（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）spar平台系泊系统计算及波浪载荷研究.pdf

中文摘要 s p a r 平台是一种新型的海上采油平台，凭借其优良的性能和相对较低的造 价，已经成为世界深海油气开采的主力平台类型之一。本文紧密联系工程实际， 对s p a r 平台的发展状况、结构设计和运动性能进行了详细的论述。并且针对s p a r 平台的系泊系统和二阶绕射问题进行了深入的研究，编制了计算程序，求解了平 台的系泊刚度矩阵和二阶差频波浪载荷。通过一系列计算和分析，得到了一些重 要结论，为进一步研究s p a r 平台的低频慢漂响应打下了坚实的基础。 主要研究内容如下： 1 、结合工程实际资料，以s p a r 平台结构形式的沿革为主线，详细论述了 s p a r 平台的发展状况，着重介绍了各种类型s p a r 平台的结构特点、运动性能、 经济性和优缺点，将s p a r 平台这一新型的海洋平台类型介绍给国内海洋工程界， 填补了国内在这一研究领域内的空白。 2 、建立了s p a r 平台系泊系统的分析模型，以悬链线方程为基础，计入系泊 索在变化的缆索张力下的应变，采用误差控制下迭代求值方法，求解了分段式悬 链线系泊系统在平台发生水平位移和垂直位移时的非线性系泊力，进一步得到了 s p a r 平台系泊系统的系泊刚度矩阵。按照上述理论和方法编制了计算单根系泊 索系泊力的s e m a 程序和计算系泊剐度的m m e a 程序，并利用这两套程序，在 不同预张力的初始条件下，对一座四索系泊s p a r 平台的系泊系统进行了分析， 揭示了s p a r 平台整体系泊力随位移变化的规律， 3 、将s p a r 平台主体简化为大尺度的直立浮动圆柱体，对双频入射波作用下 平台主体的绕射问题进行了深入的理论研究，并且采用边界积分方程法，对二阶 差频波浪力进行了求解。首先引入环状g r e e n 源势函数，建立了求解二阶差频速 度势的第二类f r e d h o l m 积分方程；对环状g r e e n 源势函数及其导数进行了解析 求解，对其中的奇点进行了单独处理；采用近场数值积分和远场解析积分相结合 的方法，解决了一直困扰人们的无限自由表面积分项的问题。最后，利用边界元 法求解边界积分方程，得到了二阶差频波浪力的二次传递函数，为s p a r 平台的 低频水平慢漂问题的处理提供了依据。 关键词：s p a r 平台结构形式分段式悬链线系泊索系泊刚度差频波浪荷载 边界积分方程法环状g r e e n 源势函数自由表面积分边界元法二次传递函数 a b s t r a c t s p a rp l a t f o r mi san e wt y p eo fo f f s h o r eo i lp l a t f o r m ，s i n c ei th a se x c e l l e n tm o t i o n b e h a v i o r a n dr e l a t i v e l yl o wc o s t ，i ts o o nb e c a m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rp l a t f o r mi n d e e po c e a n t h i sa r t i c l et h o r o u g h l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ft h es p a rp l a t f o r m t h e n ，d of b r t h e rr e s e a r c hi n t ot h em o o r i n gs y s t e ma n dt h es e c o n d - o r d e rd i f f r a c t i o n p r o b l e m ，a n dd e v e l o pt w os o f t w a r e st os o l v et h em o o r i n gs t i f f n e s sm a t r i xa n dt h e d i f f e r e n c e f r e q u e n c yw a v el o a do nas p a rp l a t f o r m t h em a i np a r t so f t h i sp a p e ra r es h o w na sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no ft h es t r u c t u r ed e s i g n so fs p a rp l a t f o r m , w ed i v i d e d t h es p a rp l a t f o r m si n t ot h r e eg e n e r a t i o n s ，a n de m p h a s i z e do nt h es t r u c t u r ed e s i g n ， m o t i o nb e h a v i o ra n de c o n o m yc h a r a c r i s t i c so fe a c hg e n e r a t i o no fs p a r , i n t r o d u c et h e s p a rp l a t f o r mi n t oc h i n ao c e a ne n g i n e e r i n gi n d u s t r y 2 e s t a b l i s ha na n a l y s i sm o d l eo ft h es p a rm o o t i n gs y s t e m ，b a s e do nt h ec a t e n a r y e q u a t i o n s ，a l s oc o m p u t e dt h el e n g t hc h a n g e si nt h em o o r i n gl i n eu n c e rv a r i a b l el i n e t e n s i o n ，t h en o n l i n e a rm o o r i n gf o r c e so fm u l t i - c o m p o n e n tc a t e n a r ym o o t i n gl i n e sa r e c a c u l a t e db ya ni t e r a t i v ep r o c e d u r ec o n t r o l l e db yt o l e r a b l ee r r o r , a n dt h e ng o tt h e m o o r i n gs t i f f n e s sm a t r i xo fs p a rp l a t f o r m d e v e l o p e dt w oc o m p u t e rs o f t w a r en a m e d s e m aa n dm m e a ，w h i c hc a l lc a l c l l l m e t h es i n g l el i n em o o r i n gf o r c ea n dt h e s t i f f n e s sm a t r i xo f t h ew h o l em o o r i n gs y s t e m a n du s et h e s es o f r w a r e st oc o m p u t et h e f o r c e e x c u r s i o nr e l a t i o n s h i po faf o u rl i n e sm o o r e ds p a rp l a t f o r mi nd i f f e r e n ti n t i a l h o t i z o n t a lf o r c ec o n d i t i o n s ，s h o w nt h ei n f l u e n c e so ft h ei n t i ，a ih o r i z o n t a lf o r c et ot h e m o o t i n gs t i f f n e s s 3 t h es p a rc a nb es i m p l i f i e da sa l a r g ed i a m e t e r , t r u n c a t e dc y l i n d e r , w ef o c u so n t h ed i f f r a c t i o np r o b l e mi nb i c h r o m a t i ci n c i d e n tw a v e s ，a n dt h eb o u n d a r yi n t e g r a l e q u a t i o nm e t h o di sa p p l i e d i n t r o d u c et h er i n g s o u r c eg r e e nf i m c t i o na n de s t a b l i s ha f r e d h o l mi n t e g r a le q u a t i o no ft h es e c o n d k i n dt os o l v et h ed i f f e r e n c e - f r e q u e n c y p o t e n t i a l ，a n dae f f i c i e n tm e t h o dt oc o m p u t et h ef r e e s u r f a c ei n t e g r a l ，t h e nt h e e q u a t i o ni sc a c u l a t e db yb e m f i n a l l ys o l v e dh ed i f f e r e n c e f r e q u e n c yf o r c eq t f s k e y w o r d s ：s p a r , s t r u c t u r ec o n c e p t ，m u l t i - c o m p o n e n tc a t e n a r ym o o r i n gl i n e ， m o o r i n gs t i f f n e s sm a t r i x ，d i f f e r e n c e f r e q u e n c yw a v ef o r c e ，b o u n d a r yi n t e g r a le q u a t i o n ， r i n g - s o u r c eg r e e nf i m c t i o n ，f l e es u r f a c ei n t e g r a l ，b e m ，q t f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：购 签字日期：2 0 0 5 年i 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅蠢鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：微另分 签字日期：细咕年月2 0 日 导师签名： 签字日期： 天津大学硕士学位论文第一章综述 第一章综述 随着海洋开发愈来愈向深海大洋推进，油气资源的开发也不断进军深海。一 般深海域中自然环境十分恶劣，环境载荷比较复杂，对海洋工程设施的理论分析、 设计安装等的要求就更加严格和精确，严重的影响着海洋工程的建造和生产投 入。2 l 世纪初，海上油气可望达到水深为2 5 0 0 米( 8 2 0 0 英尺) 以上的所谓极深 水海域 1 】，据2 0 0 0 年的统计，当时世界上的近2 0 0 0 座海洋石油平台中，只有6 5 座可以在7 5 0 米以上深水作业的半潜式平台和钻井船，其中只有2 5 座能有效地 工作在1 0 0 0 米以上的深水。可以说，随着深海的开发利用，对适应深海作业的 海洋工程提出了非常严峻的挑战。 随着深水作业的不断增加，各种传统的移动式平台，如半潜式平台和钻井船 等，其运动性能和定位难以满足深水作业的要求，而各类固定式平台，如重力式 平台和导管架平台等，其自重和工程造价随水深大幅度地增加，也己不能适应深 海环境，所以必须发展新型的平台。从2 0 世纪5 0 年代以来，这样的研究探索不 断进行，并提出了顺应式平台( c o m p l i a n tp l a t f o r m ) 的概念。在近二十年，顺应 式平台得到了广泛的发展应用，其显著特点是具有特殊的结构形式，使工程造价 较低，结构安全性良好。s p a r 平台和张力腿平台就是顺应式平台结构的典型。 1 9 8 4 年，c o n o c o 公司在北海1 5 7 米深的h u t t o n 油田安装了世界上第一座张 力腿平台，标志着张力腿平台技术的完全成熟与工程技术化，开始正式投入了实 际生产领域，经过二十年的发展，目前世界上在役和在建的张力腿平台已有2 l 座，遍布全球各大海上石油产区，已形成了人类深海采油领域一支不容小视的力 量。s p a r 海上采油平台投入实际生产领域比张力腿平台晚，但是发展比张力腿平 台更迅速。上个世纪八十年代以来，s p a r 平台被广泛的应用于人类开发深海的事 业中，担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，它被很 多石油公司视为下一代深水平台的概念。到目前为止，s p a r 平台已经成为继张力 腿平台之后，成为了当今世界上深海油气开采的第二大主力平台类型。 本文在系统的研究了世界上s p a r 平台的发展概况，对于目前在役和在建的 s p a r 平台，给出了丰富的项目资料。在理论上，重点介绍了s p a r 平台的系泊系 统和本体所受波浪荷载的计算理论，尤其是研究了在双频入射波作用下s p a r 平 台主体所受的波浪荷载的计算方法，并且对s p a r 平台的系泊力和一阶波浪力进 行了计算分析。通过这些工作，希望能对我国深海油气开发事业起到一定的作用。 天津大学硕士学位论文第一章综述 1 1 s p a r 平台的产生与发展 实际上，s p a r 技术应用于人类海洋开发的历史已经超过三十年了同，但是在 1 9 8 7 年之前，在人类的海洋开发工作中，s p a r 平台一向是作为辅助系统而不是 直接生产系统来使用的，它们被用作浮标、被用作海洋科研站，或是被用作海上 通讯中转站，有时还被作为海上装卸和仓储中心使用，例如：1 9 6 1 年，北海海 域建造了一座浮动式工具平台，即f l o a t i n gi n s t r u m e n tp l a t f o r m ，简称f l i p ，主 要用于海洋研究工作；上世纪7 0 年代，r o y a ld u t c hs h e l l 公司又在北海的中等 水深中建造了一座b r e n ts p a r 平台，用作石油的储藏和装卸中心。需要指出的是， 早期建造的s p a r 平台的结构和当前深海油气开发使用的s p a r 平台相比还是有所 区别的，它们的主体并不是连续的圆柱结构，而是分为两段甚至数段，每一段主 体的直径各不相同，比如说f l i p 的主体从上至下就分为上段主体、锥形部和下 段主体，而b r e n ts p a r 的主体也由一层分段甲板分为上下两段。通过对这些早期 的s p a r 平台进行观测，各国的研究者收集了大量的数据，为现代s p a r 平台的诞 生和发展打下了坚实的基础。 1 9 8 7 年，e d w a r de h o r t o n 设计了一种专用于深海钻探和采油工作的s p a r 平台，其结构组成形式特别适合深水作业环境。h o r t o n 设计的这种s p a r 平台被 公认为现代s p a r 生产平台的鼻祖。现代s p a r 生产平台是从早期s p a r 辅助工具平 台发展而来的，但是又有其与众不同的特征，一般来说，现代s p a r 生产平台都 具有以下几个特征 3 1 1 4 1 ： 1 、现代s p a r 生产平台的主体是单圆柱体结构，竖直悬浮于水中。有的s p a r 平台主体分为数部分，有的部分为全封闭式结构，有的部分为开放式结构，但是 各部分的横截面都具有相同的直径。由于主体吃水很深，平台的垂荡和纵荡运动 幅度很小，这使得s r 0 2 平台能够安装刚性的垂直立管系统，承担钻探、生产和 油气输出工作。 2 、现代s p a r 生产平台采用半张紧的悬链线系泊索动态定位，能够保证平台 在钻探、完井、修井和生产过程中具备良好的稳定性。系泊索与主体的连接处位 于平台重心附近，该点处的运动幅度较小。海底基础大多采用抓力锚、桩基或是 吸力式基础固定。 3 、平台上体位于主体的顶端，甲板上安装了全套的钻探和生产处理设施。 4 、绝大多数s p a r 生产平台是干树平台，采油树位于水面之上的平台上体。 5 、s p a r 平台的中心处开有中央井，中央井内安装有独立的立管浮筒，这些 浮筒是用来支持刚性生产立管的，生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施 相连，向下则一直延伸到海底油井。 天津大学硕士学位论文第一章综述 6 、s p a r 平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、s c r 立管或顶张紧式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以先将石油储藏 在s p a r 平台的主体中，然后使用油轮将石油向岸上运输。 7 、s p a r 平台的主体建造采用了船舶制造的组装和设计方法，平台上体甲板 的建造和安装也充分借鉴了传统海洋设施生产应用的实践经验。 另外，这些s p a r 平台的功能与早期的s p a r 辅助工具平台相比有了很大的扩 展，其主要功能大致可以分为五方面，目前己投入使用的s p a r 平台，都具有以 上这五大功能中的一项、或数项功能的综合1 5 l 6 。： 1 、钻探作业 2 、修井和完井作业 3 、采油生产作业 4 、与f p s o 系统配合，作为井口平台使用 5 、作为石油储藏和装卸中心使用 现代s p a r 生产平台迅速完成了从设计构思向实际生产转变的过程。1 9 9 7 年， 第一座s p a r 深海采油平台_ n e p 咖e 平台建成投产并取得良好的经济效益，标 图1 1 三代s p a r 的比较图( 从左自右分别为n e p t u n e c l a s s i cs p a r 、g u n n i s o n t r u s ss p a r 和r e d h a w k c e l ls p a r ) - 3 天津大学硕士学位论文第一章综述 志着s p a r 平台开始正式应用于海上油气生产领域；1 9 9 8 年，建成世界上第一座 具各自行钻探能力的s p a r ：2 0 0 1 年，建成世界上第一座t r u s ss p a r ；2 0 0 4 年又将 建成第一座c e l ls p a r ，s p a r 平台发展的前景一片大好。目前，全世界一共有6 座s p a r 生产平台在役，另有7 座正在建造过程中，是当今世界上深海油气丌采 的第二大主力平台类型。根据s p a r 平台结构形式的沿革，可以将目前在役和在 建的s p a r 平台分为三代，按照其发展的时间顺序排列分别是：c l a s s i cs p a r 、t r u s s s p a r 和c e l ls p a r ，各代s p a r 之间的区别主要集中在主体结构上。图1 1 即为这 三代s p a r 平台的比较图，在此图中每一代s p a r 都选取了一座具有代表性的平台 作为示例，从左自右分别为n e p t u n e c l a s s i cs p a r 、g u n n i s o n t r u s ss p a r 和r e d h a w k c e l ls p a r 。关于这三种类型s p a r 平台的特点，将在第二章中进行详细介绍。 1 2 世界上有关s p a r 平台的研究 s p a r 平台自问世之日起，就一直受到世界各国研究者的关注，目前，关于 s p a r 平台的研究正在世界范围内展开，通过长期艰苦的努力，人们已经取得了一 定的成果。 1 9 8 2 年，t r i a n t a f y l l o u 等人应用可延伸的悬链线方程计算出了系泊索的系泊 力与缆索上端位移之间的关系曲线。 1 9 8 4 年，d u t t a 应用悬链线公式对一座牵索塔平台的分段式系泊索的系泊刚 度进行了求解，并且考虑了系泊索的弹性伸长。求解过程中，他应用了快速收敛 的正切方法对方程中的非线性项进行了计算，并且对压载链段平放于海底和被提 离海底等几种不同的系泊索状态分别进行了分析。 1 9 9 0 年，v e r r n a 应用小应变弹性悬链线方法和有限元方法，提出了一套计算 分段式系泊索的数学公式。在小应变条件下，根据各段系泊素不同的物理性质和 倾斜海底条件进行了参变量计算，并应用限元方法编制了一套高效的计算程序。 为了对弹性悬链线公式方法在深水系泊系统分析计算中的适用范围进行分析，他 还分别应用有限元方法和悬链线公式分别对单根分段式弹性系泊索进行了计算。 从1 9 8 9 年至1 9 9 1 年，k i m & y u e 使用边界积分方程方法对单频和双频入射 波条件下的几种轴对称结构的绕射问题进行了求解，并直接获得了二阶速度势及 其相关量。在计算中，k i m & y u e 利用环状源势g r e e n 函数建立了二阶速度势的 边界积分方程，并且采用划分积分域，数值积分与解析积分相结合的办法，解决 了积分方程中自由表面无限积分项这一难点。 g l a n v i l l e 等人在1 9 9 1 年详细提出了有关s p a r 平台的概念、建造和安装的各 项事宜。他指出，一座s p a r 平台应该在选择井口系统和钻探策略方面具有很大 项事宣。他指出，一座s p a r 平台应该在选择井口系统和钻探策略方面具有很大 天津大学硕士学位论文第一章综述 的灵活性，能够适应早期生产或预钻油井的程序。1 9 9 6 年，h a l k y a r d 又对几种 s p a r 平台概念的情况进行了回顾总结，重点研究了这些平台在设计方面的问题。 1 9 9 5 年，m e k h a 等人将一座s p a r 平台简化成一个具有三个自由度( 即纵荡、 垂荡和纵摇) 的计算模型。他们采用了两种方法计算惯性力，其中一种是将附加 质量系数c m 作为常数，代入标准莫里森方程中求解；或者采用随频率变化的 c m ，应用绕射理论进行求解。在两种情况下，都应用莫里森方程的非线性项求 解阻力。整个计算分析在时域中进行。计算结果显示，不管是把c m 作为常量惯 性系数，或是将其作为随频率变化的变量进行计算，所得的结果都基本相等，这 是因为根据目前出现的所有s p a r 平台尺度，大多数波能都集中在个频带范围 之内，在此频率范围中，c m 的值基本等于2 。1 9 9 6 年，m e k h a 等人又使用同样 的计算模型，采用随频率变化的c m ，根据绕射理论对s p a r 平台进行了计算分析。 在这次研究中，他们使用了非线性修正的莫里森方程计算s p a r 的散射效应，根 据一系列不同的海况条件进行了求解，并将结果与实验结果进行了对比。 1 9 9 6 年，r a n 和k i m 对一座系泊的s p a r 平台在规则波和非规则波下的非线 性响应特征分别进行了静态和动态的分析。编写了一套基于总体坐标系的动力有 限元计算程序模拟系泊系统的非线性响应，并使用这一程序求得了系泊系统耦台 的动力分析结果，将这一结果与非耦合的分析结果进行了比较，。以研究系泊系统 对主体运动的影响等问题。同年，r a n 等人应用规则波、双频入射波、单向非规 则波，并分别考虑了加入和不加入海流作用两种情况，对一座大尺度松弛系泊的 s p a r 平台的响应做了实验和数值研究。他们发现，总的来说，低频的纵荡和纵摇 响应都要比波频范围内的响应要大，并且如果考虑了海流力的作用，则各慢变响 应都会略有降低。 1 9 9 8 年，c h i l r a p u 等人运用时域模型，对一座s p a r 平台在不同的环境条件 下，如规则波环境、双色波环境、以及随机波浪和海流环境等，的非线性响应进 行了研究。这一时域模型考虑了数种非线性效应。水动力和力矩是使用莫里森公 式计算出来的。经过分析，他们指出：只要能准确计算出水微粒在平台位移各点 位置处的运动和力，应用莫里森公式不但能够对平台在波频范围内的响应作出可 靠的预测，而且对低频范围也同样能得到可靠的结果。 1 9 9 9 年，r a n 等人对一座系泊的s p a r 平台在随机波作用下的非线性耦合响 应进行了研究，研究中分别应用时域和频域两种模型、对包括线性海流力和不包 括线性海流力两种情况分别进行了分析。他们使用了一套名为w i n t c o l 的水动 力软件包计算了一阶和二阶波浪力、附加质量、辐射阻尼、慢漂阻尼等未知量。 根据v o l t e r r a 序列方法分别得到了在时域或频域下的总的波浪力序列( 或谱) 。 并且使用一套基于总坐标系下有限元算法的w i n p o s t 软件包，计算了系泊系统 天津大学硕士学位论文第一章综述 的动力。系泊缆索与平台本体之间采用线性的、可转动的弹簧和阻尼器相连。采 用合适的弹簧和阻尼系数，便可以模拟不同的边界条件。在时域分析中，考虑了 在平台运动到任意瞬时位置时系泊索与主体之间的非线性拖曳力。在频域分析 中，则对非线性拖曳力进行了随机线性化，并且通过迭代程序求得结果。 1 9 9 9 年，c h i t r a p u 等人应用时域模型，对一座大直径s p a r 平台在长峰随机 方向波和海流作用下的运动响应进行了讨论。在计算平台的运动响应时，考虑了 数种非线性效应，如自由表面力的计算、任意位移点处力的计算、运动方程中的 非线性项、以及波流相互作用效应等。并且研究了波浪方向性对s p a r 平台纵荡 和纵摇运动的影响。研究结果显示，波流相互作用效应和波能的方向性扩散效应 对平台运动响应的预测具有很重要的影响。 1 9 9 9 年，c h e l a 等人提出了两种数值算法，并将这两种算法动态连接起来求 解一座松弛系泊的细长体在非规则陡峭波作用下的非线性响应。这一合并程序被 命名为c o u p l e ，它能够计算该细长体在任意瞬时位置的非线性波浪力，以及 系泊系统与主体之间的动态相互作用。他们还运用c o u p l e 程序预测了一座松 弛系泊的s p a r 平台的运动及其系泊索张力，并且与相应的实验数据和系泊系统 静态分析的结果进行了比较，比较的结果显示，c o u p l e 程序能够可靠的、准 确的模拟系泊系统和细长结构体之间的动态作用。当前的实验室测试是用张紧系 泊索和弹簧模拟松弛系泊系统的，这种方法并不能真实模拟在实际海洋环境中系 泊系统对结构的动态效应，因此，使用c o u p l e 程序进行的数值模拟对实验测 试来说是一个很好的补充，尤其是在深水条件下。 1 9 9 9 年，z h a n gj u n 等人采用拟静态和动态耦合两种计算方法分别对一座处 在陡峭波中的s p a r 平台的响应及其系泊索内的张力进行了数值模拟。并将两种 方法的计算结果与j i ps p a r 的水池实验数据进行了比较。他们发现系泊索的阻尼 作用能够减少s p a r 平台的纵荡慢漂运动和纵摇运动，这在深水环境中体现得犹 为明显。另外他们还发现在常见波浪频域内系泊索的动力效应对系泊索的张力预 测影响很大。 2 0 0 0 年，q w m a 和m h p a t e l 对一座深吃水的经典式s p a r 平台进行了研究， 建立了波浪载荷和s p a r 运动响应的非线性方程，并对其进行求解。他们指出两 个非线性力分项轴向偏移力和离心力在s p a r 平台水动力分析中的重要性。 2 0 0 1 年，k i m 等人运用时域方法，对一座t r u s ss p a r 在波浪、线性的稳定风 力和海流作用下主体和系泊系统之间非线性耦合及无耦合的动力作用进行了数 值分析，并将数值结果和1 ：6 1 的模型实验结果进行了比较。数值结果显示，动 力作用对于系泊系统的设计十分重要。他们还分别考虑了有耦合作用和无耦合作 用的两种情况，求得了用线性无质量弹簧和非线性无质量弹簧模拟的系泊系统的 天津大学硕士学位论文第一章综述 运动和张力分布谱，并将结果进行了比较，以研究主体与系泊索之间耦合效应和 系泊索阻尼对平台总体运动响应分析的重要性。 2 0 0 1 年，a g a r w a l 和j m n 对一座s p a r 平台在规则波作用下的动力响应进行 了计算，在他们的研究中，平台运动的刚度矩阵是随平台响应而变化的，包括了 水静力提供的垂荡和纵横摇运动的回复力、系泊索提供的水平方向上和垂直方向 上的非线性回复力三个部分，入射波和力的计算采用了艾利波理论和奠里森方 程，并且运用n e w m a r kb e t a 数值计算方法求解了s p a r 平台的动力响应。 2 0 0 2 年，i f f e k h a r a n a m 和j o s em r o s s e t 对用来计算波浪运动和s p a r 平台所 受波浪力的外推法、伸长法和复合波模型法等几种近似方法进行了比较。他们得 到了二阶差频项的解析解和更高阶的数值解。研究结果表明，每一种非线性外推 法得到的一阶和二阶结果都基本相同，在三阶项上，使用双曲线外推法和线性外 推法仍能得到近似的结果，但是使用均一外推法得到的结果却和前两种方法不 同。每种伸长法也能得到近似的一阶和二阶结果，但是伸长法得到的结果要比使 用外推法得到的结果要小，另外，使用伸长法积分到自由表面所得到的二阶波浪 力和使用线性波理论积分到静水面所得到的结果是相等的。使用复合波法对波浪 力的一阶项和二阶项进行分解将会减少二阶波浪力，不过减少的程度很小。 2 0 0 3 年，s a d e g h i 等人提出了一种计算t r u s ss p a r 在波浪中运动响应的简化 方法，这种简化方法能够直接在频域内求解t r u s ss p a r 垂荡运动的非线性方程， 而不需要进行迭代。 2 0 0 4 年，l o n g b i nt a o 等人对c l a s s i cs p a r 的主体结构形式进行了讨论，提出 了几种c l a s s i cs p a r 平台主体的改进方案，并且计算了这些不同形状的s p a r 主体 的粘性阻尼，证明了s p a r 平台可以通过改变主体的形状来提高主体的阻尼效应， 从而可以减少平台的垂荡谐振响应。 1 3 本文的研究工作 s p a r 海上采油平台目前对于国内的海洋工程界来说，还是一个新生事物，目 前还未见到国内对这一新型平台形式的研究成果。本文以其作为研究对象，紧密 联系工程实际，对s p a r 平台的总体性能和发展状况进行了较为详细深入的介绍。 重点研究了s p a r 平台的系泊系统和波浪载荷，建立了s p a r 平台系泊系统的分析 模型，求解了平台的系泊刚度矩阵，并且从理论角度出发，对s p a r 平台主体在 双频入射波作用下所受的一阶线性波浪力和二阶差频和频波浪力的理论和计算 方法进行了深入研究。通过这些工作，为国内研究人员认识并了解s p a r 这种新 型的深海平台提供了一定的参考，并为进一步求解s p a r 平台的运动响应提供了 天津大学硕士学位论文第一章综述 支持。本文所建立的理论与已有理论相容，并与国外已发表的代表性研究成果进 行了比较验证，取得了良好的一致性。 具体完成的研究内容如下： 1 、系统的研究了世界s p a r 平台的发展状况，分析了其结构形式的沿革，并 分析了各种类型s p a r 平台的总体性能、优缺点和经济性，对于目前为止世界上 所有在役和在建的s p a r 平台，给出了比较详细的结构数据和项目资料。 2 、参照a g a r w a l & j a i n ( 2 0 0 2 ) 2 6 1 2 7 1 的分析模型，将s p a r 平台的系泊系统 简化为水平和垂直方向上的非线性弹簧组，根据悬链线方程，考虑系泊索在不同 系泊力下的应变，编制s m e a 程序，通过误差控制公式对单根分段式系泊索的 系泊力进行迭代计算，得到了系泊索顶端水平和垂直位移与系泊力和力矩之间的 关系曲线。在此基础上，编写了m m e a 程序，充分利用s m e a 程序的计算结果， 考虑各系泊索之间的相互作用，对系泊系统整体系泊剐度进行了求解。并且结合 工程实际，对一座四索系泊的s p a r 平台系泊系统进行了计算分析，得到了与参 考文献 2 6 】 2 7 】相一致的结果。 3 、将s p a r 平台主体简化为大尺度的直立浮动圆柱体，参考k i m & y u e ( 1 9 9 0 ) 川【3 2 】提出的边界积分法，引入环状g r e e n 源势函数，建立了求解一阶线性速度 势和二阶差频速度势的第二类f r e d h o l m 积分方程，并且采用近场数值积分和远 场解析积分相结合的方法，解决了一直困扰人们的无限自由表面积分项的问题。 得到了二阶差频波浪力的二次传递函数，为s p a r 平台的低频水平慢漂问题的处 理提供了依据。 天津大学硕士学位论文第二章s p a r 平台的结构和总体性能 第二章s p a r 平台的结构和总体性能 2 1 s p a r 平台总体结构 目前投入实际生产的s p a r 式平台，在整体组成上一般可分为六大系统：平 台上体( t o p s i d e ) 、主体外壳( h u l ls h e l l ) 、浮力系统( b u o y a n c y ) 、中央井 ( c e n t e r w e l l ) 、立管系统( r i s e r s ) 、系泊系统( m o o r i n g ) 。而从结构上来讲，则 一般将s p a r 平台分为三部分：平台上体、平台主体、以及系泊系统( 包括锚固 基础) ，其中平台上体和平台主体并称为平台本体。到目前为止，s p a r 平台已经 发展出了三种主要类型，分别为经典式s p a r ( c l a s s i cs p a r ) 、构架式s p a r ( t r u s s s p a r ) 和蜂巢式s p a r ( c e l ls p a r ) ，这三种类型的s p a r 平台的区别主要集中在平 台主体的结构形式上，下面就将分别进行详细介绍。 2 1 1 第一代s p a r c l a s s i cs p a r 经典式s p a r ( c l a s s i cs p a r ) ，又称为箱式s p a r ( c a i s s o ns p a r ) ，是最早出现 的s p a r 深海采油平台，该型s p a r 平台最主要的特征就是主体为封闭式单柱圆筒 结构，体形比较巨大，主体长度一般都有2 1 5 米，直径都在2 2 米以上。当前世 界上的c l a s s i cs p a r 共有三座，即k e r rm c g e e 公司的n e p t u n es p a r 、c h e v r o n 公 司的g e n e s i ss p a r 和e x x o n 公司的h o o v e rs p a r ，其中，n e p t u n es p a r 是世界上第 一座现代s p a r 生产平台；g e n e s i ss p a r 是世界上第一座钻探采油s p a r 平台，而 h o o v e rs p a r 是目前所有在役s p a r 平台中规模最大的一座。现将这三座c l a s s i c s p a r 的构造资料列表如下： 主体尺度 主体 设计。系泊索海底建成 名称水深 长度直径 重量载重 材料数量长度直径 基础时间 n e p t t m e 2 1 52 2 1 2 9 0 65 9 9 3钢 61 1 2 50 1 25 8 8 桩基 1 9 9 7 g o n e s i s2 1 53 72 6 7 0 39 0 0 0钢 1 41 3 4 10 1 37 9 3 桩基 1 9 9 8 h o o v e r2 1 53 73 5 0 0 01 8 0 0 0钢1 22 1 6 40 1 51 4 6 3 桩基 1 9 9 9 c l a s s i cs p a r 的结构很具有代表性，图2 1 所示的就是一座典型的c l a s s i cs p a r 的本体结构图，下面分别对其不同的部分进行详细介绍。 1 、平台上体 天津大学硕士学位论文第二章s p i n 平台的结构和总体性能 s p a r 平台上体是平台生产和生活的中心，一般为二层或三层甲板的模块结 构，甲板形状为矩形，各层甲板之间采用立柱和斜撑结构连接固定。当前已投入 使用的所有s p a r 平台的上体甲板整体位于水线面之上较高的位置，最底层甲板 与水线面之间的距离一般都在2 0 米以上，以消除甲板上浪对生产活动的不良影 响。整个平台上体与平台主体之间的固定方式与传统的导管架平台类似，平台主 体顶部安装有立柱基座，与主体的垂直防水壁形成一个整体，平台上体的主支撑 立柱直接与立柱基座对接，并贯入主体内部以便达到较好的固定效果。 外观图 剖视图 图2 1 c l a s s i cs p a r 本体结构示意图 天津大学硕士学位论文 第二章s p a r 平台的结构和总体性能 2 、平台主体 c l a s s i cs p a t 平台的主体是一个在水中竖直悬浮的圆柱体，整体直径较大， 一般都在2 0 4 0 米之间，主体吃水都在百米以上，重心位于水线面下很深的位 置。庞大的主体内部采用垂直隔水舱壁和水平甲板分隔成多层、多舱结构，并具 有各自的功能。如图2 1 所示，平台主体主要由硬舱( h a r dt a n k s ) 、中段 ( m i d s e c t i o n ) 和软舱( s o n t a n k s ) 三个部分构成： ( 1 ) 硬舱 s p a r 平台主体从主体项甲板至可变压载舱底部之间的部分称为硬舱。硬舱位 于主体的上部，是整个s p a r 平台系统的主要浮力来源。这一部分中的舱室分为 固定浮舱和可变压载舱两部分： 固定浮舱位于硬舱上部，使用防水板分隔成多个小舱室，以提高主体的抗沉 性。固定浮舱中充满了空气，产生的浮力能够平撕平台自重和系洎力的垂直分力。 可变压载舱位于硬舱的最下部，底部有开口，压载物为海水，一方面它能起 到辅助压载的作用，能为整个s p a r 平台系统提供稳定性：另一方面，可变压载 舱还能够调节平台的压载量，可以根据实际需要，灵活的调整s p a r 平台的吃水 和浮力。可变压载舱中安装有压缩空气传输管道，当向其中充入空气时，压载海 水从底部开口中排出，s p a r 平台的吃水减少、浮力增加；当从舱中排出空气时， 海水就从底部开口进入舱内，从而增加平台的压载。 另外，硬舱部分在与水线面的交界处建造有船坞，与平台上体之间有舷梯相 连，以供运送给养设备和人员的小型船舶挂靠停泊。而且在靠近水线面处的浮舱 外层还布置有双层防水壁结构，在平台发生可能的撞击损坏时能够起到保护浮舱 的屏障作用。 ( 2 ) 中段 s p a r 平台主体从可变压载舱底部至临时浮舱顶甲板之间的部分称为中段。中 段的功能是刚性连接s p a r 平台主体的硬舱和软舱，并且保护中央井中的立管系 统不受海流力的影响。中段部分最主要的两个结构是外壳体和内壳体，外壳体位 于平台主体的最外侧，负责保护主体内的舱室，内壳体以内则是中央井，在内外 壳体之间形成一个环状横截面的大舱室，贯穿整个中段部分，这就是s p a r 平台 的储油舱。当工作区域缺乏海底管道系统的时候，s p a t 平台可以先将生产出来的 石油产品暂时存放在这个储油舱中，然后再使用油轮进行转运。另外，s p a r 平台 的系泊索与平台本体的连接点也位于中段上，在中段的主体外壳外侧安装有定滑 轮结构的导缆器。 ( 3 ) 软舱 s p a r 平台主体在中段以下的部分称为软舱。s p a r 平台的压载大部分都由软 天津大学硕士学位论文第二章s p a r 平台的结构和总体性能 舱来提供。软舱中的舱室可以分为固定压载舱和临时浮舱两部分。 固定压载舱位于平台的最底部，整个平台系统的大部分压载是由固定压载舱 负责提供的。固定压载舱中充满了压载海水，另外，也可以根据设计要求加载固 体压载物以提高平台的稳定性。 在固定压载舱上部还有一组临时浮舱，临时浮舱的外部安装有海水门。在平 时生产过程中，临时浮舱里充满了海水，和固定压载舱一道给s p a r 平台系统提 供必要的压载。而当s p a r 平台需要转移时，可向其中充入压缩空气，排出压载 海水，主体就将由竖直悬浮状态变为水平漂浮状态，以便于拖航。当主体被拖航 到安装点的时候，再打开海水门向临时浮舱中放入海水，同时向上部的可变压载 舱中压入空气，s p a r 主体便会在力矩的作用下自行转为竖直悬浮的状态，这一过 程称为s p a r 平台主体的“自行竖立”( u p e n d i n g ) 过程。 ( 4 ) 螺旋形侧板 除了以上所述的三个主要部分，在s p a r 平台主体的外壳上，还安装有两列 侧板结构，沿整个主体的长度呈螺旋线纵向布置。螺旋型侧板能够对经过平台圆 柱形主体的水流起到分流作用，从而可以减少平台的涡激振动，实践证明，这种 纵向分布的螺旋状侧板能够显著的改善平台在涡流中的运动性能。 3 、中央井及立管系统 s p a r 平台的中央井自下而上贯穿整个主体，其中充满了海水。s p