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(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

于衛(wèi)紅[1]針對(duì)南海特殊環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了S- spar平臺(tái)。總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。圖2為在SESAM中建立的結(jié)構(gòu)模型。S- spar平臺(tái)對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能要求嚴(yán)格，中部布置垂蕩板可顯著減小垂蕩運(yùn)動(dòng)[2]。但其垂蕩板數(shù)目是參考Truss Spar平臺(tái)3個(gè)垂蕩板的設(shè)計(jì)，并未結(jié)合平臺(tái)本身的特性進(jìn)行深入研究。由于實(shí)驗(yàn)開(kāi)展限制較多，在頻域內(nèi)考慮不同垂蕩板數(shù)目時(shí)S- spar平臺(tái)的水動(dòng)力特性，以求得最適合S- spar平臺(tái)的垂蕩板數(shù)目。

圖1 S- spar平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

圖2 S- spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

S- spar平臺(tái)需要系泊系統(tǒng)來(lái)限定其運(yùn)動(dòng)。系泊系統(tǒng)一般分為兩類：張緊式系泊與懸鏈?zhǔn)较挡?。在同等水深條件下，張緊式系泊的系泊纜索較短，平臺(tái)偏移量小，占用海床的面積小[3]。深海平臺(tái)中多采用鋼懸鏈線立管(SCR)，因?yàn)轫敹藦埦o立管(TTR)難以適應(yīng)平臺(tái)較大的偏移量與升沉量[4]。Ormberg等[5- 6]分別用時(shí)域耦合計(jì)算和非耦合計(jì)算分析海洋平臺(tái)/系泊/立管的相互作用問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)耦合計(jì)算能夠更好地模擬系泊系統(tǒng)及立管的響應(yīng)?；?塊垂蕩板的S- spar平臺(tái)的頻域分析結(jié)果，采用時(shí)域耦合計(jì)算法分析S- spar平臺(tái)在其作業(yè)工況下的動(dòng)力響應(yīng)特性：取南海10年一遇非臺(tái)風(fēng)條件，對(duì)S- spar平臺(tái)的張緊式系泊系統(tǒng)與鋼懸鏈線立管進(jìn)行耦合分析，比較有無(wú)立管時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，并針對(duì)立管張力過(guò)大的問(wèn)題，提出安裝浮子的解決方案[7]。討論浮子的位置及浮子浮力，使得浮子能夠最大程度地減小立管張力，保護(hù)立管安全。

1 S- spar平臺(tái)數(shù)值模型

S- spar平臺(tái)工作水深1 500 m，布置3塊垂蕩板，基本尺度及相關(guān)參數(shù)如下。

總長(zhǎng) 169 m； 主體重量 51 432 t；

中段長(zhǎng)度 84 m； 浮心距龍骨距離 82 m；

總排水體積 49 630 m2； 軟艙長(zhǎng)度 15 m；

重心距龍骨距離 71 m； 硬艙直徑 28 m；

垂蕩板數(shù)目 3； 工作水深 1 500 m；

硬艙L長(zhǎng)度 70 m； 垂蕩板間距 21 m。

2 垂蕩板數(shù)目確定

分別安裝0～7塊垂蕩板的模型見(jiàn)圖3。

圖3 分別安裝0～7塊垂蕩板的S- spar平臺(tái)模型

表1為不同數(shù)目垂蕩板對(duì)應(yīng)的平臺(tái)總體垂蕩附加質(zhì)量和單板垂蕩附加質(zhì)量。

表1 不同數(shù)目垂蕩板對(duì)應(yīng)的平臺(tái)和單板垂蕩附加質(zhì)量

圖4 不同數(shù)目垂蕩板對(duì)應(yīng)的平臺(tái)垂蕩RAO

由表1可知，隨著垂蕩板數(shù)目的增加，平臺(tái)的總附加質(zhì)量不斷增加，但分配到每塊垂蕩板上的附加質(zhì)量不斷減小，說(shuō)明垂蕩板的利用效率越來(lái)越低。垂蕩板的布置數(shù)目在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí),應(yīng)該合理考慮其利用效率,以降低平臺(tái)的成本[8]。由圖4可見(jiàn)，垂蕩板數(shù)目從0增加到4時(shí)，平臺(tái)垂蕩響應(yīng)顯著減小。數(shù)目為4時(shí)，平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)為2.8 m，為無(wú)垂蕩板時(shí)的64%，比3塊垂蕩板時(shí)降低了15%。垂蕩板數(shù)目再繼續(xù)增加時(shí)，垂蕩RAO雖有減小，但已不明顯，所以選擇4塊垂蕩板作為優(yōu)選方案。

3 立管及張緊式系泊系統(tǒng)耦合分析

3.1 海洋環(huán)境條件

取中國(guó)南海油田典型環(huán)境條件：10年一遇非臺(tái)風(fēng)海況作為其作業(yè)工況，波浪譜為JONSWAP譜，有義波高6.5 m，譜峰周期12.3 s，譜峰因子為2，風(fēng)譜為NPD風(fēng)譜，平均風(fēng)速16 m/s，表面流速1.09 m/s。

對(duì)S- spar平臺(tái)來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)、浪、流同向時(shí)，環(huán)境荷載對(duì)系泊纜及立管上的臨界力達(dá)到最大[9]。因此，本文選取風(fēng)、浪、流方向一致，均取為與X軸正方向成0°進(jìn)行計(jì)算。

3.2 系泊系統(tǒng)與立管設(shè)計(jì)

系泊系統(tǒng)采用三段組合式張緊式系泊，分為4組，每組3根，共12根。每根系泊纜自上(導(dǎo)纜孔)而下(海底點(diǎn))分別由上段鋼纜、中段聚酯纜和下段鋼纜組成，導(dǎo)纜孔位置與平臺(tái)重心約在同一水平面上。各段參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 系泊纜主要參數(shù)

立管采用鋼懸鏈線立管(SCR)。立管內(nèi)部流體為石油，密度為880 kg /m3，外部為海水，密度為1 025 kg /m3。4 根立管懸掛在甲板外側(cè)，參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 立管主要參數(shù)

圖5為立管及系泊系統(tǒng)布置示意圖，1～12號(hào)為系泊纜，相隔30°布置1根。13～16號(hào)為立管，與1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、10號(hào)相隔45°逆時(shí)針布置。耦合分析模型如圖6所示。

3.3 耦合分析結(jié)果

立管的存在對(duì)平臺(tái)浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力會(huì)產(chǎn)生影響[10]。本文給出了有無(wú)立管時(shí)，S- spar平臺(tái)的6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度上的響應(yīng)值、系泊纜及立管的最大張力值，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 立管及系泊系統(tǒng)布置示意圖

圖6 平臺(tái)、立管及系泊系統(tǒng)耦合分析模型

參數(shù)最大值無(wú)立管有立管最小值無(wú)立管有立管平均值無(wú)立管有立管縱蕩響應(yīng)值/m38.8428.800.280.2531.8425.99橫蕩響應(yīng)值/m1.541.03-2.96-3.35-2.38-1.39垂蕩響應(yīng)值/m0.010.92-5.81-0.36-4.160.22橫搖響應(yīng)值/(°)1.900.89-0.03-0.191.380.49縱搖響應(yīng)值/(°)1.830.84-0.020.041.010.50首搖響應(yīng)值/(°)1.640.210.000.000.940.087號(hào)纜鋼纜張力/kN1690137030902830138011307號(hào)纜聚酯纜張力/kN16601340274024601350110014號(hào)立管最大張力/kN-8190-7460-7840

有無(wú)立管耦合會(huì)對(duì)平臺(tái)各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著的影響。考慮立管耦合后，平臺(tái)6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)平均值均明顯減小，可見(jiàn)立管對(duì)于平臺(tái)不僅有生產(chǎn)輸油的作用，也在一定程度上充當(dāng)了系泊纜的作用。為保證平臺(tái)安全進(jìn)行鉆井作業(yè)，立管系統(tǒng)不能有大幅度的運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)水深作業(yè)為1 500 m時(shí)，其活動(dòng)半徑(即水平位移)不能超過(guò)30 m(2%的作業(yè)水深)[11]。該立管與系泊系統(tǒng)耦合條件下，平臺(tái)的最大活動(dòng)半徑是平臺(tái)的縱蕩位移，為28.80 m，符合立管的作業(yè)要求。在0°環(huán)境荷載方向作用下，無(wú)論有無(wú)立管耦合，都是7號(hào)纜的張力響應(yīng)值最大，1號(hào)纜最小，這是因?yàn)?號(hào)纜為迎浪側(cè)，受到風(fēng)浪流的直接作用，1號(hào)纜相反。根據(jù)API規(guī)范要求，系泊系統(tǒng)完好時(shí)鋼纜最大張力的安全系數(shù)應(yīng)大于1.67，纖維材料系泊線應(yīng)大于1.82[12]。無(wú)立管時(shí)，7號(hào)纜上部鋼纜安全系數(shù)為3.95，中部聚酯纜為4.74；有立管時(shí)，上部鋼纜的安全系數(shù)為4.81，中部聚酯纜為5.84，均滿足規(guī)范要求。考慮立管耦合后，發(fā)現(xiàn)張力最大的立管為14號(hào)立管，張力值見(jiàn)表4。

圖7 系泊纜最大張力響應(yīng)譜

由圖7可知，在考慮立管后，平臺(tái)系泊系統(tǒng)的張力明顯減小，這對(duì)于整個(gè)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)而言是更加安全的。雖然系泊纜張力得到了減小，但是立管上的張力仍然很大，為系泊纜張力的7倍左右。本文進(jìn)一步研究在保證系泊纜安全的基礎(chǔ)上，在立管上安裝浮子以減小立管的張力，并討論浮子位置、浮子浮力對(duì)立管張力的影響。

4 浮子對(duì)立管張力的影響

4.1 浮子位置的影響

計(jì)算浮子浮力為300 kN時(shí)，距立管頂端不同距離情況下浮子對(duì)立管及系泊系統(tǒng)的影響。由于立管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，會(huì)在海底形成一段躺底長(zhǎng)度，為使浮子更好地發(fā)揮作用，浮子不設(shè)在躺底的立管上，而是設(shè)在立管懸垂段上。模型的立管躺底長(zhǎng)度約為1 300 m，懸垂長(zhǎng)度約為1 900 m，浮子便設(shè)在距離立管頂端1 900 m長(zhǎng)度內(nèi)。不同距離分別取距立管頂端0、285、570、950、1 235、1 520、1 800 m，即懸垂段的0%、15%、30%、50%、65%、80%、95%來(lái)進(jìn)行分析比較。

運(yùn)動(dòng)及張力隨浮子安裝位置的變化見(jiàn)圖8。

圖8 運(yùn)動(dòng)及張力隨浮子安裝位置的變化

由圖8可知，立管上安裝浮子后，立管張力顯著減小。立管最大張力隨浮子距立管頂端距離的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)浮子距立管頂端的懸垂段百分比為65%時(shí)，立管的張力最小。7號(hào)纜上的張力隨浮子距頂端距離的增加而逐漸增大，但增幅較小。在浮子距立管頂端的懸垂段百分比為65%時(shí)，計(jì)算其上部鋼纜的安全系數(shù)為4.83，中部聚酯纜為5.79，均滿足規(guī)范要求。平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)隨浮子距頂端距離的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，但變幅很小，僅約為0.3 m，因此認(rèn)為浮子位置的變化對(duì)平臺(tái)的縱蕩位移影響很小。綜上分析，將浮子設(shè)在立管懸垂段距頂端65%位置處時(shí)，減小立管張力的效果最好。

4.2 浮子浮力的影響

確定浮子安裝的最佳位置，即距立管頂端懸垂長(zhǎng)度的65%處后，再改變浮子浮力，來(lái)比較其對(duì)立管及系泊系統(tǒng)的影響。運(yùn)動(dòng)及張力隨浮子浮力的變化見(jiàn)圖9。

圖9 運(yùn)動(dòng)及張力隨浮子浮力的變化

7號(hào)纜與14號(hào)立管上的張力仍然最大。由圖9可知，7號(hào)纜上的張力隨浮子浮力的增加而逐漸增大，在浮子浮力取1 200 kN時(shí),其張力最大，此時(shí)安全系數(shù)最?。荷喜夸摾|為3.63，中部聚酯纜為4.33，均滿足規(guī)范要求。14號(hào)立管的張力隨浮子浮力的增加而顯著減小，同時(shí)平臺(tái)縱蕩位移逐漸增大。當(dāng)浮子浮力為500 kN時(shí)，平臺(tái)的縱蕩位移為29.75 m，此時(shí)立管張力比無(wú)浮子時(shí)減小了25%，受力狀態(tài)顯著改善。浮子浮力再增大，平臺(tái)縱蕩位移將無(wú)法滿足不超過(guò)2%的作業(yè)水深的要求。綜上分析，本文選擇500 kN的浮子，并安裝在距立管頂端懸垂長(zhǎng)度的65%處作為浮子的最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

1)此前的S- spar平臺(tái)設(shè)計(jì)中，垂蕩板數(shù)目的確定是參照Truss Spar平臺(tái)的3塊垂蕩板設(shè)計(jì)，本文研究發(fā)現(xiàn)S- spar平臺(tái)設(shè)置4塊垂蕩板更為合適，為未來(lái)S- spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

2)在立管與系泊系統(tǒng)耦合作用下，立管在一定程度上充當(dāng)了系泊纜，使得平臺(tái)6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)均比無(wú)立管時(shí)小，系泊纜上的張力也減小，平臺(tái)更加安全。

3)當(dāng)浮子浮力一定時(shí)，將浮子安裝在距立管頂端懸垂長(zhǎng)度的65%位置處，減小立管張力的效果最好。在利用浮子減小立管張力的工程中，此結(jié)論有一定的借鑒意義。

4)浮子位置對(duì)平臺(tái)的縱蕩位移影響較小，而浮子浮力影響較大。在海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)及立管設(shè)計(jì)中，設(shè)置浮子浮力大小時(shí)要密切關(guān)注平臺(tái)縱蕩位移的變化。

5)立管張力隨浮子浮力的增大顯著減小，但是浮子浮力的合理取值受立管重力、平臺(tái)質(zhì)量等因素的影響，其影響規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

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