深水半潛式鉆井平臺系泊系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析

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1、哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文得平臺的有效荷載能力減小；另外，隨著水深的增加，錨鏈系泊系統(tǒng)的定位能力也會很快下降。因此，在深水海洋平臺的系泊系統(tǒng)更多的是采用鋼纜和／或人造材料(如聚酯材料、芳香尼龍等)。聚酯繩索與傳統(tǒng)的鋼纜等系泊線材料的最大不同點(diǎn)是，聚酯繩索的彈性模量E與繩索內(nèi)所受載荷(張力)的平均值及載荷的變化幅度和周期有關(guān)【2】，因此，聚酯繩索的動力特性分析是復(fù)雜的非線性問題，需要開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序。為了簡化計(jì)算，在工程上系泊系統(tǒng)分析一般只對聚酯繩索的三種軸向剛度(AxialStiffness，EA)進(jìn)行分析，分別是：安裝后剛度(PostInstallationStiffness，

2、對應(yīng)于最小值)，中間剛度(IntermediateStiffness)和風(fēng)暴剛度(StormStiffness，對應(yīng)于最大值)。1．2研究的歷史與現(xiàn)狀早期的系泊系統(tǒng)分析使用的是擬靜態(tài)方法，平臺與系泊系統(tǒng)之間的相互作用部分或全部忽略，系泊線運(yùn)動方程用懸鏈線理論求解。隨著海洋平臺工作水深的增加，系泊線和立管長度和重量都顯著增加，對平臺運(yùn)動的影響也愈來愈大，需要使用全耦合的方法對平臺／系泊線／立管系統(tǒng)進(jìn)行分析。耦合分析涉及平臺運(yùn)動、系泊線運(yùn)動和兩者之間的相互作用三方面問題。在平臺的運(yùn)動方面主要的問題是計(jì)算平臺在波浪中運(yùn)動所受到的水動力，常用的數(shù)值方法是基于勢流理論的頻域面元法，對于粘性力

3、的計(jì)算多使用莫里森公式。目前已經(jīng)開發(fā)出很多比較成熟的水動力計(jì)算軟件，如法國船級社的Hydrost斫口麻省理工開發(fā)的wAMIT【31。其中，WAMIT可以計(jì)算一階和二階的波浪水動力，包括波浪激振力、輻射阻尼力和附加質(zhì)量力。在系泊線運(yùn)動方面，傳統(tǒng)的方法是用懸鏈線方程求解，但是這種方法計(jì)算結(jié)果精度不高。彈性細(xì)長桿理論(elasticrodtheory)是一種比較精確的方法。Nordgren(1974)曾推導(dǎo)了彈性細(xì)長桿的運(yùn)動方程，并使用有限差分法進(jìn)行了計(jì)算分析14】。Garret(1982)構(gòu)建了不可伸長細(xì)長桿的有限元模型，因?yàn)槭褂昧俗匀蛔鴺?biāo)系，該模型允許大撓度和有限轉(zhuǎn)角，而且考慮了張力

4、沿桿長的變2哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文化‘51。Chen等人(2001)推導(dǎo)了大應(yīng)變假設(shè)下的細(xì)長桿運(yùn)動方程【61。在聚酯纜方面，最早在海洋平臺上使用聚酯纜的是巴西的Petrobras公司(1996)，隨后，在美國墨西哥灣也出現(xiàn)了使用聚酯材料系泊線的平臺。最早做關(guān)于在系泊線中使用聚酯材料的可能行研究的是Vecchio(1992)[7]，他指出對于懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)，系泊纜采用聚酯材料會使系泊系統(tǒng)有更好的性能。Femandes和Vecchio(1998)通過對小直徑聚酯纜的試驗(yàn)，對聚酯纜索的動態(tài)彈性模量做了回歸分析【2】。隨后，Bosman和Hooker(1999)簡化了聚酯纜動態(tài)模量的回

5、歸公式，證明了載荷幅度和周期對動態(tài)模量的影響可以忽略【8】oCasey等人(2005)通過實(shí)驗(yàn)測量研究了深水錨泊系統(tǒng)的聚酯纜軸向剛度的測量影響因素[9】。在平臺與系泊系統(tǒng)的耦合分析方面，Ran等人(1999)對時(shí)域和頻域分析作了對比，認(rèn)為時(shí)域分析得到的波頻與慢變響應(yīng)和錨泊線張力，通常比頻域分析大【l們。Ran和Kim等人(2000)開發(fā)了可以進(jìn)行浮式平臺于錨泊系統(tǒng)耦合分析的計(jì)算機(jī)程序WINPOST，并使用該程序?qū)α⒅狡脚_和張力腿平臺做了研究【l¨。Arcandra(2001)在WINPOST的基礎(chǔ)上，可發(fā)了WINPOSToFPSO和WINPOST-POLY，其中，W姍OST-FP

6、SO可以對轉(zhuǎn)塔系泊的FPSO進(jìn)行耦合分析，WINPOST-POLY考慮了動態(tài)載荷對聚酯纜軸向剛度的影響，可以對采用聚酯纜的平臺與錨泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析【121。Ryu(2003)對推進(jìn)器輔助系泊系統(tǒng)與立管和平臺的耦合運(yùn)動進(jìn)行了模擬【13】。1．3系泊系統(tǒng)及其分析方法概述海洋平臺的定位系統(tǒng)主要可以分為三種：系泊系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)和推進(jìn)器輔助系泊系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)按照布置方式可以分為：單點(diǎn)式系泊系統(tǒng)和發(fā)散式系泊系統(tǒng)，前者多用于船型平臺，如FPSO等；按照系泊線的形狀系泊系統(tǒng)可以分為：懸鏈線式系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)，前者多用于中等水深和淺水，后者相對于前者，具有更小的系泊半徑、系泊線長度和系

7、泊載荷，因而在深水及超深水多被采用；系泊線常采用的材料有：錨鏈、鋼纜和聚酯纜。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文深水半潛式鉆井平臺對系泊系統(tǒng)定位能力有更高的要求，常采用動力定位系統(tǒng)或者分散布置的張緊式系泊系統(tǒng)，對于張緊式系泊系統(tǒng)，系泊線的中間段采用聚酯纜可提高系泊系統(tǒng)的定位能力。對系泊系統(tǒng)定位能力及其強(qiáng)度的分析方法可分為：解耦分析(de．coupledanalysis)、耦合分析(coupledanalysis)和半耦合分析(semi—coupledanalysis)；頻域分