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一种新型的Spar平台及其动力特性于国友,苗 青,秦怀泉(东莞理工学院建筑工程系,广东省东莞市 523808)摘 要:介绍了一种新型的Spar平台。
由于Spar平台属柔性连接结构,允许其在一定范围内运动,故二阶漂移力为系统稳定性的控制荷载,而线形波浪力则可导致系泊系统产生疲劳破坏。
为此,文中结合分析此新型平台所受水动力特性,比较其相对于现有Spar平台的优势。
由于浮筒位于水下一定深度处,新型平台所受线性波浪力和二阶波浪力均大幅度减小,尤其是后者可减至现有Spar平台受力的2%左右,所以大大地改善了平台的稳定性和系泊系统的抗疲劳破坏能力。
由于在上部平台和浮筒之间增加了导管架,使得各模块间的连接点大大减小,从而又方便了海上施工作业。
关键词:水动力特性;线性波浪力;二阶波浪力;Spar平台中图分类号:P751 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2007)01-0077-04引言随着海洋资源的开发不断地走向深海,一种新型平台Spar已被成功地建在3000m深的墨西哥湾中。
由于Spar 结构中的重力由浮筒浮力来平衡,所以其浮筒的直径一般在30m至50m之间,浮筒吃水200m左右。
虽然Spa r在正常海况下表现理想,但当波浪周期较大时平台可能与波浪发生共振,产生较大振动位移[1]。
为此,需要对其结构形式加以改进。
本文介绍并分析了一种已获国家专利的新型Spar平台[2]。
由于此平台可大大减小水平向波浪力和竖向变动浮力,所以大大提高了平台的稳定性和抗疲劳破坏能力。
水平波浪力的减小是由于在水面以下一定深度处采用导管架来代替浮筒,从而减小了迎水面面积。
同时迎水面面积的减小又减小了由于波面的变化引起的结构浮力变化,进而减小了竖向周期力的幅值,改善了系泊系统抗疲劳破坏能力。
二阶漂移力的减小可直接改善系统的稳定性,对结构起到保护作用[3]。
本文将结合比较新旧两种Spar平台形式,分析其所受线性波浪力和二阶波浪力幅值及其对平台运动的影响。
文章编号:1001-4500(2005)02-0006-06Sp ar 平台的发展趋势及其关键技术张 帆,杨建民,李润培(上海交通大学,上海200030) 摘 要:深海油气资源的大量开发加速了对适应深水环境的平台结构物的需求。
Spar 平台是一种用于深海环油气开采、生产处理加工和储存的海洋结构物。
本文介绍Spar 平台的发展趋势及其关键技术的研究,包括平台动力响应、系泊系统、疲劳分析、耦合分析以及垂荡板和侧板的设计研究。
关键词:Spar 平台;发展趋势;关键技术 中图分类号:P 75 文献标识码:A1 前言 在过去的二十年中,人们对石油的需求量急剧增长。
随着陆上石油资源的日趋枯竭,油气资源开发正在不断地向海洋发展。
据估计,海底石油储量约为1350亿t ,占世界总储量的2 3。
目前,世界上已发现的海上油气田有1600个,已有200多个油气田投入生产。
然而,这些已探明的海洋石油储量80%以上在水深500m 以内,而全部海洋面积中90%以上的水深在200m 至6000m 之间,所以大量的海域面积还有待查明。
此外,世界上除了少数海域外,大部分地区的近海油气资源也已经不能满足增长的需求,因此,油气资源开发向深海发展已成为必然趋势。
随着人类石油勘探逐渐向深水领域扩展,涌现出一些新型的适应深海海洋环境的平台。
为了减小波激运动,往往将这些新型结构物的自然频率设计得远离波浪功率谱的最大频率。
Sp ar 平台即为这种用于深海石油的开采、生产、处理加工和储存的平台结构形式之一。
与其他平台形式相比,Sp ar 平台具有以下特点[1]:・可以应用于深达3000m 水深处的石油生产;・具有较大的有效载荷;・刚性生产立管(R igid steel p roducti on risers )位于中心井内部;・由于其浮心高于重心,因此能保证无条件稳定;・与其它浮体结构相比,具有更好的运动特性;・壳体可以为钢结构或是水泥结构;・可以低成本储藏石油;・系泊系统的建造、操纵和定位较为容易;・立管等钻井设备能装置在Sp ar 内部,从而得到有效的保护。
Spar平台（深水浮筒平台）专题Spar平台（深水浮筒平台）属于顺应式平台的范畴，被广泛应用于人类开发深海的事业中，担负着钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，成为当今世界深海石油开采的有力工具。
1961年，在北海海域建造的一座浮动式工具平台，主要用于海洋研究工作。
20 世纪70年代，Royal Dutch Shell公司又在北海的中等水深中建造了一座Brent Spar平台，用作石油的储藏和装卸中心。
不过，早期建造的Spar平台结构与当前深海油气开发使用的Spar平台相比还是有区别的。
一般来讲，现代 Spar平台都具有以下几个特征（如右图所示）：Spar平台示意图1. 现代Spar平台的主体是单圆柱结构，垂直悬浮于水中，特别适宜于深水作业，在深水环境中运动稳定、安全性良好。
Spar平台主体可分为几个部分，有的部分为全封闭式结构，有的部分为开放式结构，但各部分的横截面都具有相同的直径。
由于主体吃水很深，平台的垂荡和纵荡运动幅度很小，使得Spar平台能够安装刚性的垂直立管系统，承担钻探、生产和油气输出工作。
2. Spar平台的中心处开有中央井，中央井内装有独立的立管浮筒，具有良好的灵活性。
生产立管上与平台上体的控井和生产处理设施相连，向下则一直延伸到海底油井。
Spar平台的油气产品有两种输出方式，它既可以通过柔性输油管、SCR立管或顶紧张式立管将油气产品直接输送到海底管道系统，也可以将石油储藏在 Spar平台的主体中，然后用油轮将石油向岸上运输。
由于采用了缆索系泊系统固定，使得Spar平台十分便于拖航和安装，在原油田开发完后，可以拆除系泊系统，直接转移到下一个工作地点继续使用，特别适宜于在分布面广、出油点较为分散的海洋区域进行石油探采工作。
Spar PlatformsSpar Platforms, moored to the seabed like the TLP, but whereas the TLP has vertical tension tethers the Spar has more conventional mooring lines. Spars have been designed in three configurations: the "conventional" one‐piece cylindrical hull, the "truss spar" where the midsection is composed of truss elements connecting the upper buoyant hull (called a hard tank) with the bottom soft tank containing permanent ballast, and the "cell spar" which is built from multiple vertical cylinders. The Spar may be more economical to build for small and medium sized rigs than the TLP, and has more inherent stability than a TLP since it has a large counterweight at the bottom and does not depend on the mooring to hold it upright. It also has the ability, by use of chain‐jacks attached to the mooring lines, to move horizontally over the oil field.The first Spar was Kerr‐McGee's Neptune, which is a floating production facility anchored in1,930 feet (588 m) in the Gulf of Mexico. Dominion Oil's Devil's Tower is located in 5,610 feet (1,710 m) of water, in the Gulf of Mexico, and is the world's deepest spar. The first (and only) cell spar is Kerr‐McGee's Red Hawk.sparOil and gas exploration in deep water has accelerated the need of ocean structures suitable for these depths. A spar platform is such a compliant floating structure used for deep water for the drilling, production, processing and storage of ocean deposits. This paper gives a review on the technical development of spar platform, including the research on dynamic response, mooring system, fatigue and coupled analysis and the design of heave plate and strake configuration.深海油气资源的大量开发加速了对适应深水环境的平台结构物的需求。
Spar平台涡激运动的数值模拟单铁兵;李曼【摘要】涡激运动对Spar平台的安全性影响已越来越受到重视.文中采用基于粘性流的CFD方法,对海流作用下Spar平台的涡激运动特性开展研究:确定了Spar 平台涡激运动的数值分析方法、绘制合理的网格,研究Spar平台横荡、纵荡响应以及平台在水平面内的运动轨迹特点,以及平台运动与漩涡脱落之间的关系;揭示了平台涡激运动随时间变化的发展规律,为下一步提出抑制Spar平台涡激运动的措施提供重要思路.该项研究成果将为开展Spar平台三维涡激响应分析提供一定的参考.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2018(029)004【总页数】8页(P1-8)【关键词】涡激运动;粘性流;横向运动;运动轨迹;漩涡脱落【作者】单铁兵;李曼【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011;中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011【正文语种】中文【中图分类】U661.1引言在一定的来流作用下，深吃水结构物（如Spar平台、半潜式平台）将产生较明显的横向运动，这是由于漩涡沿平台主体的尾流区域交替脱落所引起的特殊水动力现象，称为平台的涡激运动（Vortex induced motion）。
Spar平台漩涡脱落引起的振荡运动容易导致人员疲劳，涡激运动引起的大幅度偏移也将对锚泊系统的定位能力产生不利影响。
此外，长期持续的涡激运动还将缩短锚泊系统和立管系统的疲劳寿命。
因此，在锚泊和立管系统的设计上均应考虑涡激运动的影响。
由于Spar平台复杂的模型和内在机理，针对其涡激运动的研究主要集中在模型试验上。
Finn 等人［1］在 2003 年对 Cell Spar平台进行了一系列拖曳水池模型试验，基于测量出的平台涡激运动结果，确定了较优的减涡侧板外形。
Finnigan等人［2］在2009年开展了超临界Re数的Truss Spar平台涡激运动模型试验，模型仅包含平台的硬舱部分，模拟了6个自由度的运动。
SPAR研究现状及开展展望随着陆上石油资源日趋枯竭,海洋石油成为人类重要的能源来源之一,已探明的海洋石油储量80 %上在水深500m 以内,除了少数海域外,大局部地区的近海油气资源已日趋减少,向深海开发油气已成必然趋势,深海平台技术也成为国际海洋工程界的一个热点。
许多新型适应深海海洋环境的平台结构不断涌现,如顺应式平台、张力腿平台、浮式生产储油装置、Spar 平台等。
Spar 平台由于其灵活性好、建造本钱相对较低、运动性能优良,在各种深海采油平台中脱颖而出。
南海海域是世界四大油气聚集地之一,石油可采量约为100 亿t ,占我国油气资源总量的1/ 3 ,而其中70 %蕴藏于深水。
我国海洋石油目前的开发水深仅仅在200m 水深范围,深海平台技术与先进国家存在较大差距。
目前我国正积极致力于适宜南海环境的深海采油平台结构的研究,由于南海环境与墨西哥环境的相似,以及Spar 平台在墨西哥湾的成功应用,Spar 平台成为南海深海采油平台首选形式之一。
1 Spar平台简介1.1 Spar 平台开展回忆当前世界上在役和在建的Spar平台可分为三代，按其开展的时间顺序排列分别是：Classic Spar、Truss Spar和Cell Spar。
Spar 平台在1987 年之前被作为浮标、海洋科研站、海上通信中转站、海上装卸和仓储中心等辅助系统使用。
1987 年Edward E. Horton 设计了一种特别适合深水作业环境Spar 平台,被公认为现代Spar 生产平台的鼻祖。
1996 年,Kerr O McGee 公司的Neptune Classic Spar〔经典式〕建成并投产,完成了Spar 从设计构思向实际生产的转变。
随后在1998 年和1999 年Genesis Classic Spar 和Hoover Classic Spar 相继建成投产。
2001 年,Classic Spar Deep Oil Technology (DOT) 公司和Spar International 经过大量研究工作,提出桁架式Spar ——Truss Spar〔构架式〕的概念,并应用于Nansen/Boomvang 油田。
第23卷第3期2008年6月中国海洋平台CHI NA O FFSH OR E PL AT FO RM V ol.23N o.3Jun.,2008收稿日期:2007-12-29基金项目:国家863重大项目课题(2006AA09A107)作者简介:王 颖(1982 ),女,博士生,从事船舶与海洋工程方面的研究。
文章编号:1001 4500(2008)03 001 10Spar 平台涡激运动关键特性研究进展王 颖, 杨建民, 杨晨俊(上海交通大学,上海200030)摘 要:介绍了目前国际上Spar 平台涡激运动研究的概况,并从涡激运动的形成机理、涡激运动响应特征、涡激运动抑制方法、涡激运动研究及预报方法等几个方面对其关键特性进行了详细阐述,提出了这一课题未来研究方向的有关建议。
关键词:Spa r 平台;涡激运动;减涡侧板;CFD;模型试验中图分类号:P75 文献标识码:AREVIEW ON THE STUDY OF SPAR VORTEX INDUCEDMO TIONS KEY CHARACTERIS TICWANG Ying , YANG Jian min, YANG Chen jun(Shanghai Jiao T ong University,Shanghai 200030,China)Abstract:T his paper r eview s the recent studies related to spar vo rtex induced m otio nphenomeno n,and presents some key points on the v ortex shedding m echanism,the r esponsecharacteristics,the suppression method,the model test and CFD simulatio n in detail.Andso me sug gestions fo r fur ther studies in this field are pro posed.Key words:spar platfo rm;vortex induced motions;helical strake;CFD;model test0 引 言在工程各界,对物体在空气、水等流体介质中涡激振动(Vor tex Induced Vibrations,VIV )现象的研究由来已久。
涡激振动是在一定速度的来流中,由物体背后交替泻涡导致的脉动压力而引起的结构振动,可能发生在不同的结构上,如桥梁、电缆、工厂的烟囱、海洋管线等。
在海洋工程领域中,目前研究比较广泛、成果较多的是海洋平台立管及海底管线等大长细比柔性结构物的涡激振动。
而Spar 平台作为近十年间才问世并得到广泛应用的大尺度海洋平台,一方面,它的大吃水柱状主体结构决定了它在一定的流场条件下产生漩涡脱落,从而根据涡激振动原理,也将产生相应运动现象的特性;另一方面,它相对较小的纵横比、整个结构体的刚性特征,以及作为海洋平台特有的漂浮、锚泊和水动力性能,又使得它在漩涡脱落的作用下,显示出与海洋立管等细长体完全不同的运动特征。
Spar 平台的柱形主体在强流作用下引起漩涡脱落,从而产生大幅的水平运动,增加立管及锚泊系统的载荷[1]。
为了区别于一般的涡激振动,将Spar 平台这种独有的运动响应称为涡激运动(V ortex Induced Mo tions,VIM )。
Spar 平台的涡激运动(VIM )是涡激振动(VIV)中的一个特例,它的响应幅值很大,周期较长。
自从这种特殊的运动响应在安装于墨西哥湾的Spar 平台上发生并引起重视,海洋工程领域便诞生了一个新的研究课题。
目前,国际上的一些研究机构已相继开展关于Spar 平台涡激运动的研究。
相对于其排水量来说,Spar 平台水线面小,重心低,这使得Spar 平台拥有极好的稳性,并且对波浪激励具有较小的响应。
这些优良性能使得Spar 平台很快得到业界的认可并进入繁荣发展的时代。
但是与其他类型的海洋平台相比,Spar 平台在强流作用下容易发生涡激运动这一特性决定了在设计和研究过程中必须对相关方面进行更加严密的考虑。
自从第一座Spar 平台安装于墨西哥湾以来,Spar 平台主体的形状已从单独的 常规式 (Classic Spar)概念进化产生 桁架式 (T russ Spar )和 多柱式 (Cell Spar)等概念,所有这些不同形式的Spar 平台在一定的来流条件下都可能发生涡激运动。
观测数据表明,有些已安装并投入使用的Spar 平台在较高流速下已出现过涡激运动幅值高于设计期间预计值的情况[1]。
例如,2001年4月发生在墨西哥湾的M illennium 涡流作用下,安装在墨西哥湾Green Canyon Blo ck 205的ChevronTex aco Gene sis Spar 平台,经历了比锚泊及立管系统初始设计预报值大得多的涡激运动 最大的响应幅值达到了主体直径的40%,远远超过在百年一遇涡流中最大响应幅值17%的设计预报值[2]。
对于海洋结构物来说,涡激运动会增加锚链和立管的疲劳破坏,缩短总体疲劳寿命,增加结构物上的总阻尼。
对于锚泊系统和立管设计来讲,Spar 平台的涡激运动的估计非常重要,这是因为,通常的水动力性能研究中,只考虑一阶6自由度运动和二阶的纵荡、横荡、首摇3个平面运动。
如果涡激运动现象不予考虑的话,疲劳分析及锚链最大张力的结果都将偏小,导致过低估计锚链和立管的尺度参数。
相关的数据和研究方法在Mag ee 等(2003)、H uang 等(2003)关于锚链设计研究以及Bai 等(2004)关于立管特性研究的文章中都有提及[3]。
1 国内外研究概况目前,国际上已有多家研究机构展开Spar 平台涡激运动方面的研究,而国内相关方面的研究才刚刚起步。
2003年,Tr uss Spar 的概念提出不久,为了研究这种Spar 的涡激运动响应特征,优化侧板形式,Rad boud van Dijk 等[4]在荷兰MARIN 水池进行了模型试验。
改变来流方向角和流速,研究了可能的尺度效应以及主体表面粗糙度对模型试验结果的影响,并研究了涡激运动模型试验的可重复性以及表示实尺度情形的可靠性。
Van Dijk Radboud R.T.等[5]于2003年进行了模型试验,对一座T russ Spar ,分别模拟了一个完整的锚泊系统以及一个简化的水平锚泊系统,研究了锚泊系统对平台涡激运动的影响,并将模型试验结果与该平台在剪切流,如墨西哥湾飓风流作用下的运动响应进行了比较。
L.D.Finn [6]2003年对一座Cell Spar 平台提出了几种可供参考的新的减涡侧板外形,并进行了一系列拖曳水池模型试验,测量涡激运动响应,并改变具体的平台参数,来研究Spar 主体及锚泊系统特征对其涡激运动响应的影响,得到侧板优化后的涡激运动响应结果。
Allan Magee 等[7]2003年研究了考虑涡激运动而进行的锚泊系统设计。
突出了环流海况的方向分布,以及考虑Spar 锚链方向影响和涡激运动之间关系的必要性。
例如,流速和不同来流方向下由锚泊系统布置的不对称性导致的不同横荡固有周期,会使折合速度发生变化。
另外,Spar 的涡激运动响应本身也由于不对称的侧板布置及其他不对称的主体外部附属物而呈现方向性。
由涡激运动引起的方向刚度和拖曳力增加也可能影响最大位移和锚链力。
采用两种分析方法来得到涡激运动引起的锚链载荷。
第一种,DRIVESIM,强迫Spar 主体以给定振幅做 8 字型运动。
锚链力与拖曳力一致,由主体拖曳力系数得出;第二种,FORCE IT,对主体施加一个力,使其达到需要的涡激运动振幅,从而使锚泊系统的非线性特征满足动平衡。
Ir ani 和Finn [8]2004年对Spar 涡激运动进行了低Re 数6自由度的模型试验,Yung 等[9]2004年进行了较高R e 数模型试验方法的研究。
Sm ith David W.等[2]2004年采取后报的方式,在过去发生的涡激运动事件中估计系统的疲劳及损毁程度,从而致力于研究在未来可能发生的大规模涡激运动中保证平台结构完整及安全性的永久性解决方法。
他们进行的工作有:分析锚链拉力的实测数据;估计导缆孔处锚链线的应力集中情况;大幅/低周条件下疲 2 中国海洋平台 第23卷 第3期劳破坏估计;累积损耗情况估计;根据针对Genesis Spar 疲劳分析的结果,提出了改进方案:为保证足够的疲劳强度,降低在未来可能发生的涡激运动下产生结构破坏的风险,建议替换14根锚链当中4根的导缆孔处链条部分。
Bybee 和Karen [10]在2005年通过理论分析、模型试验及实地测量等各种方法,对Classic Spar 涡激运动进行预报,同时关注锚链和立管在涡激运动下的疲劳。
Oakley Jr.Ow en H 等[1]2005年研究了Classic Spar 平台分别在均匀流和剪切流中的涡激运动。
研究了对飓风流或环流引起的分层流的模拟方法,提出了模型试验和数值模拟的相关建议,讨论了来流温度和盐度变化引起的浮力变化的潜在影响。
比较了小缩尺比下模型试验和数值模拟结果,并用CFD 方法,采用分离涡模拟(DES)湍流模型预测了实型的涡激运动情况。
Ir ani 等人[11]在2005年进行了一系列模型试验,以研究T russ Spar 的螺旋式减涡侧板的有效性,试验模拟了包括平台主体及桁架几何形状、质量和锚泊系统特性等重要参数,测试了不同的侧板形式,考虑了涡激运动中Spar 平台螺旋式侧板强度和疲劳并提出有效的改进方案;Thiagarajan K.P.等[12]2005年用CFD 工具,对光滑圆柱和安装侧板的圆柱在均匀流中的涡激运动特征进行了比较,所用的圆柱与Irani 等2005年模型试验中的T russ Spar 模型的硬舱部分相同。
H alky ar d John 等[13]2005年利用模型试验对一座T russ Spar 平台的CFD 模拟结果进行验证,并进行了CFD 基准研究。
模型试验在拖曳水池中进行。
着重研究来流方向、折合速度和侧板螺距对涡激运动响应的影响。
所有的计算和试验都针对1 40的模型进行。
进行了拖曳试验后,也用同一模型在海洋工程水池中造流进行了试验。
模型自由漂浮,通过代表锚链刚度的4个线性弹簧连接在拖车上。
试验Re 数范围为40000~150000,折合速度为3~11。
Kallinderis Yannis 等[14]2005年通过一个流固强耦合求解的数值方法研究了涡激运动中数值求解过程的稳定性和计算量、流固耦合求解器限制的时间步长、3D 计算的额外计算网格数、高R e 数下湍流模型的精度和计算量等问题。
