Truss spar平台多点系泊力学分析

徐兴平, 王言哲, 汪 海

(中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580)

spar平台是深海石油开发的关键设备,Agarwal等[1-2]以spar平台系泊系统为研究对象,采用Newmark迭代算法研究了系统的时域动力响应,结果表明平台与系泊系统相互耦合对运动响应影响较大。Kim等[3]采用CABLE6D程序对classical spar/聚酯系泊系统进行耦合动力分析,结果表明,由于聚酯缆具有大变形特性,采用聚酯系泊系统的张力响应要小于锚链系泊系统的张力响应。肖越[4]在频域和时域分别计算了平台/系泊系统耦合动力特性,结果表明时域分析更为准确。刘海笑等[5]分析了张紧式系泊系统的spar平台的耦合动力特性,系泊系统采用合成纤维缆。陈新权[6]采用三维非线性时域模拟方法分析了系泊深海半潜式平台在自存和作业工况条件下的运动响应和系泊缆的动张力变化。Soeb等[7-8]在时域分析了spar平台/系泊系统耦合动力响应,分析了波浪和海浪载荷对系统响应的影响。Montasir等[9-11以truss spar为研究对象,分析了风、浪、流载荷作用下平台/系泊系统的耦合动力特性。Yang等[12-13]采用全时域动力法对truss spar/系泊/立管系统在非线性波下的动力特性进行耦合分析,通过时域分析可以计算系统的慢漂运动。刘利琴等[14]分析开有月池的truss spar垂荡运动特性,研究了月池开度对运动响应的影响。笔者将truss spar平台主体和系泊系统看作耦合系统,采用ANSYS/AQWA在时域对truss spar及其系泊系统进行耦合动力响应分析,考察8点和12点系泊的力学特性。

1 运动方程和系泊方案

系泊系统设计时,环境条件需要遵循设计标准,其中风、浪、流载荷是主要的载荷。浮式平台在环境载荷作用下,产生6个自由度的运动,同时系泊定位系统对平台产生系泊力。平台和系泊系统的总体运动方程为

(1)

式中,xi为浮式平台的6个自由度运动;M为浮式平台的质量;Ma为浮式平台的附加质量;C为浮式平台的水阻尼;K为浮式平台的静水刚度;Fcurrent为海流载荷;Fwind为风载荷;Fwave为波浪载荷;Fmooring为系泊载荷。

风、浪、流载荷的组合方式有多种,对于永久性系泊系统,使用百年一遇的环境条件:①浪和与之相关的风和流;②风和与之相关的浪和流;③流和与之相关的风和浪。当缺少以上载荷形式时,可以采用以下组合:①百年一遇的风和浪与十年一遇的流;②百年一遇的风和流与十年一遇的浪。该运动方程可以频域或者时域求解。

系泊力与系泊方案有关,系泊方案如图1所示。

图1 8点与12点系泊方案示意图Fig.1 Mooring plan schematic diagrams with eight and twelve anchor points

2 8点系泊系统力学特性

采用8点系泊方案时,在环境载荷作用下,将风、浪、流载荷沿0°方向入射作为最危险工况,重点考察truss spar平台的运动响应和5号系泊缆的张力响应;在破损工况作用下,假设6号系泊缆发生破断,将风、浪、流载荷沿0°方向入射作为最危险工况,考察truss spar平台的运动响应和5号系泊缆的张力响应。

2.1 垂荡响应

采用8点系泊方案,完整状态下truss spar的垂荡响应见图2;破损状态下Truss spar的垂荡响应见图3。从图2看出,完整作业工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-98.6～-97.7 m,完整极限工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-99.5～-97.0 m。从图3看出,破损作业工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-98.4～-97.4 m,破损极限工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-99.5～-97 m。

对比完整工况和破损工况下truss spar平台的垂荡响应发现,当系泊系统某一根系泊缆发生破断时,对平台的垂向运动影响较小。对比作业工况和极限工况下truss spar平台的垂荡响应发现,极限工况下truss spar平台的运动响应幅值明显更大。

在模拟时间足够长时,truss spar平台的垂荡响应趋于稳定。

2.2 纵荡响应

采用8点系泊方案,完整状态下truss spar的纵荡响应见图4;破损状态下truss spar的纵荡响应见图5。从图4看出,完整作业工况下truss spar平台的纵荡响应区间为28～36 m,完整极限工况下truss spar平台的纵荡响应区间为156～171m。由图5看出,破损作业工况下truss spar平台的纵荡响应区间为57～65 m,破损极限工况下truss spar平台的纵荡响应区间为222～238 m。

图2 8点系泊方案中完整状态下truss spar的垂荡响应Fig.2 Heave response of truss spar in intact condition with eight anchor points

图3 8点系泊方案中破损状态下truss spar的垂荡响应Fig.3 Heave response of truss spar in broken condition with eight anchor points

图4 8点系泊方案中完整状态下truss spar的纵荡响应Fig.4 Surge response of truss spar in intact condition with eight anchor points

图5 8点系泊方案中破损状态下truss spar的纵荡响应Fig.5 Surge response of truss spar in broken condition with eight anchor points

对比完整工况和破损工况下truss spar平台的纵荡响应发现,系泊系统某一根系泊缆发生破断,对平台的纵荡运动影响很大。与完整作业工况相比,平台的纵荡位移在破损作业工况下增加了30 m(平均值)。当truss spar的水平位移过大时,会造成平台偏离井口,影响平台采油作业。

对比作业工况和极限工况下truss spar平台的纵荡响应发现,极限工况下truss spar平台的运动响应幅值明显更大。与完整作业工况相比,平台的纵荡位移在完整极限工况下增加了130 m(平均值)。在极限工况下,truss spar不能进行正常作业。

2.3 张力响应

采用8点系泊方案,完整状态下系泊系统的张力响应见图6;破损状态下系泊系统的张力响应见图7。在4种工况下,5号系泊缆处于最危险工况。从图6和7看出,系泊系统在完整作业工况下的张力响应区间为(3.9～4.15)×106N,在完整极限工况下的张力响应区间为(9.2～10)×106N,在破损作业工况下的张力响应区间为(4.85～5.15)×106N,破损极限工况下的张力响应区间为(13～14)×106N。

对比完整工况和破损工况下系泊缆的张力响应发现,当系泊系统某一根系泊缆发生破断时,对系泊缆的张力影响很大。与完整作业工况相比,系泊缆的最大张力在破损作业工况下增大了24%;与完整极限工况相比,系泊缆的最大张力在破损极限工况下增大了40%。

图6 8点系泊方案中完整状态下系泊系统的张力响应Fig.6 Tension response of truss spar in intact condition with eight anchor points

图7 8点系泊方案中破损状态下系泊系统的张力响应Fig.7 Tension response of truss spar in broken condition with eight anchor points

对比作业工况和极限工况下系泊缆的张力响应发现,极限工况下系泊缆的张力响应极值和幅值都更大。与完整作业工况相比,系泊缆的张力响应在完整极限工况下增大了1.4倍,工况条件对系泊缆张力的影响十分显著。

3 12点系泊系统力学特性

采用12点系泊方案时,在环境载荷作用下,将风、浪、流载荷沿0°方向入射作为最危险工况,重点考察truss spar平台的运动响应和7号系泊缆的张力响应;在破损工况作用下,假设8号系泊缆发生破断,将风、浪、流载荷沿0°方向入射作为最危险工况,考察truss spar平台的运动响应和7号系泊缆的张力响应。

3.1 垂荡响应

采用12点系泊方案,完整状态下truss spar的垂荡响应见图8;破损状态下truss spar的垂荡响应见图9。从图8可以看出,完整作业工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-99.4～-98.4 m,完整极限工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-100.5～-97.8 m。从图9看出,破损作业工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-99.2～-98.2 m,破损极限工况下truss spar平台的垂荡响应区间为-100.5～-97.5 m。

对比完整工况和破损工况下truss spar平台的垂荡响应发现,系泊系统某一根系泊缆发生破断,对平台的垂向运动影响较小。对比作业工况和极限工况下truss spar平台的垂荡响应发现,极限工况下truss spar平台的运动响应幅值明显更大。

在模拟时间足够长时,truss spar平台的垂荡响应趋于稳定。

图8 12点系泊方案中完整状态下truss spar的垂荡响应Fig.8 Heave response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

图9 12点系泊方案中破损状态下truss spar的垂荡响应Fig.9 Heave response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

3.2 纵荡响应

采用12点系泊方案,完整状态下truss spar的纵荡响应见图10;破损状态下Truss spar的纵荡响应见图11。由图10看出,完整作业工况下truss spar平台的纵荡响应区间为20～28 m,完整极限工况下truss spar平台的纵荡响应区间为112～126 m。从图11看出,破损作业工况下truss spar平台的纵荡响应区间为38～48 m,破损极限工况下truss spar平台的纵荡响应区间为158～170 m。

图10 12点系泊方案中完整状态下trussspar的纵荡响应Fig.10 Surge response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

对比完整工况和破损工况下truss spar平台的纵荡响应发现,当系泊系统某一根系泊缆发生破断时,对平台的纵荡运动影响很大。与完整作业工况相比,平台的纵荡位移在破损作业工况下增加了20 m(平均值)。

对比作业工况和极限工况下truss spar平台的纵荡响应发现,极限工况下truss spar平台的运动响应幅值明显更大。与完整作业工况相比,平台的纵荡位移在完整极限工况下增加了100 m(平均值)。truss spar的水平位移过大会引起平台偏离井口,影响平台采油作业。

图11 12点系泊方案中破损状态下truss spar的纵荡响应Fig.11 Surge response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

3.3 张力响应

采用12点系泊方案,完整状态下系泊系统的张力响应见图12;破损状态下系泊系统的张力响应见图13。在4种工况下,7号系泊缆处于最危险工况。由图12和13看出,系泊系统在完整作业工况下的张力响应区间为(3.60～3.85)×106N,在完整极限工况下的张力响应区间为(7.1～7.9)×106N,在破损作业工况下的张力响应区间为(4.2～4.45)×106N,破损极限工况下的张力响应区间为(9.2～10)×106N。

图12 12点系泊方案中完整状态下系泊系统的张力响应Fig.12 Tension response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

图13 12点系泊方案中破损状态下系泊系统的张力响应Fig.13 Tension response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

对比完整工况和破损工况下系泊缆的张力响应发现,当系泊系统某一根系泊缆发生破断时,对系泊缆的张力影响很大。与完整作业工况相比,系泊缆的最大张力在破损作业工况下增大了15%，系泊缆的最大张力增大了26%。

对比作业工况和极限工况下系泊缆的张力响应发现,极限工况下系泊缆的张力响应极值和幅值都更大。与完整作业工况相比,系泊缆的张力响应在完整极限工况下增大了一倍,工况条件对系泊缆张力的影响十分显著。

4 结 论

(1)当系泊系统处于破损状态时,平台的纵荡、横荡和横摇等要远大于系泊系统处于完整状态时的数值,系泊系统状态下对垂荡和纵荡自由度位移(角度)的影响较小。极限工况下,平台的运动和张力响应要比作业工况下的响应更大。

(2)在作业工况下,8点系泊方案、12点系泊方案的张力响应和平台位移响应均满足设计要求,但是12点系泊方案的运动响应和张力响应值更小;在极限工况下,8点系泊方案、12点系泊方案的张力极值超出了设计规范许用张力,但是12点系泊方案的张力值略小。