深水多功能半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題研究.pdf

1、海洋蘊(yùn)藏著極為豐富的資源。美國(guó)的墨西哥灣、歐洲的北海、西亞的波斯灣、北非海域以及南中國(guó)海域，都是世界各國(guó)開(kāi)發(fā)海洋石油資源的重要活動(dòng)場(chǎng)所。目前，海洋石油工業(yè)正在逐步向更深的水域發(fā)展，比如墨西哥灣、巴西、非洲西部、北大西洋與挪威海，水深都在1000～3000m范圍內(nèi)。 我國(guó)擁有廣闊的大陸架，現(xiàn)已探明有工業(yè)價(jià)值的海上油氣田就包括渤海、黃海、東海和南海的所有中國(guó)海域，已形成了年產(chǎn)1000萬(wàn)噸原油的生產(chǎn)能力，海洋石油已成為我國(guó)重要的原油生

2、產(chǎn)基地。目前我國(guó)油氣資源開(kāi)發(fā)主要是在200米水深以下的海域，深海平臺(tái)技術(shù)的研究尚處于起步階段，在面臨世界各國(guó)對(duì)人類(lèi)共同擁有的深海資源激烈競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)下，須高度重視對(duì)深海平臺(tái)技術(shù)的研究。用于油氣開(kāi)采工作的平臺(tái)有固定式平臺(tái)和移動(dòng)式平臺(tái)兩大類(lèi)，移動(dòng)式鉆井平臺(tái)克服了固定式平臺(tái)不能重復(fù)使用的缺點(diǎn)，并大大增加了工作水深。移動(dòng)式海洋石油鉆井設(shè)備擁有自己的浮力結(jié)構(gòu)，可以由拖船拖著移動(dòng)。有的還擁有自己的動(dòng)力設(shè)備，可以自航。移動(dòng)式海洋鉆井設(shè)備包括：坐底式平臺(tái)

3、、自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和鉆井船。其中半潛式平臺(tái)是目前適合于較深水域作業(yè)的先進(jìn)平臺(tái)，它既能克服鉆井船的不穩(wěn)定性又能在較深水域中作業(yè)。系泊定位系統(tǒng)是半潛式平臺(tái)的重要組成部分，系泊系統(tǒng)包括動(dòng)力定位和傳統(tǒng)錨泊定位，其中傳統(tǒng)錨泊方式在深水應(yīng)用也非常廣泛，特別是多種成分錨泊線構(gòu)成的錨泊系統(tǒng)。 本論文針對(duì)多成分懸鏈線錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是新的材料和新的方式的應(yīng)用所帶來(lái)的發(fā)展，對(duì)深水半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。對(duì)于多成分錨泊系

4、統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題作了以下工作。 1.多成分錨泊線的懸鏈線理論的研究錨泊線在水中是大變形柔性結(jié)構(gòu)，其力和位移的求解依賴于沿線方向積分和求解非線性方程組。本論文推導(dǎo)了多成分懸鏈線方程組和多成分錨泊線的組合剛度系數(shù)矩陣，為多成分錨泊線的計(jì)算和分析進(jìn)行理論的研究和準(zhǔn)備。本論文還對(duì)有彈性錨泊線的懸鏈線方程進(jìn)行推導(dǎo)，并對(duì)彈性的處理給出適當(dāng)?shù)姆治龇椒?。?duì)剛度較大的錨鏈、錨索或彈性較大的纖維繩等都適用這一方法。 2.多成分錨泊線的優(yōu)化設(shè)計(jì)模

5、型及方法的研究錨泊系統(tǒng)在深水中通常采用錨索或錨鏈等多種成分合成的錨泊線來(lái)降低錨泊系統(tǒng)的重量，因而涉及參數(shù)較多給錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析帶來(lái)不便。針對(duì)這一問(wèn)題，本論文基于準(zhǔn)靜定分析和所推導(dǎo)的一定水深下多成分錨泊線懸鏈線方程組，并考慮錨泊線組成成分的特征參數(shù)對(duì)錨泊系統(tǒng)回復(fù)力的影響，建立了一種深水多成分錨泊線的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析新模型。研究多目標(biāo)函數(shù)模型的求解方法，分別采用多目標(biāo)優(yōu)化和遺傳算法優(yōu)化方法選擇出最佳模型參數(shù)，將之應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)例。最后，將這一模型

6、與錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合，引入圖譜設(shè)計(jì)方法提高求解效率，對(duì)南海2號(hào)半潛式平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)的深水改造進(jìn)行分析求解，得到有益結(jié)論。此方法已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)枮椋?00410024881.7，公開(kāi)號(hào)為：1583504。 3.錨泊線與海底接觸的有限元建模及求解針對(duì)錨泊線與海底接觸的非線性問(wèn)題，本論文建立了錨泊線與海底接觸的有限元模型，求解非線性方程得到水中錨泊線的空間形態(tài)和應(yīng)力分布數(shù)值，并分析了導(dǎo)纜孔的應(yīng)力隨時(shí)間的變化。對(duì)于單一成分

7、和多成分錨泊線進(jìn)行比較和分析，分別采用彈塑性或彈性的土體本構(gòu)模型對(duì)海底基礎(chǔ)建立了有限元分析模型。通過(guò)加入動(dòng)態(tài)環(huán)境力，分析和比較海底的摩擦、海底彈性模型和彈塑性模型對(duì)錨泊線動(dòng)力、位移的影響。全面的分析錨泊線橫、縱剖面方向錨泊線與海底接觸引起的應(yīng)力和變形，為錨泊線的設(shè)計(jì)提供有益的分析方法和結(jié)論。 4.錨泊線的動(dòng)力分析單根錨泊線和錨泊系統(tǒng)的整體動(dòng)力響應(yīng)是錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要分析內(nèi)容。忽略海底摩擦的影響，本論文根據(jù)設(shè)計(jì)波方法提出了一種進(jìn)行

8、錨泊線動(dòng)力分析的時(shí)域方法。用于對(duì)稱(chēng)式布置的錨泊線的動(dòng)張力和空間位移的計(jì)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)多成分錨泊線和單一成分錨泊線的動(dòng)張力和導(dǎo)纜孔的位移進(jìn)行分析和比較，為多成分錨泊線的動(dòng)張力分析提供一種效率較高的實(shí)用方法。 5.考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的錨泊系統(tǒng)動(dòng)力分析海洋平臺(tái)在外載荷作用下的運(yùn)動(dòng)對(duì)錨泊系統(tǒng)的張力和位移的影響分析是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性問(wèn)題。本文考慮錨泊系統(tǒng)導(dǎo)纜孔處半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，忽略阻尼和粘性，考慮錨泊系

9、統(tǒng)和浮體受海浪和海流作用時(shí)錨泊系統(tǒng)的張力和位移。對(duì)迎浪和浪后的錨泊線的張力和位移作詳細(xì)的分析。 6.多成分錨泊系統(tǒng)分析策略的建立總結(jié)論文中對(duì)多成分錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題，比如初步設(shè)計(jì)階段的多成分錨泊線的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；對(duì)錨泊線與海底接觸的非線性問(wèn)題分析；以及考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)后的錨泊線動(dòng)力計(jì)算研究成果，借鑒傳統(tǒng)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程，本論文將這些研究成果應(yīng)用于實(shí)際的系泊項(xiàng)目——“南海2號(hào)”半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的深水改造設(shè)計(jì)，綜合整理

10、提出深水多成分錨泊系統(tǒng)的系統(tǒng)分析和計(jì)算的過(guò)程。 錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求，在滿足規(guī)范要求的前提下，結(jié)合錨泊系統(tǒng)靜動(dòng)力分析的結(jié)果，確定最合適的錨泊系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備和錨泊線的組成成分。多成分錨泊線組成的錨泊系統(tǒng)的研究是一個(gè)新的領(lǐng)域。本論文立足于實(shí)際工作，從設(shè)計(jì)任務(wù)要求出發(fā)，針對(duì)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的非線性問(wèn)題，進(jìn)行了一系列的研究：研究了初步設(shè)計(jì)階段，錨泊系統(tǒng)的組成成分相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化選擇方法；研究了海底與錨泊線接觸的交互作用，以及