 7 3 6 米( 在图中标出x 方向和y 方向) ，y 轴长度 1 5 第三章减摇装置的设计 为l s 米，减摇水舱中水高度取为1 29 2 米，底部连通高度为7 9 2 米。在减摇水舱两边 的上面用气管连接，气管中间安装可控制的气阀。当气阀开启的时候减摇水舱的周期为 最小周期。模拟此时减摇水舱的周期。并且由公式的各参数可以得出结论，此公式得出 的周期与雷诺数无关，视为层流，模拟时需采用层流模型。 ( 1 ) 计算软件 本论文采用f l u e n t 软件对半潜式平台的摇摆周期进行计算。f l u e n t 是用于计算流 体流动和传热问题的程序。它提供的非结构弼格生成程序，对相对复杂的几何结构网格 生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面 体及混合网格。f l u e n t 还可根据计算结果调整网格，这种网格的自适应性能力对于精 确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流 动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。 ( 2 ) 计算步骤 用g a m b i t 建立的模型划分网格后如图3 - 3 ： t x 圈3 - 3 横型同格目 f 吣3 - 3t h e g r i d m a po f t h e m o d e l 左侧和右侧的上部出口设置为压力入口边界。其余的边设置为同壁边界。网格选用 三角网格。 启动f l u e n t ，由于建立的是二维模型，选择二维解算器。 第一步：读入并检查网格。 读入网格文件； f f i e - * r e a d c a s e 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 网格检查： g r i d - + c h e c k ，确保最小体积不能是负值。 平滑( 和交换) 网格： g r i d - + s m o o t h s w a p 确保网格的质量。 第二步：设置求解器。 d e f i n e 争m o d e l s 争s o l v e r 在s o l v e r 项选择s e g r e g a t e d ( 非耦合求解器) ； 在f o r m u l a t i o n ( 算法) 项选择i m p l i c i t ( 隐式算法) ； 在s p a c e ( 空间属性选择) 2 d ( 二维空间) ： 在t i m e ( 时间属性) 选择u n s t e a d y ( 非定常流动) ； 在v e l o c i t yf o r m u l a t i o n ( 速度属性) 选择a b s o l u t e ( 绝对速度) ； 其余保持默认。 点击o k 。 设置v o f 模型( 多相流模型) ： d e f i n e - - +