深水S-Spar平臺水動力性能及其立管系統(tǒng)疲勞特性研究.pdf

1、隨著人類石油勘探開發(fā)逐漸向深水領域擴展,涌現(xiàn)了許多新型的適應深海海洋環(huán)境的平臺。與其他形式的平臺相比,Spar平臺的適用水深范圍大,運動性能和穩(wěn)定性好,已經成為世界深海油氣開采的主力平臺類型之一。Spar平臺已經由第一代Classic Spar平臺、第二代Truss Spar平臺發(fā)展到第三代Cell Spar平臺。目前我國在此領域的研究還處于起步階段,且特殊的環(huán)境條件對Spar平臺的設計和研究提出了新的挑戰(zhàn)。因此,急需開展新型Spar平

2、臺概念設計及其水動力性能等方面計算和模型試驗研究。
　　 本文結合Classic Spar和Truss Spar平臺的優(yōu)點,基于極深水和海洋內波等特殊的海洋環(huán)境條件,提出一種新型S-Spar平臺,并設計了半張緊半懸鏈線式的系泊系統(tǒng)。S-Spar平臺采用圓柱形中央井連接軟硬艙,并在連接段的中央井外設置了三層垂蕩板。S-Spar平臺獨特的封閉式中段能夠有效避免頂張式立管等設施因內波高流速引起嚴重的渦激振動,還可以安裝更長的浮筒,不需

3、要采用輕質金屬便能提供足夠的頂張力,使用的水深范圍更大。此外,中段的獨特設計還減少了鋼材的消耗量,有效的提高了平臺的有效荷載。
　　 采用三維勢流理論分析平臺在頻域內的運動響應,計算了作用在平臺主體上的波浪載荷、附加質量和勢流阻尼系數(shù)以及運動響應傳遞函數(shù)等。計算結果表明,新型S-Spar平臺的附加質量和阻尼都達到了良好的量級,具有良好的運動性能,所得的頻域計算結果將進一步用于平臺的時域耦合分析計算。
　　 采用DeepC

4、軟件建立了S-Spar平臺和‘Horn Mountain’Truss Spar平臺的耦合分析模型,考慮風、浪、流等環(huán)境荷載的作用和系泊系統(tǒng)的非線性影響,進行了時域耦合分析。得到了兩種Spar平臺的波浪荷載(包括一階波浪激勵力和二階波浪力)、運動位移時程、運動響應譜、系泊纜的張力時程和張力極值等,并對兩種Spar平臺的結果進行了比較。結果表明,S-Spar封閉式的中段并沒有引起平臺主體承受的波浪荷載的明顯增大；在極端風浪流環(huán)境荷載的作用下

5、,S-Spar平臺各自由度的運動響應要優(yōu)于‘Horn Mountain’Truiss Spar平臺,其系泊纜的張力極值和張力變化幅值也的得到了很好的控制,因此新型S-Spar平臺保持了傳統(tǒng)Spar平臺良好的運動性能,能夠適應深海油氣的開采。
　　 Spar平臺常采用TTR作為海面與海底井口間的主要連接件,現(xiàn)在對Spar平臺TTR系統(tǒng)的研究多針對單根立管,即不考慮Spar平臺的影響,尤其是TTR的渦激振動分析。本文最后基于S-Sp

6、ar平臺,對其頂張式立管渦激振動疲勞特性進行了研究,主要包括S-Spar平臺對立管保護作用研究、Spar平臺對其頂張式立管(TTR)固有頻率和渦激振動疲勞損傷的影響、Spar平臺VIM運動對其TTR疲勞損傷的響應,得出以下結論:
　　 1)新型S-Spar平臺的封閉式中段不僅能夠保護平臺中段的立管,還能有效的減小整根立管的疲勞損傷。S-Spar平臺對平臺長度范圍內立管及導向環(huán)支撐位置處立管的保護作用最為明顯,且隨著流速的增大保護

7、作用增強。
　　 2)Spar平臺中央井內的導向環(huán)對TTR提供側向支撐作用,使得有Spar平臺時TTR的固有頻率會高于無Spar平臺模型,對于本文的頂張式立管,固有頻率誤差最大可達11.12％。
　　 3)不考慮Spar平臺而采用簡化的單根管模型對TTR進行渦激振動疲勞損傷計算使立管的疲勞設計偏于危險。本文的頂張式立管在南海海域各流速的作用下,有Spar平臺的立管疲勞損傷為單根管模型計算結果的2.598倍。
　　

8、 4)VIV疲勞損傷與VIM疲勞損傷耦合計算時,Spar平臺VIM運動可以降低TTR的疲勞損傷。忽略Spar平臺VIM運動而對TTR進行疲勞壽命預報會使結果偏于保守。
　　 本論文的創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在:綜合Classic Spar和Truss Spar平臺的優(yōu)點,考慮極深水和海洋內波等特殊海洋環(huán)境條件,提出一種新型S-Spar平臺,并完成了時域和頻域內的運動響應分析；基于S-Spar平臺,從S—Spar平臺對立管保護作用、Sp