深海spar平臺對深海系泊系統(tǒng)的等效設計

深海spar平臺對深海系泊系統(tǒng)的等效設計

隨著海洋油氣資源的開發(fā)深入深水深度，出現了具有自身特點的高速海洋平臺如單柱平臺（傾斜平臺）。為了驗證新型平臺的水動力性能和系泊系統(tǒng)的動態(tài)負荷，波池模擬是海洋平臺設計的重要因素之一。對于深度海洋平臺的系泊和立管系統(tǒng)具有較大的空間尺寸。采用傳統(tǒng)的收縮尺比和傅汝德相似的標準，很難完全模擬現有的實驗池。小收縮尺比的模型試驗是解決方法之一，但由于試驗精度受多種因素的影響，研究人員提出了一種混合模型試驗的方法，即中斷水深模型試驗和數值計算的結合。使用相同的水深系泊系統(tǒng)進行模型試驗，然后使用數值軟件重建斷裂水深模型試驗結果，最終使用整個深水系統(tǒng)進行數值外部計算。外國科學家對混合模型試驗方法進行了大量研究，并提出了兩種動態(tài)和動態(tài)系泊系統(tǒng)的概念?，F在，廣泛使用了被動深水系泊系統(tǒng)。中國海洋工程國家關鍵實驗室也對混合模型試驗方法進行了初步研究。這些研究忽略了水平截斷對水深截斷系泊系統(tǒng)等效設計的影響.本文對該問題和相關難點進行了研究,明確提出了垂向截斷因子和水平截斷因子的概念,分析了致使水平回復力特性存在差異的原因.基于一深水Spar平臺及其系泊系統(tǒng),介紹了水深截斷系泊系統(tǒng)的等效設計流程,對于張緊式的系泊系統(tǒng)提出了延長水平跨距的方法,并對其靜力特性進行了數值校核,在此基礎上進行了Spar平臺的截斷水深模型試驗.1系泊系統(tǒng)的隔離和設計方法1.1設計原則及原則水深截斷系泊系統(tǒng)的等效設計應盡可能使得海洋平臺在截斷水深獲得和深水一致的運動響應,因此必須遵循相應的等效設計原則.目前國際上公認的等效設計原則主要有:(1)保證系泊/立管系統(tǒng)對海洋平臺的水平及垂向回復力一致;(2)保證平臺主要運動準靜定耦合一致;(3)保證具有“代表性”的系泊纜和立管的張力特性一致;(4)保證系泊纜/立管在波浪和海流中的阻尼及流體作用力一致.在設計水深截斷系泊系統(tǒng)時,一般采用和全水深系統(tǒng)相同的預張力、相同的系泊纜布置形式,系泊纜盡可能使用相應的錨鏈、鋼絲繩來模擬.系泊纜接近水面的部分應盡可能與全水深系統(tǒng)保持一致.1.2等式設計的困難1.2.1全深水系泊纜與海底的角度變化水深截斷系泊系統(tǒng)等效設計的難度主要源于水深的差異.垂向截斷因子為γV=Hf/HtγV=Ηf/Ηt其中,Hf、Ht分別為全水深和截斷水深系泊纜從上端懸掛點到海底的垂直高度.截斷水深中系泊纜與水面的夾角隨水平位移的變化率大于全水深.如圖1所示,對于相同的水平位移,α2<α1,這將導致水深截斷系泊系統(tǒng)的水平回復力較全水深的增加迅速,γV越大,該差異越明顯.為了圖示的方便,系泊纜用直線表示.1.2.2水平回復力特性深水模型試驗時系泊/立管系統(tǒng)有時還需要進行水平截斷,特別是對于懸鏈線形式的系泊系統(tǒng),如圖2(a)所示.水平截斷因子為γH=Lf/LtγΗ=Lf/Lt其中,Lf、Lt分別為全水深和截斷水深系泊纜的水平跨距(上端懸掛點到系泊點的水平距離).截斷水深中系泊纜周向角隨水平位移的變化率大于全水深.如圖2(b)所示,對于相同的水平位移,β2<β1,這也將導致水深截斷系泊系統(tǒng)的水平回復力迅速增加,結合γV的影響,水平回復力的快速增加尤為明顯.水平截斷還使得水深截斷系泊系統(tǒng)的水平回復力特性無法在所有方向上與全水深保持一致.如果存在水平截斷,只能通過降低單根系泊纜的水平剛度“優(yōu)化”得到某一方向上的系統(tǒng)水平回復力特性,如圖2(b)所示,水深截斷系泊系統(tǒng)180°和135°方向上的水平回復力特性難于同時保證和全水深一致.1.2.3特殊裝置設計風險設計水深截斷系泊系統(tǒng)時,可能會用到彈簧和重塊等非均勻材質,它們對系泊纜動力特性的影響需要通過理論計算和模型試驗進一步驗證.采用特殊試驗裝置,如滑塊和滑輪等,容易使得水深截斷系泊系統(tǒng)的靜力特性和全水深系統(tǒng)一致,但是此類裝置引起的摩擦阻尼難于量化,使得水深截斷系泊系統(tǒng)的設計和截斷水深的數值計算變得困難,應該盡量避免使用此類特殊裝置.2深度休閑平臺系泊系統(tǒng)的等效設計2.1系泊纜及系統(tǒng)作為研究對象,一座新型Spar平臺的設計工作水深為1.5km,導纜孔在設計水線以下70m處,系泊系統(tǒng)的總高度為1.43km,水平跨距為1.48km.系泊系統(tǒng)由3組各3根系泊纜組成,3組系泊纜成120°間隔均勻布置,每組3根系泊纜成5°間隔均勻布置,如圖3所示.圖中,x、y軸通過平臺重心.水深截斷系泊系統(tǒng)設計和試驗研究中均未考慮立管系統(tǒng).Spar平臺采用張緊式的系泊方式,單根系泊纜由錨鏈、鋼絲繩、錨鏈組合而成,全水深系統(tǒng)單根系泊纜的主要參數如表1所示,預張力為1.278MN.表中,ρl,a、ρl,w分別為系泊纜在空氣和水中的線密度.2.2系泊系統(tǒng)用于全深水系泊系統(tǒng)的斷裂系統(tǒng)Spar平臺具有相對較小的水線面面積,垂蕩、橫搖和縱搖剛度都較小,系泊纜的頂端張力會影響到平臺的吃水、縱傾和橫傾,在設計水深截斷系泊系統(tǒng)時需要考慮到這些因素.因此本文中Spar平臺水深截斷系泊系統(tǒng)的等效設計主要考慮以下原則:(1)保證系泊系統(tǒng)180°和0°方向上的水平回復力特性一致;(2)保證系泊系統(tǒng)的垂向回復力特性一致;(3)保證系泊系統(tǒng)的垂向力-水平位移特性一致;(4)保證Spar平臺的縱蕩和縱搖耦合一致;(5)保證具有代表性的1#(9#)和5#(見圖3)系泊纜分別在180°和0°方向上的張力特性一致.模型縮尺比為1∶100,模型試驗水深為4m,對應實際水深400m,因而需要在400m水深對全水深的系泊系統(tǒng)進行截斷.導纜孔的位置在水線面以下70m處,Ht=330m,γV=4.33;Lf=1.48km,而試驗水池可利用的半寬約為13m,相當于實際1.3km,必然存在水平截斷.設計步驟為:(1)基于張力特性一致進行單根系泊纜的初步設計,確定系泊纜的組成及主要參數.由于垂向截斷因子較大,為保證垂向力,添加了重塊.(2)基于系統(tǒng)的靜力特性進行優(yōu)化設計.調整系泊纜與水線面的初始夾角α0和系泊纜的剛度,以保證水深截斷系泊系統(tǒng)180°方向上的水平回復力特性與全水深一致.然而,0°方向上的系統(tǒng)水平回復力特性與全水深的差異十分明顯.該差異源于γH過大,系統(tǒng)水平回復力特性難于在所有方向上與全水深保持一致.通過延長水平跨距充分利用試驗水池的水平空間為可選之舉.經計算發(fā)現,簡單的增加水平跨距會使得垂向力-水平位移特性無法保證,若增加重塊重量又會使得重塊觸底而引起無法量化的沿系泊纜軸向的摩擦力.Spar平臺采用的是張緊式的系泊纜,本文提出采用如圖4所示的裝置來延長水平跨距,在原系泊點處設置重量較大的圓柱滾輪,大剛度纜索使得圓柱滾輪不發(fā)生軸向位移,從而不會引起軸向摩擦力,圓柱滾輪繞新系泊點的橫向自由滾動相當于延長了水平跨距,同時垂向力也得到了保證.(3)基于動力特性一致進行優(yōu)化.系泊纜的動力特性非常復雜,目前主要是考慮流和波浪在系泊纜上的作用力一致.本文基于水下體積相等確定了系泊纜的直徑.最后確定的水深截斷系泊纜的參數如表2所示,截斷水深和全水深系泊纜的形狀如圖5所示.圖中,R為平臺中心至系泊纜的水平距離.重塊的水中重量為733kN,位于下段鋼絲繩的上端.跨距延長裝置由水中重量6MN的圓柱滾輪和長度990m的大剛度纜索組成,位于下段鋼絲繩的末端.2.3系泊系統(tǒng)垂向回復力水深截斷系泊系統(tǒng)和全水深系泊系統(tǒng)的水平回復力特性曲線、垂向回復力特性曲線、垂向力-水平位移特性曲線、縱蕩縱搖耦合特性曲線如圖6所示.圖中:xG、zG分別為平臺重心的水平位移和垂向位移,水平位移的正向為0°方向,負向為180°方向;Fx為系泊系統(tǒng)沿x方向的水平回復力;Fz為系泊系統(tǒng)垂向回復力;My為系泊系統(tǒng)繞y軸的系泊纜力矩.1#(9#)和5#系泊纜的頂端張力-水平位移特性曲線如圖7所示.圖中,FL1、FL5分別為1#(9#)和5#系泊纜的頂端張力.雖然最大限度利用了水池的水平空間,但水平截斷依然存在,使得180°和0°方向上的系統(tǒng)水平回復力特性仍然難于同時保持和全水深一致,如圖6(a)所示,0°方向上水深截斷系泊系統(tǒng)的水平回復力的絕對值偏小.為了保證系統(tǒng)的水平回復力一致,單根系泊纜的剛度明顯降低,但趨勢依然一致,如圖7所示.為了減小由于垂向截斷引起的夾角的快速變化,水深截斷系泊系統(tǒng)選取了較全水深大的α0,使得初始垂向力偏大,如圖6(c)所示,但由于斜率一致,可認為垂向剛度一致,如圖6(b)所示.初始垂向力的差別約占Spar平臺排水量的0.1%,可通過改變壓載進行調節(jié).總體來說,根據本文的等效設計原則,水深截斷系泊系統(tǒng)的設計符合要求.3平臺系統(tǒng)的中斷深水模型試驗3.1試驗設計和模型截斷水深模型試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行,按照水深截斷系泊纜的參數和縮尺比制作了系泊纜模型.試驗內容包括靜水模型試驗、白噪聲試驗和多工況的風、浪試驗.風浪試驗中沒有對流進行模擬.限于篇幅,本文給出了墨西哥灣百年一遇海況下的海洋環(huán)境條件.百年一遇海況下的風速為38.6m/s,模型值為3.86m/s.波浪譜采用的是JONSWAP譜,百年一遇海況下的有義波高為12.59m,模型值為12.59cm,譜峰周期為14.5s,模型值為1.45s.3.2系泊纜頂格試驗考慮到本文研究的重點,列舉了180°和0°浪向的試驗結果.試驗中波浪測量譜和目標譜的比較如圖8所示.圖中,Sζ(ω)為波浪的譜密度函數.Spar平臺縱蕩、垂蕩和縱搖的功率譜如圖9所示.圖中:Sx(ω)、Sz(ω)、Sθ(ω)分別為縱蕩、垂蕩和縱搖的譜密度函數.1#、9#和5#系泊纜頂端張力的功率譜如圖10所示.圖中,SFL(ω)為系泊纜頂端張力的譜密度函數.試驗結果統(tǒng)計值如表3所示.表中:θ為縱搖角;FL1、FL5、FL9分別為1#、5#和9#系泊纜的頂端張力.垂蕩的響應譜和統(tǒng)計值在2個方向均較接近.縱蕩、縱搖、及系泊纜頂端張力響應譜和統(tǒng)計值在2個方向上有一定差別,這也說明在水深截斷系泊系統(tǒng)等效設計時同時考慮180°和0°方向上的靜力特性與全水深系統(tǒng)的等效是必要的.4深水斷層系泊系統(tǒng)的等效設計(1)水平截斷導致水深截斷系泊系統(tǒng)的水平回復力特性難于在所有方向上與全水深保持一致,其影響不可忽視,應盡可能利用試驗水池的水平空間,采用適當的跨距延長