张力腿平台压载系统设计

压载系统作为张力腿平台(TLP)重要的船用系统,其设计情况直接影响平台的稳性与安全性。本文以适用于南海某油田的一型张力腿平台为例,针对张力腿平台服役前阶段和在位作业期间的不同工况特点,提出了“永久+临时”的压、排载方案,并对张力腿平台压载系统的设计与计算进行了详细的分析研究,为今后国内张力腿平台压载系统的设计提供借鉴与参考。

深水张力腿平台的结构形式

通过对三种不同的张力腿平台结构设计形式的分析 ,明确了各种结构形式的特点 ,提出了关于张力腿平台结构形式不断优化这一方面的研究发展方向。

海洋内孤立波中张力腿平台的水动力特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式研究了两层流体中内孤立波与张力腿平台(TLP)的相互作用,针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算并分析了国际船舶结构力学会议提供的张力腿平台(ISSC-TLP)的内孤立波冲击载荷与运动响应,以及张力腿的张力变化特性.结果表明,内孤立波将对张力腿平台产生突发性的冲击载荷以及大幅度水平漂移运动,并使得张力腿的张力显著增大.

深水张力腿平台与系泊系统的耦合动力响应

把张力腿简化为非线性梁结构,运用Hamilton原理,推导出平面情况下平台本体与张力腿系泊系统的耦合运动方程及边界条件;分析了不同流场条件下,两种不同张力腿模型(非线性梁和无质量弹簧模型)对平台动力响应预测结果的影响;分析结果表明:随着流场条件的不同,采用不同的张力腿简化模型得到的平台动力响应预测结果具有明显的不同。阐明了两种模型所得结果产生差异的原因。

张力腿平台内孤立波载荷及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下张力腿平台的载荷特性开展了系列实验.基于两层流体内孤立波KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(MiyataChoi-Camassa)理论,建立了张力腿平台内孤立波载荷的理论模型,给出了该理论模型中三类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,张力腿平台的内孤立波水平载荷包括立柱与沉箱部分的拖曳力和惯性力,可由Morison公式进行计算,而其竖向载荷主要为竖向Froude-Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在立柱底部及沉箱上下湿表面进行积分计算.系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC(Keulegan-Carpenter)数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论模型获得的张力腿平台水平力、竖向力及其力矩的计算结果与系列实验结果吻合.本项研究在系列实验基础上,为海洋工程张力腿平台的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型.

有限位移下张力腿平台的非线性动力响应

与一阶无限小位移情况不同,张力腿平台(TLP)发生有限位移时,所受外力与响应耦合,运动方程也必须在瞬时位置建立。建立了有限位移情况下张力腿平台非线性动力响应分析模型,其中考虑了由六自由度有限位移引起的多种非线性因素,如各自由度之间的耦合、瞬时位置、瞬时湿表面等;还包括自由表面效应、粘性力等因素引起的非线性。推导出张力腿平台六自由度有限运动非线性控制方程。对一个名为“ISSCTLP”的典型张力腿平台进行了数值计算,求得该平台在规则波作用下的六自由度运动响应。用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好。数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应有明显改变。

水平荷载作用下张力腿平台吸力式基础的物理模拟

介绍了张力腿平台吸力式基础在水平静载和循环动荷载作用下的离心模型试验。通过水平静载离心试验获得了基础的水平承载力。利用电磁式激振器模拟动荷载,研究在动荷载作用下吸力式基础的动力响应,并比较了荷载强度和基础刚度对基础动力响应的影响。分析结果表明,在动荷载作用下,泥面下1～2 m深度内土体中孔压最大。当动荷载强度超过临界承载力时,基础周围土体有非常强的液化可能性。综合孔压变化和基础沉降规律分析基础有两种可能的破坏模式:振动最初1～2 h内的液化破坏和长时间激振后沉降过大引发的问题。将单桶连接成多桶基础,增大基础刚度,在相同动载强度下,周围孔压增长和激振沉降均小于承受相同荷载条件的单桶基础。

基于累积损伤的张力腿平台疲劳及时变可靠性评估

张力腿平台在各种恶劣海况和复杂交变载荷作用下,平台结构疲劳破坏是结构失效的重要形式.首先,基于累积损伤的疲劳寿命谱分析方法,系统地建立了平台关键部位的疲劳可靠性分析方法.然后,建立张力腿平台的整体结构模型,计算得到其在工作海况下主体结构的应力传递函数.同时引入疲劳累积损伤增加函数,提出了一种针对平台各关键部位的疲劳可靠性的时变性分析方法,得到张力腿平台的时变疲劳可靠度,并通过实例计算验证了方法的适用性和可靠性.

考虑多种非线性因素的张力腿平台动力响应

建立了一种考虑多种非线性因素的张力腿平台(TLP)分析模型,其中包括六自由度有限位移,各自由度之间的耦合,瞬时湿表面,瞬时位置,自由表面效应及粘性力等因素引起的非线性。推导出TLP六自由度非线性运动方程。对某典型张力腿平台ISSC TLP进行了时域上的数值计算,求得该平台在规则波作用下的六自由度运动响应。用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好。数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应明显改变,建议在设计TLP平台的时候,考虑非线性因素的影响。

张力腿平台有限振幅运动的方程和数值解

论证了张力腿平台(TLP)在波浪作用下发生有限振幅运动时,所受惯性力、粘性力、浮力等载荷不仅与波浪场有关,还与瞬时响应有关,是响应的非线性函数;张力腿拉力也是各自由度位移的非线性函数.所以分析TLP受力时必须考虑平台的瞬时加速度、速度和位移,在瞬时位置建立运动方程.据此推导出TLP发生有限振幅运动时的外力计算公式,建立了TLP 6自由度有限振幅运动非线性控制方程.其中考虑了由6自由度有限位移引起的多种非线性因素,如各自由度之间的耦合、瞬时湿表面、瞬时位置等;还包括自由表面效应、粘性力等因素引起的非线性.用数值方法求解所得到的非线性运动方程.对典型平台ISSC TLP进行了数值分析,求得该平台在规则波作用下的6自由度运动响应.用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好.数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应有明显改变.

基于AQWA的张力腿平台动力响应分析

为研究极端海况下张力腿平台(TLP)的动力响应性能,对一典型传统式TLP平台进行整体设计,并应用势流理论和波浪的辐射/衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,考虑随机波浪载荷及风、流载荷的共同作用,对平台在极端海况下的动力响应进行了数值模拟分析,计算在多个不同入射角波浪作用下的平台六个自由度上运动的幅值响应算子(RAOs),模拟分析在极端海况P-M波浪谱作用下平台的动力响应和张力腿的运动响应.结果表明:波浪入射角的不同对平台垂荡运动的RAOs没有明显的影响,对另外5个方向运动RAOs的幅值有明显影响;张力腿提供的附加刚度,对平台上体纵、横摇及垂荡响应作用明显,对平台纵、横荡及首摇也有一定的限制作用;平台的动力响应主要由波浪荷载引起;张力腿在平台上体带动及流荷载作用下会产生较大幅度运动.总之,在张力腿的有效约束下TLP平台可以避开能量集中的波浪频率,表现出良好的纵、横摇及垂荡性能,而张力腿的安全和性能将成为平台安全和性能的重要指标.

张力腿平台总体响应分析方法研究

张力腿平台(TLP)作为典型的深水顺应式平台,其总体响应分析对于平台设计过程至关重要。分析技术关系到计算效率和相关耦合效应的处理,本文介绍了张力腿平台的基本结构及其运动特点,分析了平台总体响应分析的基本方法,包括频域分析和时域分析的方法,将不同的分析技术相结合,提供了不同的分析策略,为张力腿平台总体响应分析的深入研究提供了一定的基础。

张力腿平台的环境荷载及响应

通过对张力腿平台的资料分析和案例模拟研究，概括了张力腿平台的环境荷载，探讨了平均环境荷载、波频荷载、低频荷载和高频荷载对张力腿平台运动的影响，分析了张力腿平台的运动特点，介绍了环境荷载与平台响应计算中所涉及到的关键因素以及世界上通用的设计规范，提出了开展我国深水海域开发研究的建议。

中等水深轻型张力腿平台型式研究

根据我国海上边际油田的分布特点 ,10 0m～ 30 0m左右中等水深范围是一个很有开发潜力的海域。运用常规技术已很难在这一海域取得更大的经济效益。而更经济有效地开发这些边际油田对我国来说具有重大意义。本文对适合我国中等水深海域边际油田开发的轻型张力腿平台型式进行了探索 ,提出了三种轻型张力腿平台 ,对其运动性能及系索张力进行了比较 ,以期找到适合我国中深水海域边际油田开发的张力腿平台型式。

张力腿平台及其基础设计

海洋工程油气开发逐步向深海域进军 ,资料表明 2 1世纪深海的石油、天然气将是主要能源之一。目前主要的深海石油平台形式是张力腿平台 ,其结构一般由平台本体、张力腿系统和基础系统三部分组成。基础部分不但承受着结构上部及海底的各种载荷 ,而且为结构提供必要的稳定性和安全性。本文通过对当今世界已建成投产的 9座深海张力腿平台及其基础形式进行分析 ,剖析它们的基础设计思想 ,为我国深海张力腿平台的设计提供参考。

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。

两种典型立柱截面张力腿平台的涡激运动试验研究

借助模型试验方法,分别对圆柱和方柱式张力腿平台进行了涡激运动试验研究。研究发现,立柱截面形式对张力腿平台尾涡脱落模式、横向运动幅值、振荡频率和运动轨迹等涡激特性有较大影响。圆截面立柱时,涡激阻力频率是升力频率的两倍,平台的涡激运动响应以横向为主(约0.6D),运动轨迹为较规则的扁"8字形",并随来流角度不同呈肥瘦变化;而方截面立柱时,涡激升阻力频率关系和运动轨迹随来流角度的不同而变化,且横向和顺流向运动幅值大体相等(约0.1D),远小于圆截面立柱平台的涡激响应。

张力腿平台系泊系统敏感性分析

张力腿平台是一种典型的深水采油平台,其优良的运动性能得到了业内的认可。针对一座传统式张力腿平台进行了数值模拟和分析,得到平台的动态响应。对极端工况下平台筋腱不同的刚度、布置角度、预张力和筋腱数目进行了计算和对比,得到了系泊筋腱受力以及平台位移的时历曲线。通过数据的分析得到了一些在实际工程应用中有用的结论。

张力腿平台水动力参数计算

张力腿平台作为一种深水平台 ,其半顺应半固定的运动特征 ,成为在复杂的深海海洋环境中进行海洋石油勘探、开采一种重要结构型式。在张力腿平台波浪载荷的计算中根据产生波动流场的因素不同将波浪载荷分为绕射效应和辐射效应。本文对辐射效应深入研究并以附加质量、附加阻尼等水动力参数的形式计算了辐射效应对张力腿平台的载荷影响。在计算水动力参数时将平台简化为浮式直立柱群 ,采用势流理论 ,引进改进平面波法计入柱体间水动力相互作用得到辐射波速度势的半解析解 ,引入大间距假设、通过非平面波修正 。

张力腿平台系索疲劳可靠性研究

提出了一种解决张力腿平台系索疲劳可靠性问题的思路.假设波浪载荷的长期分布是由k个短期海况组成,且每一海况中的应力范围的短期分布服从Rayleigh分布.利用整个张力腿平台动力响应分析以及系索有限元应力分析得到系索结构的应力谱,采用两种方法对张力腿平台系索疲劳可靠性进行了研究.首先,采用Miner线性累积损伤模型,并考虑了平均应力的影响以及进行了雨流修正,对系索结构进行了疲劳可靠性分析;随后,建立了疲劳裂纹扩展随机变量模型,利用Paris公式对系索结构进行疲劳可靠性研究.