現(xiàn)代船海技術講座-海洋平臺總體性能分析

海洋平臺總體性能分析

馬山副教授

舶舶工程學院深海工程技術研究中心現(xiàn)代船海技術講座1主要講座內(nèi)容背景介紹總體性能分析的概念，應用，工程分析方法風、浪、流環(huán)境載荷內(nèi)轉塔系泊FPSO總體性能分析實例2當今世界海洋油氣的發(fā)展1.“能源發(fā)展”成為世界關注的焦點石油、天然氣、煤炭、核電,我國能源長期依賴煤炭陸上資源的枯竭、能源消耗與日俱增2.未來油氣產(chǎn)量增長主要來自海洋3.深水油氣產(chǎn)量所占比重越來越大4.技術進步推動深水油氣勘探開發(fā)海洋勘探開發(fā)始于20世紀初。從那以后，隨著技術的進步，深水的定義在不斷的擴大。在1998年以前，只要離開大陸架即水深大于200米，就認為是深海。1998年以后水深擴大到300米，而現(xiàn)在普遍認為水深大于500米為深水。當水深大于1500米時，離岸采油工業(yè)界普遍認為是超深水(UltraDeepwater)

始于20世紀40年代的海上石油工業(yè)用了近30年的時間實現(xiàn)了在100米深水區(qū)生產(chǎn)油氣，又用了20多年達到近2000米深的海域，而最近10年油氣生產(chǎn)已接觸3000米深的水域。5.海洋油氣開發(fā)的旺盛投資，為海洋油氣工程裝置的發(fā)展提供了巨大機遇亞太地區(qū)的海洋油氣開發(fā)前景十分看好3深水開發(fā)的挑戰(zhàn)鉆井成本高缺乏對當?shù)丨h(huán)境的充分認識

遠離海岸線，沒有完善的海底管線

海底溫度低，油氣輸送管線長，流動保障問題突出工程事故會蒙受巨額損失海底地貌復雜

海洋環(huán)境惡劣，為鉆井，生產(chǎn)，安裝，設計帶來了困難

系泊系統(tǒng)覆蓋面積大，常規(guī)系泊重量大

安裝成本高（深水帶來一系列問題）現(xiàn)有的工程設備能力有限

(運輸，安裝，吊裝作業(yè))生產(chǎn)建造要求高4深水開發(fā)的技術挑戰(zhàn)海洋立管和張力腿筋腱的渦激振動分析（流固耦合機理復雜，數(shù)值模擬和模型實驗都有不少難點）深水浮體與錨泊系統(tǒng)的耦合分析(錨泊的慣性力，阻尼力變得重要。風、浪、流的非線性載荷效應，極限海況的模擬等)水動力學的非線性效應必須考慮（波浪爬升、異常大波、非線性波浪、非線性的波物相互作用、波流相互作用、慢漂分析、張力腿平臺的高階非線性載荷等）5深水錨泊系統(tǒng)的水池實驗的等效截斷技術Spar平臺頂端預張力立管的疲勞分析及其與平臺主體的相互作用由于海流渦激振動引起的張緊式立管、張力腿筋腱、單筒式平臺船體的疲勞問題6世界石油天然氣儲量分布78幾種典型的深水生產(chǎn)和鉆井浮式結構

910深海工程技術的幾個方面

1深海浮式結構物總體性能及定位系統(tǒng)

2深海浮式結構設計、分析與建造技術

3深海海洋立管與海底管線的設計技術

4深海浮式結構模型試驗技術

11基本概念海洋平臺總體性能分析：分析各種浮式平臺在風、浪、流環(huán)境載荷中的運動及其衍生效應的工作。剛體運動模式的定義12浮式結構物的運動可以分解為波頻運動，高頻運動，慢漂運動和平均漂移。

波頻運動：指浮式平臺在波浪激勵下的線性激勵運動。

高頻運動：指張力腿平臺受到高頻的非線性波浪力或瞬態(tài)的沖擊力激勵產(chǎn)生的搖蕩，固有周期在2～4秒。

慢漂運動：慢漂運動起源于諧搖，系泊結構物的水平運動（包括縱蕩，橫蕩和艏搖）固有搖擺周期在1～2min左右。由于受到來自于波浪、流、風的低頻激勵，系泊結構會發(fā)生低頻慢漂運動，對錨泊系統(tǒng)設計和立管設計影響較大。13研究內(nèi)容

風載荷計算流載荷計算風、浪、流設計環(huán)境載荷的確定浮體和波浪的相互作用波頻運動響應慢漂運動響應極限平臺運動位移分析極限錨鏈載荷水池模型試驗14總體性能分析涉及到的專業(yè)知識

剛體運動學剛體和柔性桿件動力學波浪理論勢流理論和水動力學概率論和數(shù)理統(tǒng)計計算流體力學結構力學數(shù)學物理方法數(shù)值分析15與平臺總體性能相關的指標

垂蕩運動：對于平臺鉆井作業(yè)很重要，因為鉆井立管的垂向運動需要被補償，而運動補償系統(tǒng)能夠補償多少是有限度的。作為垂向運動標準的例子是垂向運動幅度須小于4米。因此設計出低垂蕩運動的結構物是很重要的。橫搖運動：對于起重船的操作或者用船和駁船運輸自升式和半潛式平臺，橫搖運動是需要評估的一個重要運動模式。對于推力器的設計，起重船、潛水作業(yè)船、補給船、離岸載油船和鋪管船的船位保持，風、流、平均波浪漂移力和緩變波浪漂移力都是很重要的。16浮式平臺運動性能分析的應用

平臺運動性能的好壞是決定平臺形式，平臺尺度大小的一個重要方面。運動性能的好壞直接關系到平臺作業(yè)效率，好的平臺性能可提高平臺作業(yè)時間，為海洋立管的設計帶來極大的便利。浮體和波浪相互作用分析是平臺結構強度分析的基礎，為平臺結構的強度，疲勞，屈服分析提供外荷載。平臺的運輸和安裝過程需要進行設計環(huán)境條件下的運動和水動力分析，保證運輸和安裝的安全。17總體性能分析的目的

1）預報浮式平臺結構的運動（耐波性）

2）得到作用在平臺結構上的靜力和動力載荷，用于平臺結構的設計（包括屈服強度，疲勞強度，穩(wěn)定性校核等）

3）得到作用到平臺結構上的動力載荷和運動，用于平臺定位系統(tǒng)的設計（常規(guī)的錨泊系統(tǒng)，基于控制理論的動力定位技術）

4）得到平臺的偏移和運動，用來進行海洋立管的設計分析18192021深水浮式系統(tǒng)總體性能分析的特點深水開發(fā)系統(tǒng)的浮式平臺與柔性系統(tǒng)（錨泊線和立管）間存在耦合（細長桿件受到的慣性力，曳力，阻尼對平臺運動影響顯著）平臺和錨泊/立管間采用耦合分析是深水浮式系統(tǒng)性能分析的一個特點。22深水浮式系統(tǒng)總體性能分析的特殊性

深水條件下，錨泊剛度變小，慢漂運動成為錨泊和立管設計的一個重要因素。對于TLP平臺，高頻的垂蕩運動與非線性波浪載荷密切相關，產(chǎn)生機理復雜。在設計油氣卸載系統(tǒng)時，需要考慮多浮體間的水動力和機械干擾。

柔性桿件在運動過程中具有大變形的顯著特點。23平臺總體性能分析技術的熱點問題深水浮式平臺的耦合分析技術非線性水動力問題：波浪爬升、自由面效應、TLP的高頻載荷、系泊慢漂力FPSO極限響應的模型試驗測試方法、深水平臺錨泊系統(tǒng)模型試驗的截斷方法單筒式平臺的水平慢漂運動和搖擺慢漂運動引起平臺和立管間的干擾，威脅立管結構的疲勞和強度。海流引起的渦激振動誘導的SPAR船體的大幅運動24總體性能分析的工程手段

數(shù)值計算：隨著高速計算機的迅速發(fā)展，數(shù)值計算在計算船體和海洋結構物的波浪誘導運動和載荷方面扮演著重要角色。數(shù)值程序需要經(jīng)過驗證，其準確性和功能取決于水動力學的發(fā)展。

模型試驗：是平臺設計優(yōu)劣的最終檢驗

全尺度試驗：造價昂貴，難以在可控條件下操作。

實際海洋工程結構的現(xiàn)場檢測：提供了現(xiàn)場海洋環(huán)境和結構響應測量的第一手數(shù)據(jù)，對于指導設計，檢驗現(xiàn)有設計方法有很大的幫助。2526

M，C，K:稱為系泊結構的質(zhì)量，阻尼和剛度矩陣Fstatic:來源于風、浪和流的平均載荷分量Fwavefreq:一階波浪力載荷（與波浪波幅成正比的波浪力）Fslowdrift:來自于波浪、風和流的低頻載荷，激勵頻率遠離海浪能量集中的頻率范圍，會引起系泊結構的低頻共振（慢漂力）。Fmooring:在平臺偏離平均位置后，錨泊線系統(tǒng)產(chǎn)生的恢復力。平臺運動求解的數(shù)學模型27數(shù)值分析方法頻域分析方法：時域分析方法：

1）僅求解平臺運動，錨泊恢復力采用解析法近似。（解耦方法1）

2）僅求解平臺運動，錨泊線上受到的慣性力和粘性阻尼力對平臺運動的影響近似考慮，錨泊系統(tǒng)的靜回復力可較好的考慮。（解耦方法2）

3）準確考慮錨泊線和海洋立管的動力響應，細長桿件的運動和平臺運動同時求解。稱為耦合分析方法。該種方法計算時間較長，但對于驗證錨泊系統(tǒng)的極限承載，輔助模型試驗，模擬平臺、錨線、立管間碰撞，破損過程較為有效。28293031323334控制浮體運動的海洋環(huán)境風浪海流35海浪

風生成的波浪可以分為兩類：風波(sea)和涌浪(Swell)。風波：由風場直接和海水相互作用而生成的波浪，波形不規(guī)則，數(shù)學上可用很多不同頻率，波幅和初相位的簡諧波疊加得到。涌浪是由遠處傳來的波浪，波形較為規(guī)則，具有較長的波浪周期。36工程上描述波浪的常用方法工程上描述波浪最為基本，最為簡單的方法是假設波高比水深和波長要小，這樣得到的波浪稱為線性波浪（艾瑞波或者一階斯托克斯波）。線性波浪理論是描述波浪運動的一階近似，勢流理論經(jīng)常用來計算波浪運動。勢流理論方法描述波浪運動時，認為流體連續(xù)，不可壓縮，流動時無旋渦產(chǎn)生。這樣波浪的運動的求解轉化為以勢函數(shù)構造的偏微分方程的定解問題。37深水中波浪運動特性38淺水中的波浪運動特性39Non-LinearShallowWaterWaves40各種波浪理論的適用性41海浪特征參數(shù)的統(tǒng)計學描述海浪的波形是隨機的，對于充分發(fā)展的海浪，可以看作是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程。描述波浪的特征參數(shù)通常包括：波浪傳播方向有義波高峰值能量周期波譜函數(shù)42浮式結構上波浪載荷的計算根據(jù)結構物尺寸相對于波長的比例，作用在結構物上的波浪載荷，可以采用兩種基本方法計算。

1）對于小尺度物體，結構物存在對原來波浪場的改變較小，流體慣性力載荷和粘性力載荷占波浪載荷的主要成分?？梢圆捎肕orison’s公式計算波浪載荷。作用在深水立管和錨泊線上的載荷可用Morison’s公式來計算。

2）對于大尺度結構，結構的運動和存在改變了物體附近海浪的波形，繞射(Diffraction)和輻射(Radiation)理論用來研究波浪和浮體的相互作用。4344線性水動力和波頻運動分析的相關概念流體是無旋、無粘、不可壓縮的理想流體浮體在正弦規(guī)則波浪中運動波浪和浮體運動都是小幅運動，研究浮體在波浪中的穩(wěn)態(tài)響應考慮浮體和波浪的相互作用，將描述波浪運動的速度勢滿足的自由面、物面、海底、遠方邊界條件進行線性化處理，忽略與波幅平方以上的高階小量由此得到的水動力定解問題稱為線性水動力問題，船舶在線性水動力作用下的穩(wěn)態(tài)運動，稱為波頻運動。

45（繞射水動力分析）46（輻射水動力分析）47波頻運動波頻運動：浮體在一階波浪力作用下的穩(wěn)態(tài)運動響應。

其中：[M]-物體質(zhì)量[A]-附加質(zhì)量[B]-興波阻尼

[C]-靜水回復力剛度

[ξ]-各態(tài)運動分量

[FDI]-波浪激勵力48運動幅值響應算子(RAO)浮體波頻運動六個自由度響應的穩(wěn)態(tài)幅值，成為幅值運動響應算子(RAO)。49各種浮式平臺典型的垂蕩幅值運動響應的例子50各種浮式平臺典型的縱搖幅值運動響應的例子51各種浮式平臺典型的縱蕩幅值運動響應的例子52二階非線性流體載荷和運動

當我們考慮流場中與速度平方項等相關的波浪壓力、風壓、海流載荷對浮體的貢獻時，會出現(xiàn)量級上比一階波浪力載荷要小的高階載荷分量。包括平均漂移力，慢漂載荷和高頻載荷。其中慢漂激勵周期與浮式結構系泊系統(tǒng)的共振周期接近，引起系泊系統(tǒng)的共振型低頻運動（低頻慢漂）。高頻載荷可與TLP平臺張力腿系泊系統(tǒng)的共振周期接近，引起張力腿的高頻共振響應。這些響應對系泊和張力腿拉伸和疲勞強度影響較大，必須要考慮。53二階波浪力效應成因示意圖54風的特性和風載荷55

描述風的統(tǒng)計特性參數(shù)包括：風向平均風速風譜函數(shù)：工程上，根據(jù)風場的統(tǒng)計觀測，提出了一些風譜來經(jīng)驗性的來描述風速的脈動性質(zhì)。56風譜曲線示意圖57風載荷的計算風載荷計算與粘性效應密切相關

1）風洞試驗測量作用在構件上的風力系數(shù)

2）計算流體力學方法計算作用在構件上的風力

3）按照規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗公式來計算風力系數(shù)5859海流載荷計算描述海流的特征參數(shù)通常包括：

水表面流速流速沿海洋深度的變化（流剖面圖）海流方向最為通常的流的類型包括：潮流，大洋環(huán)流，風暴引起的流，局部環(huán)流，孤立波引起的流60典型的流剖面圖示例(墨西哥灣的局部環(huán)流(LoopCurrent))61流載荷的計算也和粘性效應密切相關62桿件流力系數(shù)的測量

1）風洞試驗

2）水池拖曳試驗

3）基于計算流體力學的數(shù)值計算