S-Spar平台方案设计及水动力性能研究

于卫红 黄维平

(中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室)

S-Spar平台方案设计及水动力性能研究

于卫红 黄维平

(中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室)

针对我国南海特殊的环境条件,结合Classic Spar和Truss Spar平台的优点,设计了一种新型Spar平台——S-Spar平台。S-Spar平台采用圆柱形中央井壁连接软、硬舱,并在连接段的中央井外设置了垂荡板:能够有效避免立管等设施因内波高流速引起的严重的涡激振动,还可以安装更长的浮筒,提供较大的顶张力,因而能适应更大的作业水深。以南海1 500m水深环境条件进行了方案设计和水动力研究。S-Spar平台的有效载荷与Truss Spar平台相当,其圆柱形中央井的承压能力优于 Truss Spar平台方形截面中央井;S-Spar平台纵荡、垂荡和纵摇运动的固有周期都远离南海波浪周期范围,且避开了纵摇的不稳定区,因此具有良好的运动性能,适合在南海海域使用。

S-Spar平台 方案设计 水动力性能 南海 内波 垂荡板

适用于深海环境作业的诸多平台中,Spar平台由于其圆柱形浮体延伸至水面以下相当深度处,水面波浪对其影响小,结构运动的固有频率远离波浪的峰值频率,因而适用水深范围较大(大于1 800 m),有效载荷较高,运动性能、稳定性及受力情况较好[1];此外,Spar平台可以采用刚性立管和干采油树也是优点之一。目前 Spar平台已经由第一代Classic Spar平台、第二代 Truss Spar平台发展到第三代Cell Spar平台[2-3]。各代Spar平台之间的区别主要集中在主体结构上。Classic Spar平台主体结构为一长封闭式单柱圆筒结构,直径为20～40m,吃水可达200m[4],由于圆柱形浮体延伸至水面以下相当深度处,水面波浪对其影响小,运动性能、稳定性及受力情况较好,适合深水使用,但较长的大直径壳体使平台的有效载荷降低,且要承受较大的环境载荷,特别是内波载荷[5]。Truss Spar平台用一个空间桁架代替了Classic Spar平台的封闭式圆筒中段,并设置了垂荡板以增加平台的垂向附加质量,使平台垂向运动阻尼比未设垂荡板的Spar平台增大一倍[6],因此可通过改变垂荡板参数来调整 Truss Spar平台的垂荡响应。Truss Spar平台的桁架式中段虽然可以减小环境荷载的作用,但却使中央井内的立管直接承受浪、流载荷的作用。在我国南海环境条件下,桁架段处于内波的作用范围(水深100～120m),因此内波的高流速将引起立管严重的涡激振动[7],危及平台的安全。此外,桁架结构也限制了浮筒长度(浮筒不能超出硬舱而进入桁架中段,否则将承受到较大的环境荷载),从而限制了顶张式立管的顶张力,也限制了 Truss Spar平台的应用水深范围。Truss Spar平台虽然减少了用钢量,但在深水应用时必须采用轻质金属制作浮筒,这无疑将增加投资成本。结合上述两种Spar平台的特点,并考虑我国南海特殊的海洋环境条件(海洋内波),提出了一种新型 Spar平台概念——S-Spar (Slender Spar)平台。

1 S-Spar平台概念

S-Spar平台总体结构如图1所示。S-Spar平台的主体长度为180m,其结构形式和主体尺寸都介于Classic Spar和 Truss Spar平台之间,但中央井中段采用了圆柱形以减小环境载荷对平台的作用,并在中段上布置了垂荡板。采用这种变壳体形状和垂荡板技术,S-Spar平台的垂荡附加质量和粘滞阻尼都能得到提高,可以有效地改变垂荡运动周期,使其远离波浪周期,从而避免垂荡共振的发生[8]。

作为对Classic Spar平台和 Truss Spar平台改进设计的结合体,S-Spar平台有望提高在波浪中运动和受力的总体性能并加大平台适应水深的范围,其方案设计的主要优点是:①中央井采用了圆柱形结构,在水压作用下其刚度性能优于方形中央井的平板结构(利用DNV船级社的SESAM软件进行计算分析,结果表明,在相同尺寸、板厚、扶强材布置及静水压力(502.25kPa)下,方形中央井平板的最大变形约是圆形中央井壁最大变形的7.55倍);②硬舱和软舱由圆柱形中央井连接,与Classic Spar平台相比能够减小主体结构受到的环境载荷,与Truss Spar平台相比能够有效地保护中央井内的立管和其他钻井设施免受内波高流速引起的严重涡激振动,这对适用于有内波的南海海域尤为重要;③SSpar平台具有Classic Spar平台的深吃水特点,可有效防止波浪的激扰,又引入了垂荡板技术,可有效减小平台的垂荡效应;④与 Truss Spar平台相比, S-Spar平台可以安装更长的浮筒,因而能够提供更大的顶张力,适用更大的水深范围。

2 S-Spar平台设计

2.1 主体结构

S-Spar平台是针对我国南海环境特点设计的采油平台,其结构主要包括图1中的3层上部甲板、主体结构和系泊系统等。S-Spar平台的工作水深设定为1 500m,中央井内可容纳16根直径为304.8mm的刚性立管。平台甲板布置有采油和修井等油气生产设备,还包括2条油气输出钢悬链线立管。

S-Spar平台的硬舱由圆柱形外壁和圆柱形中央井壁围成的密闭结构组成,提供整个平台的浮力。为保证平台具有较好的抗沉性,硬舱内部用水平舱壁和竖直舱壁分隔成许多小舱室,并设有可变压载舱来调节平台的吃水和浮态。中段中央井壁提供硬舱和软舱的刚性连接,井壁外侧水平布置了数层垂荡板。软舱的结构同硬舱类似,设置了临时浮舱和固定压载舱,其中底部的固定压载舱主要负责提供压载,以保证平台在扶正过程中具有足够的回复力矩,并提供平台的部分稳定性。

S-Spar平台主体的最小尺寸根据中央井尺寸确定。主体尺寸的确定及舱室的划分主要考虑了以下因素:①提供足够的浮力;②具备足够的静稳性;③具备足够的回复力;④具有良好的抗沉性;⑤垂荡板的设置层数和间距要保证平台具有较好的垂荡性能;⑥软舱的高度要保证平台在扶正过程中具有足够的回复力矩[9]。

2.2 垂荡板

Spar平台通常配备刚性立管,这类立管和一些生产设备对平台的垂荡运动性能要求很严格。为了避免平台与波浪产生共振,应使平台的垂荡固有周期远大于波浪周期。通常采用增加结构吃水和附加质量的方法来增大Spar平台的垂荡固有周期[1],但由于增加结构吃水会增加平台的用钢量,因此增加附加质量是首先被采用的方法。关于垂荡板可以增加主体垂向附加质量的问题,现有研究成果表明影响垂荡板性能的主要因素为:①垂荡板的数目及间距;②垂荡板厚度及扶强材尺寸;③垂荡板的面积及开孔[10]。Prislin[11]的实验说明了垂荡板(方形)数目和板间距的影响:当垂荡板形状比 H/L>1.5(H为板间距,L为板宽)时,每块板上的附加质量跟只有一块板时几乎相同;当形状比 H/L在0.70～0.75范围内时,每块板上的附加质量为单块板时的85%～95%。可见板间距缩小超过一定限度时会使设置的垂荡板效率下降,因此不可盲目增加垂荡板数目。Troesch的实验证明[9]:当板的厚度超过宽度的1/50时,阻尼效果将会显著降低。这里的“厚度”包括了板边缘处扶强材的高度,所以限制了板边缘处厚度和扶强材高度,并将扶强材从板边缘适当进行了内移。根据以上讨论即可确定垂荡板的间距、厚度及板面积。

在垂荡板上适当开孔会增加板与水接触的周长,产生更多的漩涡脱落,从而提高阻尼效果。因此,垂荡板上全部开孔面积一定时,在保证2个开孔之间板材具有足够连接强度的条件下,应尽可能增加开孔数量;考虑到面积相同时圆孔比方孔的周长大,所以选择了正方形开孔,并针对方孔棱角处易产生裂纹的问题,将方孔的棱角制成了圆角(图2)。

图2 S-Spar平台垂荡板示意图(m)

2.3 系泊系统

系泊系统的设计原则是:在最小运动和最大系泊力之间寻求平衡,选择出系泊系统最适宜的刚度。S-Spar平台系泊系统设计基于传统的悬链线理论,忽略作用在系泊缆上的环境载荷(浪、流力)和系泊缆自身的动力效应(振动),仅考虑缆的重力及浮力作用,采用迭代法求解悬链线参数,最后得出系泊刚度随系泊缆与水深方向夹角φ变化的关系曲线(图3)。从图3中可以看出,夹角φ越大系泊刚度越大。但是,如果φ太大,系泊系统在海底的覆盖面积就太大,系泊缆长度就太长,经济性就差;而且系泊系统刚度太大时,系泊缆的强度难以满足。因此,设计系泊系统时需综合考虑各种因素的影响。

图3 S-Spar平台系泊系统系泊刚度随系泊缆与水深方向夹角φ的变化

S-Spar平台采用半张紧式系泊系统,该系统由16根系泊缆组成,分成4组对称布置(图4)。根据已有Spar平台系泊系统数据,设单根系泊缆下锚点距S-Spar平台的水平距离为2 057m,导缆器距海底1 440m,系泊缆长度为2 514m。每根系泊缆由锚链-尼龙缆-锚链三段组合而成,缆的一端与海底锚基连接,另一端穿过导缆器与张紧器相连,通过调节张紧器可改变系泊缆的张力,使系泊系统的刚度达到设计要求。

图4 S-Spar平台系泊系统示意图

3 水动力分析

3.1 基本计算理论

当S-Spar平台在规则波浪场中受到波浪载荷作用时,平台作振荡运动。对一个在波浪场中微幅运动的大尺度结构物来说,波浪载荷的作用可分解为绕射作用和辐射作用两部分。本文应用势流理论对S-Spar平台进行了数值分析。在一阶势流计算中对自由表面进行了线性化,同时在二阶势流计算中考虑了非线性自由表面的情况。通过Green函数边界元积分得到了平台湿表面的辐射势和散射势。在流体域中速度势Φ满足控制方程Laplace方程

定义一复速度势φ,它与Φ的关系为

式(1)中:ω为入射波频率;t为时间。那么相应的边界值问题可以由带有复速度势φ的项表达。线性化的自由表面为

式(2)中:K=ω2/g。入射波的速度势定义为

式(3)中:波数 k为色散关系中的实根;β为入射波方向同x轴正向之间的夹角。由线性化的假设,可将速度势φ分解为绕射势φD和辐射势φR。

应用上述理论得出S-Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇3个自由度的荷载RAO(响应振幅算子)分别如图5～7所示。

平台运动的复向量 X(ω,β)可由下式表达,其中包含了附加质量、阻尼和作用在面单元上的激励力。

式(4)中:M表示质量矩阵;A(ω)表示频域下的附加质量矩阵;B(ω)p表示频域下的势流阻尼矩阵;Bv表示粘性阻尼矩阵;C表示静水回复力矩阵;Ce表示外部回复力矩阵;F(ω,β)表示当波浪入射角为β、入射频率为ω时的激励力矩阵。

在式(4)中,频域下的粘性阻尼矩阵Bv可通过将Morison公式中的拖曳力项线性化成与速度的一次方成正比而得到。拖曳力项可表示为

将式(5)中 vacosωt|vacosωt|进行傅里叶展开,取其一阶项可近似得到

式(5)、(6)中:CD为拖曳力系数,它的取值与结构物形状、雷诺数和 Kc数等有关[12];v为平台与水质点的相对速度,m/s;va为平台与水质点相对速度的幅值,m,其中水质点的速度采用线性波理论来计算。

3.2 计算结果及分析

应用势流理论,以挪威船级社的SESAM程序系统作为主要分析工具,研究了S-Spar平台的运动性能。在进行水动力计算之前,首先建立Panel模型计算动力载荷、附加质量和阻尼,其次建立Mass模型模拟平台的质量分布,然后利用WADAM模块进行水动力分析。

S-Spar平台的水动力特征包括平台的稳性、质量、阻尼和回复力等,这些特征决定着平台的运动响应:①S-Spar平台的重心大约位于硬舱和中段的连接处,浮心与重心间的距离为6.4m,由于浮心一直高于重心,因此能保证平台稳定。②S-Spar平台甲板重量为120 000kN,主体重量为171 780kN,有效载荷可达到主体重量的 70%;一般来说,Classic Spar平台的有效载荷不超过主体重量的 45%, Truss Spar平台的有效载荷能达到主体重量的70%[5]。S-Spar平台由于减少了中段钢材使用量,有效载荷大大超过了 Classic Spar平台,与 Truss Spar平台相当。③增设垂荡板使S-Spar平台垂荡方向的附加质量增加到2.951×107kg;图8和图9分别示出了S-Spar平台纵荡和纵摇方向上的附加质量系数与波浪频率的关系曲线,说明S-Spar平台纵荡和纵摇自由度的附加质量达到了很好的量级。④S-Spar平台的垂向刚度主要来自于它的水线面面积,系泊系统的垂向刚度与静水压力引起的垂向刚度相比可以忽略不计[1],因此在水动力分析过程中只考虑了系泊系统的水平刚度。系泊系统水平刚度的取值采用了图3中的计算结果。

在S-Spar平台6个自由度的运动中,纵荡和纵摇运动相互耦合,横荡与横摇运动相互耦合,垂荡和首摇运动均独立于其他5个自由度的运动[13],考虑到对称性以及Spar平台运动特点,仅给出了纵荡、垂荡和纵摇运动的计算结果。图10～12为波浪入射方向为0°时S-Spar平台纵荡、垂荡和纵摇运动的RAO。

图10 S-Spar平台纵荡RAO

由RAO传递函数的频率-响应曲线可以获得S-Spar平台纵荡、垂荡和纵摇运动的固有周期分别为392.7、23.2和51.9s。墨西哥湾和南海海域百年一遇的计算波浪谱峰周期分别为 14.5s[14]和16.1s1)OFFSHORE OIL ENGINEERING CO.,L TD.SCR&TTR design basis(1 500m SPAR),2007.,由此可知,S-Spar平台在这3个自由度的运动固有周期都远离了上述2个海域波浪的谱峰周期,因此能够有效地避开波浪能量集中的周期范围。在南海百年一遇环境条件下,纵荡、垂荡和纵摇运动的响应幅值分别为5.85m、0.66m和2.71°;通常海况下,Spar平台纵摇幅值在±4°范围内,垂荡运动幅值在±2m范围内[15]。可见,极端环境条件下Spar平台在3个方向上的运动幅值都控制在了合理的范围。研究表明,当Spar平台纵摇固有周期为垂荡固有周期的2倍时,即使在小波浪作用下,也会产生垂荡运动和纵摇运动的非线性耦合(Mathieu不稳定性)[16],此时大幅度的垂荡运动将引起初稳性高(GM)的显著变化,最终导致纵摇运动的不稳定性[4]。S-Spar平台的纵摇运动固有周期与垂荡运动固有周期之比避开了不稳定区,不会发生垂荡共振,避免了纵摇的不稳定运动。

4 结论

(1)本文设计的S-Spar平台由于减少了主体中段钢材的使用量,有效载荷大大超过了Classic Spar平台,与 Truss Spar平台相当。

(2)南海内波的最大波动出现在100～120m水深范围[17],S-Spar平台的结构形式能够有效地保护立管等设施,使其避免因内波高流速引起的严重的涡激振动;S-Spar平台还可以安装更长的浮筒,提供更大的顶张力,因而适用于较大的水深。

(3)S-Spar平台采用了变壳体形状和垂荡板技术,可以使平台纵荡、垂荡和纵摇运动的固有周期远离南海波浪周期范围,因此平台波频运动不明显,能够适应南海的特殊环境条件。

对于S-Spar平台,垂荡运动对二阶波浪的共振问题值得关注,进一步的工作将是对S-Spar平台开展模型实验及二阶慢漂问题研究。

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(编辑:张金棣)

Abstract:Base on the special environmental condition of South China Sea and the characteristics of Classic Spar and Truss Spar platforms,a new type of Spar platform called S-Spar is designed.The wall of cylindrical central well is employed in the S-Spar platform to connect the hard tank and soft tank,and the heave plates are installed in the midsection of the S-Spar platform to protect risers from VIV induced by the high velocity of internal waves.Besides,S-Spar platform can set more buoys and provide larger top tension,so as to be adapted to the operations in deeper waters.The concept design and hydrodynamic analysis of SSpar platform are conducted for1500meter waters of the South China Sea.The calculation results indicate that the percentage of effective loads for SSpar is equivalent to Truss Spar.The bearing capability of the cylindrical central well is better than the square one of Truss Spar.Surge,heave and pitch natural periods of S-Spar platform are away from the wave frequencies range of the South China Sea and the instability zone of pitch.So the SSpar has excellent motion behavior and can be applied to the South China Sea.

Key words:S-Spar platform;concept design;hydrodynamic performance;the South China Sea;internal waves;heave plates

Concept design and hydrodynamic analysis of S-Spar platform

Yu Weihong Huang Weiping
(Shandong Key L aboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China,Shandong,266100)

2009-07-17 改回日期:2009-09-01

于卫红,女,在读硕士研究生,主要从事深海浮式结构波浪载荷及动力响应研究。地址:山东省青岛市崂山区松岭路238号(邮编:266100)。