半潜式生产平台上部组块总体布置探索

随着海洋石油开发向深水水域的深入,深水生产平台的使用愈发普遍。半潜式生产平台作为主要的深海石油平台,得到了广泛应用,其结构主要由上部组块、立柱、下部浮体、系泊系统等组成。上部组块总体布置对半潜式生产平台功能的实现,重量重心的控制,下部浮体总体性能的优化起到重要作用。文章首先介绍了半潜式生产平台的特点及上部组块甲板的主要类型,以中国南海某气田半潜式生产平台开发方案为实例,分析总结半潜式生产平台上部组块总体布置要点,为国内海洋工程设计人员进行深水半潜式生产平台设计提供参考。     

系泊缆破断对半潜式平台水动力性能影响的试验研究

系泊缆破断是浮式平台系泊系统设计的关键因素。本文针对系泊缆破断对半潜式平台水动力性能影响的问题,对一半潜式平台开展模型试验,研究在极端海况下,平台在系泊系统完整与系泊系统破断工况下的系泊缆载荷,以及平台运动和波浪爬升响应差异。试验结果显示,系泊缆破断会造成邻近系泊缆张力均值增加;平台发生大范围水平偏移;在0°载荷方向下,平台纵摇固有频率会发生偏移;在90°载荷方向下,平台迎浪侧波浪爬升高度发生明显变化。研究结果可为半潜式平台的设计与验证提供参考,从而保障平台安全。     

极限波浪作用下半潜式平台水动力特性

针对在极限波浪作用下的半潜式海洋平台的水动力特性,采用基于边界元法的AQWA水动力学软件对其进行数值模拟研究。建立某半潜式海洋钻井平台的三维水动力频域分析模型,通过数值计算得到平台的附加质量、辐射阻尼和运动响应;通过Cumins法将频域计算结果转换引入时域分析模块,建立平台的三维水动力时域分析模型,计算平台在工作和自存工况下的时域水动力响应,并将低频响应与波频响应进行对比,同时计算与校核在两种工况下的系泊绳系泊力,并由此优化设计确定平台的系泊系统;采用确定性设计波法确定在不同工况下的设计波,通过接口命令流将波浪载荷映射在平台整体结构上,由此可以得到平台在不同工况下的波浪载荷;给出半潜式海洋平台水动力计算及分析的系统性方法及实例,对半潜式海洋平台初步方案设计具有一定的参考价值。     

半潜式海洋生活平台导缆器基座结构疲劳分析

以某半潜式海洋生活平台导缆器基座结构为例,基于DNV GL船级社规范,介绍一种针对低频张力与波频张力产生的组合疲劳损伤的分析方法。以系泊分析结果作为载荷输入条件,利用SESAM/GeniE软件进行有限元分析,得到结构在某一工况条件下应力过程低频(波频)部分的标准差,通过线性换算可得到其他工况应力过程低频(波频)部分的标准差。考虑板厚效应,进一步可确定该工况条件下组合低频与波频应力响应过程的零阶谱矩。基于双斜率S-N曲线疲劳损伤公式,考虑平台使用年限、设计疲劳因子及某一海况发生的概率,分别计算疲劳损伤值D_1和D_2;根据Miner准则可得到设计使用年限内累积的疲劳损伤。基于DNV GL规范,对导缆器基座结构进行疲劳分析校核;该疲劳分析方法同样适用于承受低频和波频载荷的其他浮式海洋结构物系泊系统基座的疲劳分析。     

考虑多种波浪工况的半潜平台总体强度分析

半潜式平台总体强度分析中,典型波浪工况的确定对平台结构的安全性具有重要影响。根据规范和目前波浪载荷工况的研究成果,同时结合对半潜式平台结构特性和高应力区域的分析,确定了多个剖面下的危险波浪载荷工况,采用规范推荐的基于谱分析的随机性设计波法和长期预报法对目标半潜式平台的自存工况进行水动力载荷预报,得到设计波参数,并计算平台结构响应。通过对各个载荷工况下的结构应力结果分析,得到了控制平台总体强度的关键波浪工况和两种设计波方法下结构响应的差异。该文研究成果可供类似结构的深水半潜式平台整体强度分析参考。     

极端载荷下半潜式平台系泊方法及性能对比

以某深水半潜式平台为研究对象,针对1 400 m 工作水深的12点系泊系统,采用时域耦合分析方法对比分析南海某设计工况下张紧式系泊与悬链线式系泊平台的运动响应和系泊缆动力特性,进而研究极端载荷作用下受力最大的系泊缆断裂时二者的变化情况。结果表明：与悬链线式系泊相比,无论是完整状态抑或是破断状态,张紧式系泊均具有更好的系泊性能,但聚酯缆材料的刚度非线性程度较大。分析结果可为系泊系统的设计与选择提供参考。     

半潜式平台整体结构设计的波浪载荷研究

在深入研究设计波方法的基础上,提出了适合于半潜式平台整体结构设计的确定性设计波法、随机性设计波法和长期预报设计波法,并结合DNV规范提出的6个特征载荷工况给出了半潜式平台整体结构设计的波浪载荷具体计算方法及流程。以实际半潜式平台为例,根据其作业海域,将3种设计波方法应用于波浪载荷计算,并进行了对比分析。结果表明,本文提出的方法可为半潜式平台的波浪载荷计算提供参考,对半潜式平台的整体结构设计具有一定的指导意义。     

深水半潜式钻井平台防台措施探讨

中国南海台风频发,给海洋油气资源安全高效的开发带来了一定的挑战。随着近海石油资源的日益减少,未来海洋石油开发将逐渐聚焦深水区。深水半潜式钻井平台是南海深远海重要的钻井装备。因中国南海台风强度大且其产生经常出人预料,在某些平台无法紧急撤台的情况下,如何有效避台或减小台风对平台造成的损失是工程设计人员必须面对的问题。以某座深水半潜式钻井平台为研究对象,详细分析了深水半潜式钻井平台避台原则及防台措施,并讨论了调整平台艏向对减小平台整体受力的影响。采用三维势流理论和时域耦合分析方法计算平台在不同吃水下的总体性能,分析对平台系泊张力及运动性能的影响,探讨通过改变平台吃水而降低系泊系统的受载,从而避免系泊系统破坏的可行性,最终得到可指导平台操作的结论。     

深水半潜式钻井平台总体强度计算技术研究

为研究深水半潜式钻井平台总体强度计算技术,以3000m深水半潜式钻井平台为实例,分析考虑的载荷工况包括拖航、操作和生存3种工况,根据这3种工况计算设计波参数,并通过计算获得在这3种工况下的波浪载荷。在建立了深水半潜式钻井平台的总体结构模型后,对结构模型施加设计波浪载荷,通过有限元计算分析,获得了总体结构的应力计算结果和应力分布趋势,为结构总体强度的评估提供了依据。     

新型北极冰区半潜式钻井平台及其系泊定位能力分析

为降低北极海上油气勘探开发成本,迫切需要适合北极作业的海洋工程装备。针对这一问题提出一种可以用于北极海上钻井作业的新型半潜式钻井平台概念。该平台采用6立柱双浮筒形式,平台立柱上部设计为倾斜形式以降低作用在平台上的冰载荷。为保证破碎后的海冰不影响钻井作业,平台设计立管防护装置和锚链防冰装置。分别对平台设计条件、主尺度、系泊系统设计情况进行介绍,并采用商业分析软件对平台在夏季和有冰季节的系泊定位能力进行分析。分析结果表明：该半潜式钻井平台可在北极夏季开阔水域和冬季海面结冰情况下进行钻井作业;平台可在1.0 m厚的海冰作用下保持作业能力,在1.5 m厚的海冰作用下保持自存能力;平台系泊定位能力满足北极钻井作业的要求。     

系泊锚在海上浮式风机中的应用

综合调研现有海上浮式风机的种类、特征和系泊锚的基本情况,对于现有浮式风机常用的吸力锚、拖曳锚、重力锚在实际工程中的应用、设计施工考虑要点、优势与局限性进行分析。结果表明,深吃水立柱式(Spar)结构配吸力锚、半潜式结构配拖曳锚、张力腿平台(Tension Leg Platform, TLP)结构配重力锚是目前常用的配套形式,其中半潜式结构配拖曳锚认可度最高。上述结果可为我国海上浮式风机系泊锚型的选取与设计提供相应的参考依据。     

考虑多场耦合的碰撞载荷下半潜式风机动力响应

以DeepCwind浮式风机为研究对象,确定典型碰撞事故场景,提出一种风-浪-系泊耦合场景下船舶-浮式风机碰撞动态响应数值分析方法。基于FAST程序获得不同海况下半潜式风机的气动推力、水动力参数和系泊张力,再利用LS-DYNA中的Subroutine Loadud子程序完成加载以实时更新计算水动力载荷,同时考虑系泊载荷和气动载荷的耦合作用。在此基础上,基于LS-DYNA软件开展多场耦合的碰撞载荷作用下浮式风机动力响应研究,分析船舶撞击对浮式风机动力响应的影响。结果显示：撞击船的动能大部分转化为浮式风机的动能,风机浮筒所产生的应力应变主要分布于浮筒的撞击区域,且浮筒的结构应力呈现先增大后减小的趋势。     

海上浮式风机码头系泊方案及系统动力响应

研究浮式风机整机码头系泊方案及环境载荷作用下的动力响应。考虑钢缆-尼龙缆复合缆、非线性护舷,设计高位系泊和低位系泊两种浮式风机的码头系泊方案。考虑风浪流环境载荷,计算浮式风机整机码头系泊的动力响应,分析系泊方式、浪向、谱峰周期等参数对浮式风机运动、机舱加速度、缆绳张力等的影响。结果表明：针对给定的环境参数,浮式风机各自由度运动极值都不大,在90°浪向下浮式风机的运动最明显;高位系泊比低位系泊更安全,在施工允许的情况下,采用较高的系泊位置是有利的。所作研究为浮式风机系统码头系泊方案提供参考。     

浮式风电装备动态响应敏感性参数分析

为研究各参数对浮式风电装备动态响应的影响程度,寻找响应变化规律和设计优化方向,根据海装6.2 MW浮式风电装备参数进行一体化仿真。结合规范要求、设计经验和环境条件特点,针对不同环境条件的重现期、风谱类型、波浪谱类型、极端阵风周期进行参数敏感性分析,得到浮式风电装备不同部分动态响应结果。结果表明：不同环境条件的重现期和组合方式对运动响应和锚链张力影响十分明显,对机组载荷的影响则与机组所处状态相关;风谱类型主要影响机组载荷,对平台运动和锚链张力影响不大,考虑空间相干性的湍流风谱结果最危险;波浪谱类型对运动幅值和锚链张力极值影响较大,在发电工况下对机组载荷的影响较小,但在空转工况下对机组载荷的影响较大;阵风周期对运动响应、塔筒载荷、机舱加速度影响相对明显,但对轮毂载荷、锚链张力影响不大。     

半潜式浮式风电平台立柱波面爬升特性试验

以新型3立柱半潜式浮式风机平台为研究对象,建立全耦合物理水池试验模型。采用水池模型试验对浮式风电平台各立柱附近波面爬升特性进行研究。结果表明：在线性频域范围内,当波浪周期小于17 s时立柱波面爬升幅值响应不受浪向影响;叶片旋转和塔筒耦合谐振激励对波面爬升没有显著影响;最小气隙主要发生在背浪向立柱,并且受系泊缆分布不对称影响。     

变水深地形下半潜式生产生活平台系泊性能

综合考虑地形条件的影响,针对半潜式生产生活平台及其系泊系统开展数值计算和模型试验,对平台在不同海况下的运动响应、系泊力等结果进行对比分析,验证平台系泊系统的安全性。研究结果一方面可为系泊系统的进一步优化提供数据基础,另一方面可为平台的实际工程应用提供理论和技术支撑。     

基于水深截断的深水系泊系统计算

以工作水深为1 500 m的半潜式钻井平台为目标平台,依据600 m等效水深截断的试验结果,通过数值重构计算模型的对比分析,得到可用于全水深计算的水动力参数,并对1 500 m全水深的运动响应和系泊缆受力进行评估。评估结果表明,水深截断可用于深水系泊系统的初步设计。     

基于气动-水动-结构耦合模型的半潜风机动力响应分析

针对我国海洋环境条件,提出一种新型半潜式浮式基础,用于支撑5 MW海上风机。针对该新型浮式风机系统,采用叶素动量理论计算风轮所受气动载荷,采用三维势流理论计算基础水动力性能,分别采用杆单元和梁单元模型,基于有限元方法计算柔性体的动力响应。建立气动-水动-结构耦合的动力学分析模型,针对切入、额定和切出海况,在时域内计算风机的动力响应特性。计算结果表明：在不同作业海况下,新型半潜浮式风机基础运动性能良好,且系泊缆张力满足安全要求;风机叶片在风轮旋转平面外的变形显著大于风轮平面内的变形,且在额定海况下变形更大。     

深水半潜平台绷紧索系泊系统设计研究

给出了深水半潜平台绷紧索系泊系统设计基本方法,并对绷紧索系泊系统设计中的系泊缆索动力分析,系泊浮体运动响应计算,以及新型锚基础校核等关键技术进行了计算研究,结果表明绷紧索系泊系统用于深水半潜平台定位是可行和有效的。