深海spar平臺(tái)對(duì)深海系泊系統(tǒng)的等效設(shè)計(jì)

深海spar平臺(tái)對(duì)深海系泊系統(tǒng)的等效設(shè)計(jì)

隨著海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)深入深水深度，出現(xiàn)了具有自身特點(diǎn)的高速海洋平臺(tái)如單柱平臺(tái)（傾斜平臺(tái)）。為了驗(yàn)證新型平臺(tái)的水動(dòng)力性能和系泊系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，波池模擬是海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要因素之一。對(duì)于深度海洋平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)，很難完全模擬現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)池。小收縮尺比的模型試驗(yàn)是解決方法之一，但由于試驗(yàn)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(yàn)的方法，即中斷水深模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的結(jié)合。使用相同的水深系泊系統(tǒng)進(jìn)行模型試驗(yàn)，然后使用數(shù)值軟件重建斷裂水深模型試驗(yàn)結(jié)果，最終使用整個(gè)深水系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值外部計(jì)算。外國(guó)科學(xué)家對(duì)混合模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了大量研究，并提出了兩種動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)系泊系統(tǒng)的概念?，F(xiàn)在，廣泛使用了被動(dòng)深水系泊系統(tǒng)。中國(guó)海洋工程國(guó)家關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)室也對(duì)混合模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了初步研究。這些研究忽略了水平截?cái)鄬?duì)水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)等效設(shè)計(jì)的影響.本文對(duì)該問(wèn)題和相關(guān)難點(diǎn)進(jìn)行了研究,明確提出了垂向截?cái)嘁蜃雍退浇財(cái)嘁蜃拥母拍?分析了致使水平回復(fù)力特性存在差異的原因.基于一深水Spar平臺(tái)及其系泊系統(tǒng),介紹了水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的等效設(shè)計(jì)流程,對(duì)于張緊式的系泊系統(tǒng)提出了延長(zhǎng)水平跨距的方法,并對(duì)其靜力特性進(jìn)行了數(shù)值校核,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了Spar平臺(tái)的截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn).1系泊系統(tǒng)的隔離和設(shè)計(jì)方法1.1設(shè)計(jì)原則及原則水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的等效設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使得海洋平臺(tái)在截?cái)嗨瞰@得和深水一致的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),因此必須遵循相應(yīng)的等效設(shè)計(jì)原則.目前國(guó)際上公認(rèn)的等效設(shè)計(jì)原則主要有:(1)保證系泊/立管系統(tǒng)對(duì)海洋平臺(tái)的水平及垂向回復(fù)力一致;(2)保證平臺(tái)主要運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)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(shè)計(jì)水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)時(shí),一般采用和全水深系統(tǒng)相同的預(yù)張力、相同的系泊纜布置形式,系泊纜盡可能使用相應(yīng)的錨鏈、鋼絲繩來(lái)模擬.系泊纜接近水面的部分應(yīng)盡可能與全水深系統(tǒng)保持一致.1.2等式設(shè)計(jì)的困難1.2.1全深水系泊纜與海底的角度變化水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)等效設(shè)計(jì)的難度主要源于水深的差異.垂向截?cái)嘁蜃訛棣肰=Hf/HtγV=Ηf/Ηt其中,Hf、Ht分別為全水深和截?cái)嗨钕挡蠢|從上端懸掛點(diǎn)到海底的垂直高度.截?cái)嗨钪邢挡蠢|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(duì)于相同的水平位移,α2<α1,這將導(dǎo)致水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的水平回復(fù)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(xiàn)表示.1.2.2水平回復(fù)力特性深水模型試驗(yàn)時(shí)系泊/立管系統(tǒng)有時(shí)還需要進(jìn)行水平截?cái)?特別是對(duì)于懸鏈線(xiàn)形式的系泊系統(tǒng),如圖2(a)所示.水平截?cái)嘁蜃訛棣肏=Lf/LtγΗ=Lf/Lt其中,Lf、Lt分別為全水深和截?cái)嗨钕挡蠢|的水平跨距(上端懸掛點(diǎn)到系泊點(diǎn)的水平距離).截?cái)嗨钪邢挡蠢|周向角隨水平位移的變化率大于全水深.如圖2(b)所示,對(duì)于相同的水平位移,β2<β1,這也將導(dǎo)致水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的水平回復(fù)力迅速增加,結(jié)合γV的影響,水平回復(fù)力的快速增加尤為明顯.水平截?cái)噙€使得水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的水平回復(fù)力特性無(wú)法在所有方向上與全水深保持一致.如果存在水平截?cái)?只能通過(guò)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(fù)力特性,如圖2(b)所示,水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)180°和135°方向上的水平回復(fù)力特性難于同時(shí)保證和全水深一致.1.2.3特殊裝置設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)時(shí),可能會(huì)用到彈簧和重塊等非均勻材質(zhì),它們對(duì)系泊纜動(dòng)力特性的影響需要通過(guò)理論計(jì)算和模型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證.采用特殊試驗(yàn)裝置,如滑塊和滑輪等,容易使得水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的靜力特性和全水深系統(tǒng)一致,但是此類(lèi)裝置引起的摩擦阻尼難于量化,使得水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和截?cái)嗨畹臄?shù)值計(jì)算變得困難,應(yīng)該盡量避免使用此類(lèi)特殊裝置.2深度休閑平臺(tái)系泊系統(tǒng)的等效設(shè)計(jì)2.1系泊纜及系統(tǒng)作為研究對(duì)象,一座新型Spar平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作水深為1.5km,導(dǎo)纜孔在設(shè)計(jì)水線(xiàn)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(guò)平臺(tái)重心.水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究中均未考慮立管系統(tǒng).Spar平臺(tái)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(shù)如表1所示,預(yù)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(xiàn)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(tái)具有相對(duì)較小的水線(xiàn)面面積,垂蕩、橫搖和縱搖剛度都較小,系泊纜的頂端張力會(huì)影響到平臺(tái)的吃水、縱傾和橫傾,在設(shè)計(jì)水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)時(shí)需要考慮到這些因素.因此本文中Spar平臺(tái)水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的等效設(shè)計(jì)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(fù)力特性一致;(2)保證系泊系統(tǒng)的垂向回復(fù)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(tái)的縱蕩和縱搖耦合一致;(5)保證具有代表性的1#(9#)和5#(見(jiàn)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(yàn)水深為4m,對(duì)應(yīng)實(shí)際水深400m,因而需要在400m水深對(duì)全水深的系泊系統(tǒng)進(jìn)行截?cái)?導(dǎo)纜孔的位置在水線(xiàn)面以下70m處,Ht=330m,γV=4.33;Lf=1.48km,而試驗(yàn)水池可利用的半寬約為13m,相當(dāng)于實(shí)際1.3km,必然存在水平截?cái)?設(shè)計(jì)步驟為:(1)基于張力特性一致進(jìn)行單根系泊纜的初步設(shè)計(jì),確定系泊纜的組成及主要參數(shù).由于垂向截?cái)嘁蜃虞^大,為保證垂向力,添加了重塊.(2)基于系統(tǒng)的靜力特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).調(diào)整系泊纜與水線(xiàn)面的初始夾角α0和系泊纜的剛度,以保證水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)180°方向上的水平回復(fù)力特性與全水深一致.然而,0°方向上的系統(tǒng)水平回復(fù)力特性與全水深的差異十分明顯.該差異源于γH過(guò)大,系統(tǒng)水平回復(fù)力特性難于在所有方向上與全水深保持一致.通過(guò)延長(zhǎng)水平跨距充分利用試驗(yàn)水池的水平空間為可選之舉.經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),簡(jiǎn)單的增加水平跨距會(huì)使得垂向力-水平位移特性無(wú)法保證,若增加重塊重量又會(huì)使得重塊觸底而引起無(wú)法量化的沿系泊纜軸向的摩擦力.Spar平臺(tái)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(lái)延長(zhǎng)水平跨距,在原系泊點(diǎn)處設(shè)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(huì)引起軸向摩擦力,圓柱滾輪繞新系泊點(diǎn)的橫向自由滾動(dòng)相當(dāng)于延長(zhǎng)了水平跨距,同時(shí)垂向力也得到了保證.(3)基于動(dòng)力特性一致進(jìn)行優(yōu)化.系泊纜的動(dòng)力特性非常復(fù)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?cái)嘞挡蠢|的參數(shù)如表2所示,截?cái)嗨詈腿钕挡蠢|的形狀如圖5所示.圖中,R為平臺(tái)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(zhǎng)裝置由水中重量6MN的圓柱滾輪和長(zhǎng)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(fù)力水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)和全水深系泊系統(tǒng)的水平回復(fù)力特性曲線(xiàn)、垂向回復(fù)力特性曲線(xiàn)、垂向力-水平位移特性曲線(xiàn)、縱蕩縱搖耦合特性曲線(xiàn)如圖6所示.圖中:xG、zG分別為平臺(tái)重心的水平位移和垂向位移,水平位移的正向?yàn)?°方向,負(fù)向?yàn)?80°方向;Fx為系泊系統(tǒng)沿x方向的水平回復(fù)力;Fz為系泊系統(tǒng)垂向回復(fù)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(xiàn)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?cái)嘁廊淮嬖?使得180°和0°方向上的系統(tǒng)水平回復(fù)力特性仍然難于同時(shí)保持和全水深一致,如圖6(a)所示,0°方向上水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的水平回復(fù)力的絕對(duì)值偏小.為了保證系統(tǒng)的水平回復(fù)力一致,單根系泊纜的剛度明顯降低,但趨勢(shì)依然一致,如圖7所示.為了減小由于垂向截?cái)嘁鸬膴A角的快速變化,水深截?cái)嘞挡聪到y(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(rèn)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(tái)排水量的0.1%,可通過(guò)改變壓載進(jìn)行調(diào)節(jié).總體來(lái)說(shuō),根據(jù)本文的等效設(shè)計(jì)原則,水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)符合要求.3平臺(tái)系統(tǒng)的中斷深水模型試驗(yàn)3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,按照水深截?cái)嘞挡蠢|的參數(shù)和縮尺比制作了系泊纜模型.試驗(yàn)內(nèi)容包括靜水模型試驗(yàn)、白噪聲試驗(yàn)和多工況的風(fēng)、浪試驗(yàn).風(fēng)浪試驗(yàn)中沒(méi)有對(duì)流進(jìn)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(fēng)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(yàn)考慮到本文研究的重點(diǎn),列舉了180°和0°浪向的試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)中波浪測(cè)量譜和目標(biāo)譜的比較如圖8所示.圖中,Sζ(ω)為波浪的譜密度函數(shù).Spar平臺(tái)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(shù).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(shù).試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(yīng)譜和統(tǒng)計(jì)值在2個(gè)方向均較接近.縱蕩、縱搖、及系泊纜頂端張力響應(yīng)譜和統(tǒng)計(jì)值在2個(gè)方向上有一定差別,這也說(shuō)明在水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)等效設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)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?dāng)鄬酉挡聪到y(tǒng)的等效設(shè)計(jì)(1)水平截?cái)鄬?dǎo)致水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的水平回復(fù)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(yīng)盡可能利用試驗(yàn)水池的水平空間,采用適當(dāng)?shù)目缇嘌娱L(zhǎng)