深海spar平台对深海系泊系统的等效设计

深海spar平台对深海系泊系统的等效设计

随着海洋油气资源的开发深入深水深度，出现了具有自身特点的高速海洋平台如单柱平台（倾斜平台）。为了验证新型平台的水动力性能和系泊系统的动态负荷，波池模拟是海洋平台设计的重要因素之一。对于深度海洋平台的系泊和立管系统具有较大的空间尺寸。采用传统的收缩尺比和傅汝德相似的标准，很难完全模拟现有的实验池。小收缩尺比的模型试验是解决方法之一，但由于试验精度受多种因素的影响，研究人员提出了一种混合模型试验的方法，即中断水深模型试验和数值计算的结合。使用相同的水深系泊系统进行模型试验，然后使用数值软件重建断裂水深模型试验结果，最终使用整个深水系统进行数值外部计算。外国科学家对混合模型试验方法进行了大量研究，并提出了两种动态和动态系泊系统的概念。现在，广泛使用了被动深水系泊系统。中国海洋工程国家关键实验室也对混合模型试验方法进行了初步研究。这些研究忽略了水平截断对水深截断系泊系统等效设计的影响.本文对该问题和相关难点进行了研究,明确提出了垂向截断因子和水平截断因子的概念,分析了致使水平回复力特性存在差异的原因.基于一深水Spar平台及其系泊系统,介绍了水深截断系泊系统的等效设计流程,对于张紧式的系泊系统提出了延长水平跨距的方法,并对其静力特性进行了数值校核,在此基础上进行了Spar平台的截断水深模型试验.1系泊系统的隔离和设计方法1.1设计原则及原则水深截断系泊系统的等效设计应尽可能使得海洋平台在截断水深获得和深水一致的运动响应,因此必须遵循相应的等效设计原则.目前国际上公认的等效设计原则主要有:(1)保证系泊/立管系统对海洋平台的水平及垂向回复力一致;(2)保证平台主要运动准静定耦合一致;(3)保证具有“代表性”的系泊缆和立管的张力特性一致;(4)保证系泊缆/立管在波浪和海流中的阻尼及流体作用力一致.在设计水深截断系泊系统时,一般采用和全水深系统相同的预张力、相同的系泊缆布置形式,系泊缆尽可能使用相应的锚链、钢丝绳来模拟.系泊缆接近水面的部分应尽可能与全水深系统保持一致.1.2等式设计的困难1.2.1全深水系泊缆与海底的角度变化水深截断系泊系统等效设计的难度主要源于水深的差异.垂向截断因子为γV=Hf/HtγV=Ηf/Ηt其中,Hf、Ht分别为全水深和截断水深系泊缆从上端悬挂点到海底的垂直高度.截断水深中系泊缆与水面的夹角随水平位移的变化率大于全水深.如图1所示,对于相同的水平位移,α2<α1,这将导致水深截断系泊系统的水平回复力较全水深的增加迅速,γV越大,该差异越明显.为了图示的方便,系泊缆用直线表示.1.2.2水平回复力特性深水模型试验时系泊/立管系统有时还需要进行水平截断,特别是对于悬链线形式的系泊系统,如图2(a)所示.水平截断因子为γH=Lf/LtγΗ=Lf/Lt其中,Lf、Lt分别为全水深和截断水深系泊缆的水平跨距(上端悬挂点到系泊点的水平距离).截断水深中系泊缆周向角随水平位移的变化率大于全水深.如图2(b)所示,对于相同的水平位移,β2<β1,这也将导致水深截断系泊系统的水平回复力迅速增加,结合γV的影响,水平回复力的快速增加尤为明显.水平截断还使得水深截断系泊系统的水平回复力特性无法在所有方向上与全水深保持一致.如果存在水平截断,只能通过降低单根系泊缆的水平刚度“优化”得到某一方向上的系统水平回复力特性,如图2(b)所示,水深截断系泊系统180°和135°方向上的水平回复力特性难于同时保证和全水深一致.1.2.3特殊装置设计风险设计水深截断系泊系统时,可能会用到弹簧和重块等非均匀材质,它们对系泊缆动力特性的影响需要通过理论计算和模型试验进一步验证.采用特殊试验装置,如滑块和滑轮等,容易使得水深截断系泊系统的静力特性和全水深系统一致,但是此类装置引起的摩擦阻尼难于量化,使得水深截断系泊系统的设计和截断水深的数值计算变得困难,应该尽量避免使用此类特殊装置.2深度休闲平台系泊系统的等效设计2.1系泊缆及系统作为研究对象,一座新型Spar平台的设计工作水深为1.5km,导缆孔在设计水线以下70m处,系泊系统的总高度为1.43km,水平跨距为1.48km.系泊系统由3组各3根系泊缆组成,3组系泊缆成120°间隔均匀布置,每组3根系泊缆成5°间隔均匀布置,如图3所示.图中,x、y轴通过平台重心.水深截断系泊系统设计和试验研究中均未考虑立管系统.Spar平台采用张紧式的系泊方式,单根系泊缆由锚链、钢丝绳、锚链组合而成,全水深系统单根系泊缆的主要参数如表1所示,预张力为1.278MN.表中,ρl,a、ρl,w分别为系泊缆在空气和水中的线密度.2.2系泊系统用于全深水系泊系统的断裂系统Spar平台具有相对较小的水线面面积,垂荡、横摇和纵摇刚度都较小,系泊缆的顶端张力会影响到平台的吃水、纵倾和横倾,在设计水深截断系泊系统时需要考虑到这些因素.因此本文中Spar平台水深截断系泊系统的等效设计主要考虑以下原则:(1)保证系泊系统180°和0°方向上的水平回复力特性一致;(2)保证系泊系统的垂向回复力特性一致;(3)保证系泊系统的垂向力-水平位移特性一致;(4)保证Spar平台的纵荡和纵摇耦合一致;(5)保证具有代表性的1#(9#)和5#(见图3)系泊缆分别在180°和0°方向上的张力特性一致.模型缩尺比为1∶100,模型试验水深为4m,对应实际水深400m,因而需要在400m水深对全水深的系泊系统进行截断.导缆孔的位置在水线面以下70m处,Ht=330m,γV=4.33;Lf=1.48km,而试验水池可利用的半宽约为13m,相当于实际1.3km,必然存在水平截断.设计步骤为:(1)基于张力特性一致进行单根系泊缆的初步设计,确定系泊缆的组成及主要参数.由于垂向截断因子较大,为保证垂向力,添加了重块.(2)基于系统的静力特性进行优化设计.调整系泊缆与水线面的初始夹角α0和系泊缆的刚度,以保证水深截断系泊系统180°方向上的水平回复力特性与全水深一致.然而,0°方向上的系统水平回复力特性与全水深的差异十分明显.该差异源于γH过大,系统水平回复力特性难于在所有方向上与全水深保持一致.通过延长水平跨距充分利用试验水池的水平空间为可选之举.经计算发现,简单的增加水平跨距会使得垂向力-水平位移特性无法保证,若增加重块重量又会使得重块触底而引起无法量化的沿系泊缆轴向的摩擦力.Spar平台采用的是张紧式的系泊缆,本文提出采用如图4所示的装置来延长水平跨距,在原系泊点处设置重量较大的圆柱滚轮,大刚度缆索使得圆柱滚轮不发生轴向位移,从而不会引起轴向摩擦力,圆柱滚轮绕新系泊点的横向自由滚动相当于延长了水平跨距,同时垂向力也得到了保证.(3)基于动力特性一致进行优化.系泊缆的动力特性非常复杂,目前主要是考虑流和波浪在系泊缆上的作用力一致.本文基于水下体积相等确定了系泊缆的直径.最后确定的水深截断系泊缆的参数如表2所示,截断水深和全水深系泊缆的形状如图5所示.图中,R为平台中心至系泊缆的水平距离.重块的水中重量为733kN,位于下段钢丝绳的上端.跨距延长装置由水中重量6MN的圆柱滚轮和长度990m的大刚度缆索组成,位于下段钢丝绳的末端.2.3系泊系统垂向回复力水深截断系泊系统和全水深系泊系统的水平回复力特性曲线、垂向回复力特性曲线、垂向力-水平位移特性曲线、纵荡纵摇耦合特性曲线如图6所示.图中:xG、zG分别为平台重心的水平位移和垂向位移,水平位移的正向为0°方向,负向为180°方向;Fx为系泊系统沿x方向的水平回复力;Fz为系泊系统垂向回复力;My为系泊系统绕y轴的系泊缆力矩.1#(9#)和5#系泊缆的顶端张力-水平位移特性曲线如图7所示.图中,FL1、FL5分别为1#(9#)和5#系泊缆的顶端张力.虽然最大限度利用了水池的水平空间,但水平截断依然存在,使得180°和0°方向上的系统水平回复力特性仍然难于同时保持和全水深一致,如图6(a)所示,0°方向上水深截断系泊系统的水平回复力的绝对值偏小.为了保证系统的水平回复力一致,单根系泊缆的刚度明显降低,但趋势依然一致,如图7所示.为了减小由于垂向截断引起的夹角的快速变化,水深截断系泊系统选取了较全水深大的α0,使得初始垂向力偏大,如图6(c)所示,但由于斜率一致,可认为垂向刚度一致,如图6(b)所示.初始垂向力的差别约占Spar平台排水量的0.1%,可通过改变压载进行调节.总体来说,根据本文的等效设计原则,水深截断系泊系统的设计符合要求.3平台系统的中断深水模型试验3.1试验设计和模型截断水深模型试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,按照水深截断系泊缆的参数和缩尺比制作了系泊缆模型.试验内容包括静水模型试验、白噪声试验和多工况的风、浪试验.风浪试验中没有对流进行模拟.限于篇幅,本文给出了墨西哥湾百年一遇海况下的海洋环境条件.百年一遇海况下的风速为38.6m/s,模型值为3.86m/s.波浪谱采用的是JONSWAP谱,百年一遇海况下的有义波高为12.59m,模型值为12.59cm,谱峰周期为14.5s,模型值为1.45s.3.2系泊缆顶格试验考虑到本文研究的重点,列举了180°和0°浪向的试验结果.试验中波浪测量谱和目标谱的比较如图8所示.图中,Sζ(ω)为波浪的谱密度函数.Spar平台纵荡、垂荡和纵摇的功率谱如图9所示.图中:Sx(ω)、Sz(ω)、Sθ(ω)分别为纵荡、垂荡和纵摇的谱密度函数.1#、9#和5#系泊缆顶端张力的功率谱如图10所示.图中,SFL(ω)为系泊缆顶端张力的谱密度函数.试验结果统计值如表3所示.表中:θ为纵摇角;FL1、FL5、FL9分别为1#、5#和9#系泊缆的顶端张力.垂荡的响应谱和统计值在2个方向均较接近.纵荡、纵摇、及系泊缆顶端张力响应谱和统计值在2个方向上有一定差别,这也说明在水深截断系泊系统等效设计时同时考虑180°和0°方向上的静力特性与全水深系统的等效是必要的.4深水断层系泊系统的等效设计(1)水平截断导致水深截断系泊系统的水平回复力特性难于在所有方向上与全水深保持一致,其影响不可忽视,应尽可能利用试验水池的水平空间,采用适当的跨距延长