Spar平台与刚性立管及浮力罐耦合动力研究综述

文章编号:1005 9865(2008)02 0140 07Spar 平台与刚性立管及浮力罐耦合动力研究综述王 颖,杨建民,肖龙飞(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200030)摘 要:Spar 平台是深水和超深水海域中极具竞争力的平台类型。

Spar 平台中刚性立管顶端所需的张力由月池内部的浮力罐提供,浮力罐在水平方向由导向架支撑。

平台运动过程中,浮力罐及立管与平台主体发生相对运动和相互动力作用,在水平方向上发生带有空隙效应的碰撞现象,在垂向产生库仑摩擦效应。

这是一种复杂的非线性多点接触耦合动力现象,对平台主体和浮力罐的运动及性能都有着重要影响。

因此,无论从平台主体设计及水动力性能方面,还是从浮力罐疲劳分析及安全性方面考虑,都有必要对Spar 平台与浮力罐之间的耦合动力作用进行深入的研究。

在介绍目前国际上Spar 平台与浮力罐相关研究情况及进展的基础上,提出了今后研究的有关建议。

关键词:Spar 平台;浮力罐;耦合运动;刚性立管;导向架中图分类号:P75 文献标识码:AReview on the study of coupled analysis of Spar platform,TTR and Buoyancy CanWANG Ying,YANG Jian min,XIAO Long fei(State Key Lab of Ocean Engineering.,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,Chi na)Abstract:Spars are the most attractive types of deep and ultra deep water production platforms.The top tensioned risers (TTR)are i mportant facilities on Spar platforms.T he top tension of a riser is provided by the buoyancy cans that are laterally supported by guide frames.During the moti ons of a Spar in a certain sea state,the buoyancy cans and TTRs will induce relative moti on and dynamic interaction wi th the main hull.Thus,it causes the occurrence of both collisions with gap effect in the lateral direction and Coulomb damping in the vertical direction.It is a complicated nonlinear multi contact coupling phenomenon,and it affects the motion performances of both the main body and the buoyancy cans.Not only for the design and hydrodynamic performance study of the main body,but also for the fatigue analysis and safety of the buoyancy cans,i t is necessary to pay much attention to the coupled dynamic analysis of the Spar wi th buoyancy can.This paper presents the related studies and achievemen ts in recent years.The suggestions for further s tudies i n this field are made as well.Key words:Spar platform;buoyancy can;coupled motion;top tensioned risers;guide frame收稿日期:2007 07 20基金项目:上海市科委重大基础研究课题资助项目(05DJ14001)作者简介:王 颖(1982-),女,河北唐山人,博士生,从事船舶与海洋工程方面的研究。

20世纪90年代后期至今,Spar 平台得到了蓬勃的发展,成为当今世界深海油气开采的有力工具之一。

Spar 平台具有以下优点:重心低于浮心,在波浪中十分稳定;适应于任意角度的风浪,首摇运动很小;各方向运动的固有周期远离常见波浪周期,具有优良的运动性能;具有较大的有效载荷,柱体内部可用于低成本储油;深吃水的主体结构形成对立管的良好保护;运动响应对水深变化不敏感,更适宜于在深水海域应用[1,2]。

目前,国内外对Spar 平台的研究主要集中在平台动力响应、系泊系统、疲劳分析、垂荡板和侧板的设计以及平台主体与系泊系统、平台构件之间相互作用的耦合分析等方面。

耦合分析工具和实际工程经验相结合,可以比较准确地预报平台的总体运动以及锚链和立管的张力,这些数据对平台设计过程中的主体尺度、结构设计、总体建造预算等方面都起到相当重要的作用[3]。

随着平台作业水深越来越大,立管系统的动力分析在平台响应预报中的作用越来越重要。

在深水环境条件下的水动力分析过程中,为了得到系统运动的精第26卷第2期2008年5月海洋工程THE OCE AN ENGINEERING Vol 26No 2May 2008确预报,不仅需要对平台主体外部立管的粘性阻尼、惯性质量、流载荷以及回复力进行充分地模拟,主体月池内部的立管部分也应引起充分的重视[4]。

Spar 平台诞生及使用之初,曾经出现立管导向架和平台主体壁面之间焊缝破裂的现象,也曾出现因导向架和浮力罐之间的碰撞而导致浮力罐破损的事故[5]。

这些事故原因是月池内部浮力罐及其支持的刚性立管和导向架之间的相对运动。

因此,研究浮力罐及立管与导向架之间相对运动规律、相互作用方式以及接触力的大小和作用规律等特征对于平台安全性十分重要。

另外,考虑浮力罐影响而对Spar 平台总体运动进行研究,能够更精确地预报平台在各种海洋环境中的运动情况,为Spar 平台的设计研究提供更加真实准确的依据。

因此,刚性立管、浮力罐与导向架间的碰撞问题近年来成为研究的热点问题之一,Spar 平台与刚性立管及浮力罐非线性耦合动力研究,成为Spar 平台水动力性能研究的重要方面。

目前,对Spar 平台与刚性立管及浮力罐之间的非线性耦合运动,国外已进行一些相关研究,在理论分析、数值计算及实验验证等方面取得一定的成果。

而国内对于Spar 平台浮力罐的研究还处于起步阶段。

综合近几年来各国学者对相关问题所做的工作,总结该领域取得的研究成果,为今后进一步的研究提供参考。

1 刚性立管与浮力罐系统简介Spar 平台的垂荡运动很小,因此它可以支持刚性立管(TTR)和干式采油树(dry trees)。

与固定式平台和张力腿平台的立管相比,Spar 平台中的刚性立管有如下特点:1)由于每个立管通过自带的浮力罐提供顶端张力支持,浮力罐在垂直方向上可以与Spar 平台发生相对独立的自由移动,因此立管的轴向载荷与平台主体运动解耦;2)浮力罐在水平方向上受到导向架的约束(如图1、2),浮力罐和导向架之间的作用力取决于Spar 平台的水平运动、浮力罐和导向架之间的空隙、以及导向架和浮力罐之间的相对刚度;3)在Spar 平台底部基线处,立管与导向架之间有一种专门的底部连接装置,它允许平台主体和立管之间有相对运动。

图1 Spar 平台、浮力罐和立管导向架示意Fig.1 Configuration of Spar platform,TTRs and buoyancycans 图2 Spar 平台月池实物Fig.2 Photo of the moonpool具有以上特点的浮力罐系统称为浮力罐立管张紧装置(buoyancy can riser tensioner,BC RT),如图1所示。

它最主要的作用是为刚性立管系统提供张力以避免将立管重量转移到平台上。

同时,采用BCRT,可以限制或减少立管系统本身与平台主体之间的相互作用。

对于深水海域开发而言,这一特征在有效设计浮式平台和立管系统的过程中起到了重要的作用。

虽然BC RT 系统在垂向上使立管重量由浮力罐提供的浮力独立平衡而不转移到平台主体上,但是它在一些接触点上与平台主体发生横向碰撞。

为了减小立管运动以及相互碰撞对浮力罐和主体的破坏作用,可以采用异型橡胶缓冲垫,通过螺栓安装在接触点处。

随着对Spar 平台研究的不断深入和技术水平的不断提高,出现了称为 顺应式导向架 (compliant guides,CG)[6]的装置。

通过在接触面上安装该装置,可以减小Spar 平台主体与BCRT 之间可能发生的水平碰撞以及动载荷。

顺应式141第2期王 颖,等:Spar 平台与刚性立管及浮力罐耦合动力研究综述142海 洋 工 程第26卷导向架允许B CRT在立管轴向上的相对自由滑移,通过提供横向的顺应式结构来防止或减小横向碰撞载荷。

顺应式导向架由高强度耐磨损的材料制成,如人造橡胶材料。

在平台主体和BCRT之间安装顺应式导向构件已经得到了实际应用,第一座应用顺应式导向构件的Spar平台是2002年安装在墨西哥湾1654m水深海域中的Horn Mountain Spar[6]。

2 Spar平台耦合运动研究的发展Spar平台诞生后很长一段时间,在立管和锚泊系统设计过程中,都采用非耦合的准静态分析(将立管和锚链模拟为无质量的线性或非线性弹簧,计算平台主体响应,而后根据静态荷载来估计立管或锚链张力)或部分耦合的动态分析(将立管和锚链模拟为无质量的线性或非线性弹簧,计算导缆孔处的运动,然后对每根立管或锚链进行动力分析)。

由Neptune Spar平台等反馈的实测数据表明[7],平台在实际作业中的垂荡运动比非耦合分析的预报结果要小得多。

研究人员认为,出现这种情况的原因可能是非耦合分析中没有考虑立管和导向架之间的摩擦以及锚链拖曳产生的阻尼。

随着水深不断增加,锚链和立管产生的惯性和阻尼影响也不断增大,在这种情况下,非耦合分析方法无法再保证结果的精确性。

随着对Spar平台认识的不断深入,一些学者对Spar平台及其锚泊系统的时域耦合分析方法进行了研究,如Mekha等[8]、Cao和Zhang[9]、Ran等[10]、Kim等[11]和Ma等[12]。