张紧式系泊方式对深水半潜平台性能影响研究

范亚丽, 吴宝山, 缪泉明

(中国船舶重工集团公司第七O二研究所,无锡 214082)

张紧式系泊方式对深水半潜平台性能影响研究

范亚丽, 吴宝山, 缪泉明

(中国船舶重工集团公司第七O二研究所,无锡 214082)

张紧式系泊是一种适用于深水定位的系泊方式。针对作业水深为2 000 m的半潜式钻井平台,设计了不同的张紧式系泊布置方案,通过系泊系统耦合分析,对方案逐步优化,最终确定系泊系统参数。并在确定的系泊布置形式下,分析了平台作业状态下的运动性能,可为平台系泊系统设计提供参考。

张紧式系泊;半潜式钻井平台;耦合分析

Abstract:The taut-mooring system is a type of mooring technique suitable for deep water positioning.This paper investigates the effect of different taut-mooring systems on semi-submersible platforms working in the water depth of 2 000 m by applying coupled analysis method.The optimized parameters of the mooring system for the platform are recommended and then the analyzed results of the motion and mooring force of the platform with the mooring system are presented.The results can be a reference for the design of deep water mooring systems.

Key words:taut-mooring;semi-submersible platforms;coupled analysis

0 引言

图1 悬链线系泊系统

图2 张紧式系泊系统

任何一种浮式平台,都需要借助定位系统,长期作业于海洋环境中。这类浮式平台不像一般船只那样,在恶劣海况时,可以避航,加之海上油气生产作业要求平台具有低幅运动特性,因而,定位系统的设计选择显得非常重要。目前采用的定位方式分为3种:锚泊定位、动力定位以及动力定位+锚泊辅助。其中锚泊定位采用最普遍,这种方法很早就在船舶上应用,具有结构简单、可靠、经济性好等优点。锚泊系统一般分为两种形式:悬链线系泊系统和张紧式系泊系统[1],见图 1、图 2。

悬链线系泊系统由钢链或钢缆组成,通常只用于1 000 m以内的水深,当水深超过1 000 m时,不仅造价极高,而且带给结构物巨大的重量。由于系统提供的回复刚度随水深的增加而降低,致使平台在极限海洋环境条件下产生较大的水平偏离。张紧式系泊系统中系泊缆索以一定的角度到达海底,这个角度一般为30°～45°,在抛锚点处既要受到水平力,又要承受向上的力,其回复力由缆索的轴向刚度提供[2]。受力方式的改变,使锚基受到随着缆索的长度增加而减少的垂向力作用,因此张紧式系泊系统对锚基要求更高。

与悬链线系泊系统相比,张紧式系泊系统具有以下优点:①提供较大的回复刚度,水平偏移量减小;②同水深时,张紧式系泊所需系泊缆索长度较短,节约了成本;③具有更小的系泊半径,系泊基础占用的海床面积小,减少了与其他水下设施相碰撞的危险[3,4]。

本文中平台采用张紧式系泊方式,通过耦合分析研究系泊参数变化对整个系统运动和受力的影响,并对工作水深2 000 m的半潜式钻井平台的系泊系统进行选型研究。

1 耦合分析原理

随着半潜式平台向深海发展,为准确预报平台运动响应,必须充分考虑系泊系统的粘性效应、惯性质量、流载荷和回复力。平台响应和系泊系统响应不应单独求解,而应将系泊系统和平台系统整体考虑为动态系统联合求解。求解这类问题已经有比较成熟的软件可以应用,如DNV研发的船舶与海洋结构物分析软件SESAM功能强大,其DeepC模块专门针对平台整个系统的耦合问题进行求解。

耦合分析时,把平台船体和锚链、立管系统看作一个整体系统作为分析对象,同时求解由系泊系统动力特性和平台船体6个自由度刚体运动方程组成的整体系统运动方程。平台船体和锚链、立管系统的响应在每个时间步中同时求解,这样既考虑了平台船体对锚链、立管系统的影响,也考虑了锚链、立管系统对平台船体的影响。深水平台系统耦合运动方程可以表达为

式中:RI、RD、RS分别表示惯性力、阻尼力和内力矢量;RE表示外力矢量;r分别表示结构的位移、速度和加速度。惯性力和阻尼力通过下面方程给出:

式中:M是系统质量矩阵,包括结构质量及水动力质量(由流体作用和水动力作用引起的质量);C是系统的阻尼矩阵,包括内结构阻尼和水动力阻尼。

内力矢量的计算是基于单元每一瞬时的应力状态,外力矢量则包括重力、浮力、海洋环境力和特定力[5,6]。

2 平台主尺度及环境条件

2.1 主要参数

本文研究的深水半潜式钻井平台,工作水深2 000 m。平台关于 xz、yz平面对称,以两对称面与基平面的交点为坐标原点,由该坐标系给出平台主要参数,见表1。

除了高斯随机噪声和有界噪声之外，稀疏噪声也是经常遇到的噪声.将一个矩阵分解为一个低秩矩阵和一个稀疏矩阵的和的问题就是经典的主分量分析问题.Candes等在文献[7]中提出了新的恢复算法求解下面的最优化问题：

2.2 海洋环境条件

表1 平台主要参数

在系泊系统设计中,通常以百年一遇海况为设计工况,即采用最恶劣的风、浪、流组合工况:有义波高13.3 m、谱峰周期15.5 s;风速62.2 m/s;表面流速1.97 m/s。

3 系泊方式设计方案

本文研究对象是工作水深为2 000 m的半潜式钻井平台,在该水深条件下,本文采用张紧式系泊方式,通过对平台系泊系统的时域耦合分析,选择一套安全、经济的系泊系统。根据缆索数目不同,初步设计提出两种方案,缆索数目分别为4根、8根。两方案中缆索从导缆孔到海底都呈钢丝绳—聚酯绳—钢丝绳型式布置。

3.1 方案一

图3所示为4根缆索布置情况。对系泊系统进行耦合分析,还须考虑海洋环境条件,建立耦合分析的有限元模型,如图4所示。

图3 方案一示意图

图4 耦合分析模型

缆索材料中钢丝绳特性取为:直径170 mm,湿重 215 kg/m,轴向刚度9.28×108N,破断强度2.2×107N;聚酯绳特性取为:直径0.17 mm,湿重79.3 kg/m,轴向刚度8.275×108N,破断强度2.1×107N。

(1)缆索布置角度。缆索平面与 x轴夹角依次取为30°、40°、50°,见图5。以生存工况0°、90°浪向为研究工况进行系泊缆索耦合分析,结果见表2。

本文中安全系数定义为缆索破断强度与缆索最大张力的比值。表2结果显示,随着布置角度的增加,迎浪工况下平台最大偏移量稍有增加,缆索最大张力逐渐减小,而横浪工况下,平台最大偏移量依次减小,缆索最大张力呈先减后增的趋势,如图6、图7所示。根据这一规律,选择系泊缆索平面与 x轴布置角度为45°。

图5 缆索平面与 x轴夹角变化示意图

图6 最大水平位移随角度变化

图7 最大张力随角度变化

表2 不同布置角度统计结果

图8 最大水平位移随缆索长度变化

图9 最大张力随缆索长度变化

总结上述结果,可得到以下规

律:迎浪、横浪两种浪向下,平台偏移量都随缆索长度的减少而减小,缆索张力则随之增大。

(3)不同预张力。以缆索分段长度400 m-2 100 m-500 m,缆索平面与 x轴成45°布置为例,缆索预张力分别取为(×106)N:4.44、3.21、2.68。通过分析得到生存工况下的结果见表4,变化规律可通过图10、图11示意。

表4 不同预张力统计结果

图10 最大水平位移随预张力变化

图11 最大张力随预张力变化

由结果可知,缆索长度与布置角度保持不变,缆索预张力越大,则平台偏移量越小,缆索最大张力越大,安全系数减小。

综合(1～3)的研究,考虑各要素的关联影响,本文选择系泊系统参数为:分段长度400 m-2 000 m-500 m,系泊半径约为2 050 m,与 x轴成45°,该布置下,缆索预张力为3.86×106N。在生存工况下对该系泊系统进行静力、动力分析。静力分析得到的最大张力是3.86345×106N,安全系数达到5.43,计算中发现4根缆索张力沿绳长具有相似的分布,如图12。动力分析得到的统计特性见表5(摇晃角度迎浪工况指纵摇,横浪工况指横摇)。

表5 选定系泊系统动力分析结果

图12 缆索张力沿绳长变化

API规范规定,对于完整的系泊系统,采用静力分析时,缆索最大张力安全系数取为2.0,采用动力分析时,缆索最大张力安全系数取为1.67;风暴工况作业时平台最大水平位移不能超过水深的8%。以上计算结果表明,静力、动力计算缆索安全系数都满足要求,平台水平面内的最大偏移量是72.54 m,没有超过水深的4%。

3.2 方案二

对于8根缆索的系泊系统,布置角度对平台位移和缆索张力有很大的影响,文献[7]中给出了8根缆索常用的布置形式,见图13。T.M.Smith、M.C.Chen,et al[8]研究发现,图13(a)形式中的系统回复力具有方向上的平稳性,(b)、(c)两种形式系统提供的回复力随波浪方向的变化而变化。陈新权[9]通过研究证实这一规律也适用于张紧式系泊系统。

因此,在对方案二的研究中就采用(a)形式的系泊布置。如保持平台预张力不变,则需对缆索材料特性进行调整。钢丝绳:直径170 mm,湿重215 kg/m,轴向刚度9.28×108N,破断强度2.2×107N;聚酯绳:直径0.16 mm,湿重17 kg/m,轴向刚度1.8756×108N,破断强度7.848×106N。静力分析得到的最大张力为1.736×106N,8根缆索张力沿绳长具有相似的分布,见图14。动力分析得到的统计结果见表6。该方案中,平台最大水平偏移量是83.68 m,约为水深的4.18%,小于规范中要求的8%;两浪向下,最大张力安全系数也都大于1.67。比较两方案,百年一遇海况条件下二者都满足规范要求,迎浪工况下,平台最大水平位移分别是22.85 m和19.52 m,相应的标准差分别是4.09和3.93,差别并不太大,而垂荡和角度运动基本趋于一致;横浪工况下,两者的主要差别也表现在水平运动上,最大偏移和标准差分别是72.54 m、15.91和83.68 m、18.32。总体来说,两方案基本能达到相同的定位效果,但方案二缆索数目较多,建造、安装成本均随之增加,因此经济性、可靠性仍需进一步分析。

图13 8缆常用的布置形式

表6 选定系泊系统动力分析结果

图14 缆索张力沿绳长变化

4 作业工况平台运动性能分析

由于钻井、采油作业的需要,对平台在作业状态下的运动响应有一定要求。一般希望:平台最大漂移范围不超过水深的2.5%,垂荡运动不超过±3 m,摇晃小于3°～5°,(因过大的运动会对钻井作业带来影响)。为此,本文还需对方案一中最终选择的系泊系统作业工况下的性能进行分析。作业工况环境条件取为:有义波高7.6 m、谱峰周期11.3 s;风速33.5 m/s;表面流速1 m/s。

表7 作业工况动力分析结果

结果如表7所示,该工况下,平台最大水平位移是4.56 m,仅为水深的0.2%,垂荡运动不超过3 m,最大角度约为4.2°,缆索最大张力安全系数大于1.67,平台运动响应能够较好地满足生产作业要求。图15～图17给出的是迎浪工况下,平台运动响应谱密度函数,图18～图20表示line1张力时历曲线和响应谱。

图15 纵荡响应谱

图16 垂荡响应谱

图17 纵摇响应谱

分析图15～图17,发现平台纵荡运动表现出明显的低频运动特性,在ω=0.5 rad/s的波频范围内会出现幅值相对较小的响应极值;垂荡运动表现出明显的波频运动特性,在ω=0.5 rad/s附近出现响应峰值;纵摇运动表现为波频运动,在ω=0.5 rad/s附近会出现响应峰值,但在低频范围内也会出现峰值很小的响应极值。

图18 line1高频张力时历

图19 line1低频张力时历

5 结语

以工作水深为2 000 m的深水半潜式钻井平台为研究对象,对钢丝绳—聚酯绳—钢丝绳型式的张紧式系泊系统布置方式进行研究,并对选定的系泊布置在工作海况条件下的运动性能进行了分析。总结本文研究内容,可以得到以下结论:

(1)本文采用张紧式系泊方式对目标平台系泊系统进行设计,通过计算分析证明,所选用的系泊系统在生存工况下平台运动响应和缆索张力都满足规范要求;在作业工况下具有较好的运动性能,完全可以满足海上生产作业要求。(2)计算显示系泊缆索的布置角度、长度及预张力等对平台位移和缆索张力有重要影响,合理选择这些参数能够保证系泊的有效性。(3)若采用悬链线式系泊方式,工作水深为1 500 m时,所需要的缆索长度大概是3 300 m,系泊半径约为2 765 m。若采用张紧式系泊方式,工作水深2 000 m,所需要的缆索长度是2 900 m,系泊半径接近2 050 m。显然,张紧式系泊方式具有较好的经济性,并且由于占用的海床面积小,减少了与附近其他水下设施相碰撞的危险。(4)从平台运动响应谱中,可知半潜式钻井平台的水平运动具有明显的低频运动特性,而垂荡运动则表现为波频运动特性。

[1] 韩凌,杜勤.深水半潜式钻井平台锚泊系统技术概述[J].船海工程,2007,36,(3):82-86.

[2] 刘海笑,黄泽伟.新型深海系泊系统及数值分析技术[J].海洋技术,2007,26,(2):6-10.

[3] Christian A C,Shankar S B.Fiber Mooring for Ultra-Deepwater Applications[C].Proceedings of the Twelfth(2002)International Offshore and Polar Engineering Conference,Kitatyusgu,Japan,2002,26-31.

[4] Devlin P,Flory J,Homer S.Deep Star Taut Leg Mooring Polyester Test Program[C].OCEANS’99MTS/IEEE,1999,2:690-697.

[5] REFL EX Theory Manual.SINTEF Report STF70 F95219[C].1995.

[6] DeepC Theory Manual.Deep water coupled floater motion analysis[C].DNV Software 2005.

[7] 潘斌.移动式平台设计[C].上海:上海交通大学出版社,1995.

[8] Smith T M,Chen M C,et al.Systematic Data for the Preliminary Design of Mooring Systems[C].Proceedings of the fourth International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium,1985.

[9] 陈新权.深水半潜式平台初步设计中的若干关键问题研究[D].上海交通大学,2007.

The Effect of Taut-Mooring Systems on the Performance of Semi-Submersible Platforms

FAN Ya-li, WU Bao-shan, MIAO Quan-ming
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

U661

A

1001-4500(2010)03-0041-06

2010-01-12

范亚丽(1984-),女,硕士生,从事船舶及海洋结构物设计制造研究。