（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）集束立管塔的设计和动态分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着世界各国对石油天然气等能源的持续增长需求，海洋石油天然气的 利用受到越来越多的重视。各国纷纷加大对深海能源开发力度，努力提高自 身技术应对更深水域带来的挑战。新兴技术不断涌现和利用促进了深海油气 事业发展。近年来深水开发纪录不断被刷新，最深已到1 0 0 0 0 米深度。而随 之带来一些问题如：立管等柔性杆件长度和重量的增加，也增大了对自身安 全的影响，同时浮式平台和柔性系统之间的耦合作用也随之变大。 本文针对以上问题介绍了一种较新的结构型式：浮筒集束立管塔。它由 两部分组成，浮筒部分是将立管连接到一个潜水浮筒再用软管连接到浮式平 台，这样立管的大部分重量都由浮筒来承担，同时极大降低了浮式平台和柔 性系统之间的耦合作用；集束立管塔部分是将各功能立管组合成集束的型式， 作为一个整体结构加入到系统中去，增强了立管的抗破坏强度。本文对于这 种浮筒集束立管塔结构做了以下的工作： 介绍了这种新型式立管结构浮筒集束立管塔，并对其相关组成部分：立 管塔，潜水浮筒，柔性管的参数做了设计及筛选。 推导了柔性构件动力分析方法，浮体在波浪上的运动理论以及浮式平台 和柔性杆件的耦合分析理论，对文中所用的海洋工程软件h a r p 做简要介 绍。 建立了半潜平台的水动力模型以及相应的锚泊系统模型，作半潜平台和 系泊系统的时域耦合分析，分析了平台的运动性能以及系泊系统的安全性。 应用h a r p 软件建立了浮筒和集柬立管塔的模型，并对半潜平台- 潜水浮 筒集束立管塔的多体结构做时域耦合分析。计算集束立管塔极限偏移， 以此对初步设计进行验证。将耦合分析结果与之前所做的单体平台分析 结果比较，考察半潜式平台和浮筒集束立管塔系统间的运动耦合关系， 研究多体耦合分析对集束立管塔总体性能分析的适用性。 关键词：深海；潜水浮筒；集束立管塔；时域耦合分析 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o t ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ou s i n go fo c e a no i la n dg a sw i t ht h e c o u n t r i e so ft h ew o r l dd e v e l o p i n gd e m a n d i n go fe n e r g y m a n yc o u n t r i e sa r e i n c r e a s i n gt h e i re x p l o i t a t i o no fd e e p w a t e re n e r g y , d e v e l o p i n gt h e i rt e c h n o l o g i e st o f a c et h ec h a l l e n g e sw h i c ha r eb r o u g h tb yd e e p e r w a t e r c o m i n ga n d u s i n gn e w a n d d e v e l o p i n gt e c h n o l o g ya c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yo fd e e p w a t e ro i l a n dg a s i nr e c e n ty e a r s ，r e c o r do fe x p l o i t a t i o no fd e e p w a t e rw a sr e n o v a t e d u n i n t e r r u p t e d ，t h en e w e s tr e c o r di so v e r10 0 ，0 0 0m e t e r s i ta l s ob r i n g ss o m e p r o b l e m s ，f o re x a m p l e ，l e n g t hr i s i n go fe l a s t i cr o d ( s u c ha sr i s e r s ) a f f e c tt h e s e c u r i t yi t s e l f , a tt h es a m et i m ei ta l s oi n c r e a s i n gt h ec o u p l e da f f e c t i o nb e t w e e n f l o a t i n gp l a t f o r ma n de l a s t i cr o ds y s t e m m yt h e s i si n t r o d u c e san e wt y p eo fs t r u c t u r e ：s u b s u r f a c eb u o y 、析t l lb u n d l e r i s e rt o w e r t h er i s e r sa r et i e dt oas u b s u r f a c eb u o y , a n dt h e nc o n n e c t e dt h eb u o y t ot h ef l o a t i n gp l a t f o r m 谢t hf l e x i b l er i s e r s ，s ot h eb u o yc a na f f o r dam a j o r i t yo f m a s so fr i s e r sa n dg r e a t l yr e d u c et h ec o u p l e da f f e c t i o nb e t w e e nf l o a t i n gp l a t f o r m a n de l a s t i cs y s t e m b u n d l er i s e rt o w e ra s s e m b l e sa s s o c i a t e df u n c t i o n a lr i s e r sa sa w h o l es t r u c t u r ew h i c hi si ne v i d e n c ei n c r e a s e di t sd e s t r u c t i v eo fs t r e n g t h i nt h i s t h e s i sab u n d l er i s e rt o w e ri st a k e da sa no b j e c tt oa n a l y z ea sf a l l o w s ： i n t r o d u c et h es t r u c t u r eo fb u n d l er i s e rt o w e ra n di t sm a i ns u b a s s e m b l y , d e s i g n a n df i l t r a t et h ep a r a m e t e r so fr i s e rt o w e r , s u b s u r f a c eb u o ya n df l e x i b l er i s e r s d e d u c et h et h e o r yo fd y n a m i ca n a l y s i so ft h ee l a s t i cr o d ，m o t i o n so ff l o a t i n g p l a t f o r ma n dt h e o r yo fc o u p l e da n a l y s i so fp l a t f o r ma n de l a s t i cr i s e r s s i m p l y i n t r o d u c eo c e a ne n g i n e e r i n gs o f t w a r eh a r p b u i l dah y d r o d y n a m i cm o d u l eo fs e m i - s u b m e r s i b l ea n dm o o r i n gs y s t e m ，d oa c o u p l e da n a l y s i so fs e m ia n dm o o r i n gs y s t e m ，a n a l y z em o t i o np e r f o r m a n c e o fp l a t f o r ma n ds e c u r i t yo fm o o r i n gs y s t e m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 皇宣i 宣j i 葺毒篁i i iit i i i i i m i i i 鼍 b u i l dt h em o d u l eo fb u n d l er i s e rt o w e r , d oam u l t i - c o u p l e da n a l y z eo ft h e p l a t f o r m , s u b s u r f a c eb u o y 、析t hb u n d l e r i s e rt o w e ra n dm o o r i n gs y s t e m c a l c u l a t eb u n d l e dr i s e rt o w e re x t r e m eo f f s e t a n dv a l i d a t e p r i m a r y d e s i g n c o m p a r et h er e s u l t so fc o u p l ea n a l y s i st os i n g l eb o d yp l a t f o r m ，r e v i e w t h em o t i o n sr e l m i o no fs e m i s u b m e r s i b l ea n db u n d l e dr i s e r , i n v e s t i g a t e w h e t h e rc o u p l e da n a l y s i sa d a p tt oa n a l y z et h eh u l lp e r f o r m a n c eo fb u n d l e d r i s e rt o w e r k e yw o r d s ：d e e pw a t e r ；s u b s u r f a c eb u o y ；b u n d l er i s e rt o w e r ；c o u p l ea n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：谢、钙 日期：聊p 年；月f 湄 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：僻，够导师( 签字) ：面山 日期： 洳p 年多月f 明o o c 7 年月l 胡 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 背景 受多种因素的影响国际原油价格不断飙升，2 0 0 8 年7 月国际油价曾创下 每桶1 4 7 2 7 美元的历史高位。虽然目前受全球金融危机影响大幅回落，但仍 维持在一个高位。中国作为一个发展中的大国随着经济的迅速发展，对石油 的需求量不断加大，同时又面临着陆上以及近浅海的石油资源保有量日益减 少的困境。在此背景下向深海进军是我国海洋油气资源开发的必然趋势。随 着我国对深海油气资源的重视日益加大，深水技术己纳入国家“8 6 3 ”计划。 近些年对我国深海海域的不断勘测显示 5 0 0 m 水深海底蕴藏着储量丰富 的油气资源。预测南中国海石油资源量2 3 0 - - 3 0 0 亿吨，天然气3 3 8 万亿方， 7 0 在深水，而在这一海域的深海已建成项目几乎是空白f l 】。我国在深水能力 方面与世界先进水平仍有很大差距： 表1 1 我国深水技术与世界水平对比 世界先进水平我国现在水平 钻探最大水深3 0 5 0 米5 0 5 米 投产油f 只最大水深2 1 9 2 米3 3 3 米 铺管最大水深2 2 0 2 米1 5 0 米 起重能力1 4 0 0 0 吨3 8 0 0 吨 为达到国际先进水平需要攻克一系列关键技术： 1 、深水地球物理勘探方法和深水油气藏评价。包括长缆地震信号采集和处 理技术，复杂构造与地震处理技术，深水大型储集体和复合型油气藏的 地质理论、识别方法与综合解释评价技术，需要建立我国深水油气资源 评价体系。 2 、深水钻完井技术。随水深、钻探费用成倍增加。现在深水钻井船日租费 达5 5 6 0 万美元，且租不到。3 0 0 0 米水深智能化半潜式钻井船操作、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 高昌薯i 宣昌i i 盲譬i 宣i 葺昌i 一 一i i n i i i i 暑；宣宣宣篁i i 深水钻完井工艺、特殊环境、新技术、低成本成为经济性的关键。 3 、深水平台设计、制造、安装技术。4 0 0 0 米深水工程试验室建设及模拟技 术。3 0 0 0 米深水起重铺管船操作及铺管工艺。 4 、水下生产系统应用研究。 5 、深海底低温高压流体运输安全的预测与控制。 6 、深水施工工艺及回接技术。 7 、各种深水油气田的经济开发模型 因此，对于从事海洋工程的研究人员而言，密切关注国外深海技术的发 展，开展相应的研究工作，逐步掌握国外先进的技术和经验，对于我国未来 深海资源的开发和海洋工程事业的发展都具有重要意义。 1 2 发展状况 无论海洋油田开发采用何种浮式结构物，立管都是基础结构的重要组成 部分，是海底生产系统和浮式装置之间的关键连接。随着海洋开发向深水发 展，立管和锚链长度、体积、重量不断增大，柔性构件的固有频率改变，柔性系 统对刚性平台的耦合影响变得不可忽视。但是柔性杆件的三维大变形动力分 析有一定的难度，柔性杆件对平台刚体在波浪中的耦合计算比较复杂。 最近几年出现了将潜水浮体( s u b s u r f a c eb u o y ) 作为深海立管辅助设备的 做法，由于这种方法具有解藕系统运动，降低浮式平台和立管间互相影响以及 可以预安装等方面的优点而受到广泛关注。因此研究这一系统下立管的动态 特性对掌握这一技术具有巨大意义。 1 2 1 国内研究现状 潜水浮体作为观测以及监测用的潜标在应用上已经有几十年的历史，也 有作为锚链等的辅助设备。但作为立管辅助设备的深海平台系统上的应用历 时尚短。目前国内对它的研究仍处于起步阶段，可供参考的资料不多。 中海油服c o s l 曾和挪威a d t h ( a t l a n t i sd e e p w a t e rt e c h n o l o g yh o l d i n g ) 公司合作使用其生产的a b s 系统1 3 。其主要设施包括中间站a b s ( a r t i f i c i a l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 b u o ys e a b e d ) ，连接海底与中间站的下立管( c a s i n ge x t e n s i o n ) ，一根连接中间 站顶部与海洋平台的立管( d r i l l i n gr i s e r ) ，钻井船。a b s 是一基于浮力的空 心浮体，以张力腿锚固在海底距海面2 0 0 - - 5 0 0 米处。a b s 能提供足够的浮 力以支撑安装b o p 的重量，并使得连接a b s 与海底的下立管产生足够的张 力而保持竖直和起到锚固的作用。套管衬管既作为套管也作为锚固a b s 的张 力支柱。图1 1 是a b s 系统装置图。 图11 a b s 系统装置图 122 国外研究现状 国外对于这一技术的研究相对较早，已有几种形式的潜水浮筒申请了专 利并得到广泛应用，其中包括p e n c i lb u o y ，h y b r i dr i s e rt o w e r ，s u b s u r f a c e b u o y 等。其根据应用的目的、环境及开发的公司不同具有多种形式。 铅笔浮筒技术( p e n c i lb u o ym e t h o d ) 是a k e rm a r i n ec o n t r a c t o r s ( h m c ) 的专 利技术1 6 】，因其所采用的浮体形状貌似铅笔而得名。设计目的应用于拖运和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 安装。其载重能力为第代1 5 0 吨，第二代2 5 0 吨，目前得到了极大加强最 新的已经达到了3 5 0 吨。这一装置的优点有：利用p e n d l b u o y 可以将重物水 下拖航，降低了波浪对拖运物的作用；以及使用绞车代替传统的起重吊装机 械节省了很大的甲板空间。其结构形式见图1 2 。 黟 图1 2p e n c i lb u o y 布置图 而水下浮筒技术的最大应用是作为承接深海立管的装置【7 】。应用的型式 之- n q 做潜水浮筒( s u b s u r f a c eb u o y ) ，其结构型式是通过固定在海底的张力锚 链使浮体潜浮在水下7 5 - - 1 0 0 m 左右深处，然后由海底井口通过钢悬链线立管 ( s c 贴) 连接到浮体，再由浮体通过柔性管( n e ) c i b l e j 咖p e r s ) 连接到浮式平台。这 样的连接隔断了深海立管和浮式平台之间的直接相互作用，将耦合的影响降 到最低。巴西石油公司( p e 打0 b r a s ) 己将这种结构应用于坎普斯海盆的半潜平台 上，作为试验性使用【”。 ! 竺：蒌三堡奎兰堡圭耋堡鲨耋 也 唧 烈i i m 卜： 图1 3s u b s u r f a c e b u o y 结构图 应用的型式之二是浮筒下端连接直达海底井口的立管 9 1 ( 集束管或单管) 使浮简潜浮在水下1 0 0 - 2 0 0 米深处，上端同样是通过柔性管连接浮式平台。 代表型式有混合立管塔( i i y b r i dr i s e rt o w e r ) 、集柬立管塔( b u n d l er i s e r t o w e r ) 、单管立管塔( s i n g l el i n er i s e rt o w e r ) 等。如图1 4 为h y b r i dr i s e r t o w e r ( h r t ) l 均结构示意图。 图1 4h y b r i dr i s e r t o w e r 布置图 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 采用潜水浮筒技术的结构综合起来具有如下优点： 1 解藕系统运动，使之有更大选择空间选择更合适的平台系统( f p s o 或半 潜平台) ； 2 减小立管顶端拉力，降低拆卸安装所需动力，节省时间降低操作风险； 3 在平台到位前可提前安装9 0 的立管，有利于预生产； 4 极大减少深水立管体积增大和运动对平台稳性的影响； 5 减少输入输出系统与生产船的复杂连接，降低时间和风险； 6 柔性管吸收了大部分的生产平台运动对立管的影响，使得对立管的疲劳 分析简化； 7 自存状态下可以使平台于管道快速的脱离增大生存可能性，极限海况过 话又可方便安装； & 柔性管可以在很小的承载力下安装和替换。 1 3 课题来源和目的 本课题来源于法国道达尔石油公司“高桥初步设计”( g o t c h ap r e f e e d ) 项目。这一项目是为该公司用于位于德克萨斯州伊莎贝尔港西部2 2 5 公里 ( 1 4 0 英里) ，墨西哥湾阿拉米诺斯峡谷( a l a m i n o sc a n y o n ) 第8 5 6 块，水 深为1 9 0 0 米到2 2 1 0 米( 6 2 3 0 英尺至7 2 5 0 英尺) 的油田。计划于2 0 0 9 年中 至2 0 1 0 年初开始独立开发。 项目设计的内容包括：流通保证，海底管线，平台和立管方案选择。本 文的主要内容就是其中之：“集束立管塔( b u n d l e dr i s e rt o w e r ) 的结构、安 装和分析”中立管分析部分，计算单体平台的运动性能和作浮筒集束立管塔与 平台以及系泊系统的耦合分析，考察浮筒立管塔与平台间运动的耦合关系， 结果作为用于立管技术方案的选择参考。 如图1 5 是浮式平台，集束立管塔及海底管线布置的示意图。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 5 集束立管塔布置图 1 4 本文的研究方法与工作 本文主要做了以下工作： 简要分析了当前国内外深水技术的发展状况，提出发展深水相关技 术的意义。 介绍了一种新形式的采、输油立管结构集束立管塔( b u n d l er i s e r t o w e r ) 。并对其主要组成部分：立管塔，潜水浮筒，柔性管的相关参数 做了设计及筛选。 推导了柔性构件动力分析理论，浮体在波浪上的运动理论，以及浮 式平台和柔性杆件的耦合分析理论，对文中所用的海洋工程软件 h a r p 做简要介绍。 建立了半潜平台的水动力模型以及相应的锚泊系统模型，作半潜平 台和锚链的时域耦合分析，以考察单体平台的运动性能以及系泊系 统的安全性。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 应用h 即软件建立了集束立管塔的模型，并对半潜平台一集束立管 塔锚泊系统柔性立管的系统做时域多体耦合分析。对分析结果与之 前所做的单体平台分析结果比较，考察半潜式平台和集束立管塔系 统间的运动耦合关系，研究多体偶合分析对集束立管塔总体性能分 析的适用性。 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章集束立管塔及浮筒和柔性管的设计 本章将对集束立管塔，柔性管，潜水浮筒的结构组成以及各部分功用做 详细介绍，然后根据有关规范以及适用的设计原则分别对集束塔的截面布置 和各组成管道参数，柔性管以及潜水浮筒的相关参数做设计和筛选。 2 1 集束立管塔结构 2 1 1 集束立管塔介绍 集束立管塔就是将各采、输油管及注水注气管捆绑在一起集合成一个垂 向自立的管束型式，因此集柬立管塔作为一个整体结构连接到总体系统中。 带有集柬立管塔的总体系统结构包括：浮式平台( 本文采用半潜式) ，锚泊系 统，集束立管塔，潜水浮筒，连接软管和海底装置及管线等。连接型式为： 集束立管塔下端直接延伸到海底与海底装置相连，上端连接到布置在水下某 位置的潜水浮筒，再与由锚泊系统固定的半潜平台通过软管相连，每一根软 管分别对应集束立管塔中一根相应功能的立管。如图o l 为总布置图。 图2 1 带有集束立管塔的系统总布置图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 集柬立管塔各组成部分所处位置及细部配合关系如下所示： 1 安放在海平面以下1 5 0 到18 0 米深处的浮筒； 2 连接潜水浮筒和立管塔的链； 3集束塔中各管和软管之间由鹅颈弯头和弯头支撑连接。立管塔上端有一 终端集合点，集合点以上各立管按不同高度布置并分别连接一个鹅颈弯 头。其中，中心管( 注水管) 为最高点和潜水浮筒由钢链连接： 4 各鹅颈弯头与平台间由不同长度的软管连接； 5立管集束中将直径较大的承受结构强度的注水管布置在中心位置，其它 管围绕在周围，所有的管由有浮力泡沫包围。每隔一段距离有一个导引 套，将中心注水管与周围的管箍在一起，但各管道问由于膨胀产生的纵 向相对位移并不受到限制。立管塔接近海底的出口连接刚性栓阀连接器。 6基座与上部的连接采用类似于铰接的型式，允许立管塔有一定的转动和 摆动。 各部分连接关系见图2 2 所示： 图2 2 集束立管塔结构 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 集柬立管塔系统设计包括以下部分： 夺柔性管 顶端潜水浮筒 上部立管终结装置 夺立管柬截面布置 立管末端装置 立管与海底输油管线连接 奇桩基设计 其中立管束截面布置设计，立管柬中各组成立管尺寸，柔性管尺寸，潜 水浮筒尺寸的选择是关键，它们决定了系统的性能并将直接影响集束立管塔 的成本和进度。 21 2 集束立管塔截面布置 立管塔可根据需要由1 到6 根立管组成，包括生产管，注水管，注气管， 输出油管，输出气管等。其中单塔只有一根管的叫单立管塔( s i n g l er i s e r t o w e r ) ，多根立管的叫集束立管塔( b u n d l er i s e rt o w e r ) 。一般型式为将其中一 根管作为核心管，其它管围绕核心周围布置。各管间由浮力泡沫材料隔开。 浮力泡沫可l 三【完全外包，也可以内包，见图2 3 所示： 嫠固醴 图2 3 立管塔截面布置图 集束立管塔系统用注水立管作为受张力中心，提供立管塔的抗张强度 l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它的顶端和浮筒相连。浮筒和立管塔之间使用柔性连接比如钢悬链，避免由 浮筒传来弯曲影响。立管塔底部距离半潜平台所处位置中线3 3 0 米以满足坠 落物体区域以及极限海况下避免立管塔和平台的碰撞。 本文采用6 根管的立管塔，分别有2 根生产管，1 根注水管，1 根注气管， 1 根输出油管，1 根输出气管。注水管作为核心管，其它围绕注水管内包布置。 然后采用外包的形式用浮力泡沫将各根立管隔开，每一段的浮力泡沫长2 0 英尺，当拖航时管内空的时候可以提供每英尺4 磅的净浮力。布置见图3 4 所示： 图2 4 立管塔截面布置 2 1 3 各组成立管尺寸设计 集束立管塔各组成立管的设计参照a p ir p2 r d 、a p ir pi i i i 的标准和 规范。所设计立管需满足受外载荷条件下强度要求以及各管内不同流体的压 力要求。 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 表2 1 集束立管塔各组成立管压力要求 立管类型数量外径管道试验压力顶端生产压力 ( 英寸) ( 牛) 产油管软管28 6 2 55 5 0 0 3 5 0 0 ( 4 4 0 0m a o p ) 注水管软管 l 1 0 7 53 0 5 035 0 0 ( 2 4 4 0m a o p ) 注气管14 52 6 0 0 输出油管 11 63 6 0 0 输出气管11 2 7 53 6 0 0 生产立管绝缘层热传递系数( u 值) 为0 6 英热量单位每小时每平方英尺 每华氏温度( b 1 r i7 1 1 r - r 2 f ) 。各管内可承受流体的密度见表2 2 所示： 表2 2 各管内可承受流体密度 立管型式下限( 磅立方英尺)上限( 磅立方英尺) 生产立管5 0 5 5 注水管6 46 8 输出油管 5 05 5 输出气管1 5 2 0 极限飓风条件下，下表2 3 海域状况中所示的风和浪数据作为立管强度 和结构设计参考。数据来自于威尔金斯气象。 表2 3 设计参考风浪流数据 一年一遇十年一遇百年一遇千年一遇万年一遇 风( 节) 4 77 01 1 11 3 8 1 5 3 阵风( 节)6 38 5 1 3 41 6 71 8 5 有义波高 1 92 94 55 2 5 8 ( 英尺) 最大浪高3 45 2 8 19 31 0 5 ( 英尺) 周期( 秒) 1 1 41 3 71 4 5 1 5 31 6 1 3 哈尔滨工程大学硕七学位论文 环流设计参考数据来自于h o r i z o nm a r i n e ，2 0 0 6 年1 0 月2 7 日所提供，重 现期为1 0 0 年。其它重现期的环流数据是根据下表的表面流数据推断所得。 表面流速1 年1 0 年1 0 0 焦 1 0 0 0 年 m s 1 1 41 6 2 2 o 2 4 0 流速( m s ) 流速( m s )深度( m ) 2 2 5 0 1 2 51 2 5 7 5 0 6 0 63 5 0 0 5o 5 5 5 0 0 40 4 9 0 0 0 3 0 31 5 0 0 o - 30 - 3 2 4 0 0 各管主尺寸见下表2 6 所列，其它详细参数见附录表2 。 表2 6 集束立管塔各立管尺寸 垂向立管产油管产油管输出油输出气提气注水 12管管管管 外径( 英寸) 8 6 2 58 6 2 51 61 2 7 54 5 02 0 0 0 壁厚厚度( 英寸) 0 6 2 5 0 6 2 51 0 0 00 8 7 50 3 3 71 2 5 0 钢等级( 千磅平方 8 08 08 08 08 06 5 英寸) 内容物密度 7 57 57 27 27 28 5 6 ( 磅肋口仑) 涂层厚度( 英寸) 330 1 l0 1 10 1 10 1 1 涂层密度 5 45 47 1 0 07 1 0 0 7 1 o o7 1 0 0 ( 磅立方英尺) 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 柔性管的设计 集束立管塔和半潜平台之间流体管道采用柔性管e x i b l e j u m p e r ) 。柔性 管设计所需的海洋环境数据参考集束立管塔中各管所用数据( 表2 3 、表2 4 、 表2 5 ) 。下表2 7 所示为柔性管尺寸及相关参数。 表2 7 柔性管相关参数 管道管道在水中管道在空气 内容物密度 名称 直径的重量中的重量 ( 磅；o i l 仑) ( 英寸) ( 磅英尺)( 磅英尺) 输出油管1 4 4 7 6 41 3 3 7 77 2 输出气管 1 1 3 5 6 09 1 8 12 生产管7 3 81 9 1 5 5 5 2 17 5 注水管9 6 33 1 5 59 0 4 7 8 5 6 提气管3 8 2 6 1 2 3 8 3 1 9 32 ( 续表2 7 ) 内容物重量管道及内容物管道及内容物在 名称 ( 磅i 英尺) 在水中重量空气中的重量 ( 磅英尺)( 磅英尺) 输出油管5 7 5 51 0 5 1 91 9 1 3 1 输出气管9 8 74 5 6 41 0 1 6 7 生产管 1 6 6 6 3 5 8 1 7 1 8 7 注水管3 2 3 76 3 9 21 2 2 8 4 提气管1 1 91 3 5 73 3 1 3 柔性管和半潜平台的最佳连接点是在甲板上，如果连接点选在浮箱上就 需要额外长度的管线。下表2 8 所列是基于极限海况下立管塔相对于半潜平 台偏移的远近距离和相互冲突要求定的长度。其它详细参数见附录表1 。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 柔性管 管长( 英尺) 生产管i 2 1 8 0 2 生产管22 2 2 0 2 注水管 2 4 0 0 输出油管 2 3 0 0 输出气管 2 5 0 0 注气管 2 6 0 0 2 3 潜水浮筒的设计和筛选 潜水浮筒作为连接立管塔和柔性管的中间结构，承担了立管塔的大部分 重量，减轻了平台的负担，是重要的关键组成部分。 表2 9 不同尺寸浮筒对比 高度 ( 英尺) 1 0 02 03 0 0 直径净重净浮力净重净浮力净重净浮力 ( 英尺)( 千磅)( 千磅) ( 千磅)( 千磅)( 千磅)( 千磅) 53 28 3 3 9 9 9 4 51 1 5 1 0 1 2 63 3 41 5 14 0 01 7 64 6 5 1 52 9 17 4 53 4 98 9 04 0 71 0 3 6 2 05 3 91 3 0 36 4 61 5 5 87 5 318 1 3 2 5 8 7 91 9 9 9 1 0 5 4 2 3 9 01 2 2 82 7 8 0 3 01 3 2 32 8 2 11 5 8 53 3 7 31 8 4 83 9 2 4 3 51 8 8 03 7 6 02 2 5 44 4 9 52 6 2 85 2 2 9 4 02 8 6 94 4 9 83 4 3 85 3 7 74 0 0 76 2 5 5 1 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图2 6 潜水浮筒结构及参数 1 7 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 表2 1 0 潜水浮筒参数 立管塔( 6 根管) 高度( 米) 3 7 8 直径( 米) 7 3 总仓数1 4 密闭仓数6 净重( 吨) 3 2 3 7 6 净浮力( 千牛) 1 0 6 2 2 局部坐标x o 系下重心yo 坐标( 米)z 1 9 2 4 本章小结 本章介绍了集束立管塔，柔性管，潜水浮筒的结构组成以及各部分功用， 并根据有关规范以及设计原则分别对集束塔的截面布置和各组成管道，柔性 管以及潜水浮筒的相关参数做出结构参数设计和筛选。设计参数将作为下面 第5 章的多体耦合分析的计算依据。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 第3 章平台和立管锚泊系统动力分析理论基础 在过去很长时间，在作平台船体的波浪响应分析时，柔性系统的作用一般 是忽略不计的或只是考虑了柔性构件的静力恢复力，而没有将它们同平台刚 体作为一体进行动力计算。这主要是基于两个原因：一是认为波浪作用频率与 柔性构件的固有频率相差较大，所以没有太大的影响；二是柔性杆件的三维大 变形动力分析有一定的难度【l l 】。 随着海洋开发向深水发展( 这里的深水通常是指1 0 0 0 m 水深以上) ，柔性杆 件对平台刚体在波浪中的耦合影响已大到必须考虑的程度。这样，任何非耦合 或简单耦合的计算都不可能真实地反映实际情况。一个完全耦合的计算系统 乃是解决这一问题的最佳方法。完全耦合计算系统是将平台刚体与柔性杆件 作为一个整体进行分析计算，并在任一时刻它们都处于统一的动力学平衡状 态。 3 1 柔性构件动力分析理论 柔性构件的动力分析理论是在“细长结构理论( t h e o r i e so fb e h a v i o r so f s l e n d e rs t r u c t u r e s ) ”的基础上发展起来的。在悬链线理论中，系泊线的静态位 置和线内张力由悬链线方程求得，但是，在悬链线方程中，没有考虑水动力。 为了考虑进作用在系泊线上的水动力，可以采用“张紧弦理论( t e n s i o n e ds t r i n g t h e o r y ) ”，但是该理论中没有计入结构应变与应力的影响，而几何非线性的 结构的应变与应力可以通过“梁理论( b e a mt h e o r y ) ”采用“改进的拉格朗日方法 ( u p d a t e dl a g r a n g i a na p p r o a c h ) ”来求解。因此，h a r p 程序采用以梁单元为模 型的“张紧弦理论”进行严格求解，该方法被称为“弹性细长杆理论( e l a s t i cr o d t h e o r y ) ”。 n o r d g e n ( 1 9 7 4 ) 和g a r r e t ( 1 9 8 2 ) 推导了该理论的公式，前者采用了“有限差 分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ，来求解系泊线动力问题【1 2 ，1 3 1 。h a r p 中则采用 后者所建议的“有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , f e m ) ”。g a r r e t 证明了采用有 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 限元法求解系泊线动力问题可以得到更精确的解。 “弹性细长杆理论”的优势在于，求解非线性的控制方程可以在整体坐标 系中进行，不需要进行坐标系转换。在本节中，系泊线的静力和动力问题的 控制方程采用基于“伽辽金( g a l e 越n ) 法”的有限元法求解。 3 1 1 细长杆理论 对细长杆变形的描述可以用其中心线的位置变化来表达，其坐标系如图 3 1 所示，图中各符号含义为： s 杆中心线的弧长 f 时间 r ( s ，f ) 杆中心线上点的位置矢量，是弧长s 和时间t 的函数 ( x ，y ，z ) 惯性坐标系空间坐标 ( e ，g 。，e 。) 空间曲线的切向、法向和副法线向量 其中，( p ，e n ，e 6 ) 和，( j ，r ) 有如下关系式：e t ：r 7 ，e n = ，w , e b = r ，一，撤号 代表对弧长s 求导 图3 1 细长杆的坐标系 在细长杆中任取一微段，其上作用的载荷如图3 2 所示。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 图3 2 细长杆微段上作用的载荷 此微段的平衡方程为： f f + q = p 铲 厨，+ t x 户+ 而：石 式中：f 沿中心线作用的合力，n m 沿中心线作用的合力矩，n m 蚕单位长度的作用力，n m p 杆的线密度( 单位长度的质量) ，k g m ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 而单位长度的外力矩，n 式中点号表示对时间求导。对于力矩平衡，弯矩和啦率有如下关系式： 砍：7 xe i 矿+ h 式中：e ，抗弯刚度，n m ? 2 l ( 3 3 ) 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 日扭矩，n m 由( 3 2 ) 式和( 3 - 3 ) 可得： 尹 ( 日矿) + 厅 + 日广+ 日，+ 历= 6 ( 3 - 4 ) 上式点乘，得： 日+ 而尸= 0 ( 3 5 ) 式中，历尹7 是分布扭矩。因为在杆的周围没有分布扭矩，所以历，= 0 ， 故h7 = 0 ，这意味着扭矩是与弧长s 无关的。而且，通常线内的扭矩是很小 的，可以忽略。这里假定线上的扭矩日和外力矩而为零，因此，式( 3 5 ) 可以 简化为： 尸 ( 日尹) 7 + 户 - o ( 3 - 6 ) 在上式中引入一个标量函数兄( j ，) ，即拉格朗日乘数，与，7 相乘得： 万= 一( 日尹) + 旯7 ( 3 - 7 ) ，7 应满足不可伸长条件： 尹一r f = 1 ( 3 - 8 ) 将式( 3 7 ) 与，点乘，并考虑到式( 3 - 8 ) ，可得： 名= f ，+ ( 日，”) ， ( 3 9 ) ：t e l t c 2 或者如果将式( 3 7 ) 代入式( 3 - 1 ) ，可得以下运动方程： 一( 日) + ( 驴) + ；= p 尹 ( 3 - 1 0 ) 如果假定杆的伸长是线性且微小的，则式( 3 8 ) 的不可伸长条件可以近似 地表达为： 圭( _ 再1 ) = 否t 去( 3 - 1 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在浮式平台系统中，杆上的外力孑主要来自杆周围流体的静水力和水动 力，以及杆自身的重力，因此，云可以写为： g = w + f 5 + f d ( 3 1 2 ) 式中，w 单位长度杆的自重 ，5 单位长度杆受到的静水力 ，d 单位长度杆受到的水动力 而静水力f 。可以表达为： 声= 否一( 一) ( 3 - 1 3 ) 式中，曰单位长度杆受到的浮力 p 杆上点，处受到的静水压力 杆上受到的水动力可由莫里森公式得到： 尹= 一巴曹垒罗+ c d i 万一万i ( 万一万)( 3 小) = 一c a + f d 式中，q 附加质量系数( 单位长度的附加质量) 惯性力系数( 单位法向加速度单位长度的惯性力) c d 拖曳力系数( 单位法向速度单位长度的拖曳力) 矿村相对于杆中心线的法向速度 矿“相对于杆中心线的法向加速度 户”杆速度垂直于杆中心线的分量 芦” 杆加速度垂直于杆中心线的分量 哈尔滨i t 程大学硕七学位论文 杆的速度和加速度可以由流体速度矢量、杆中心线切向矢量和它们的导 数得到： 尹= ( 矿耕( 矿一妒 一1 i ( 3 - 1 5 ) = 。( 一7 1 尹(316)v vv ”= 1r ir ( 3 = 矿一( ，) ，- ( 3 1 7 ) 芦”= 尹一( 尹，7 ) ，( 3 1 8 ) 将式( 3 - 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 代入运动方程式( 3 1 0 ) 可得： p - + e 风+ ( e i r ”) ”一( 兄，) = 茹+ 乃 ( 3 1 9 ) 其中， 互= t + p e l t c 2 = 于一e x 2 ( 3 2 0 ) 尹= 丁+ p 杆内的有效张力 磊：w + b 杆的有效重量或千重 式( 3 1 9 ) 和( 3 2 0 ) 是弹性细长杆的基本运动方程，也是应用有限元法的基 本方程。 3 1 2 有限元模型 控制方程( 3 1 9 ) 是非线性方程，除了特定条件下的特殊情况外，一般很难 得到解析解。n o r d g e n ( 1 9 7 4 ) 曾将有限差分法用于控制方程和不可伸长条件， 他对采用这一方法对海底管道动力特性的分析获得了令人满意的结果。本文 采用有限元法是因为这一方法有很多优点，应用有限元法后获得张量形式的 控制方程和不可伸长条件： 一p 霉一巴j r 一( e i r 3 。十( 互i ) + 嘎+ 霉d = o ( 3 2 1 ) 丢( 1 ) 一去= 0 ( 3 - 2 2 ) 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 采用伽辽金法，引入形状函数，式中的未知变量r ，旯可以近似表达为 ( s ，f ) = 4