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深水S-Spar平台水动力性能及其立管系统疲劳特性研究

作　者: 于卫红
导　师: 黄维平
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: S-Spar平台水动力性能顶张式立管涡激振动疲劳损伤
分类号: U674.384
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着人类石油勘探开发逐渐向深水领域扩展,涌现了许多新型的适应深海海洋环境的平台。与其他形式的平台相比,Spar平台的适用水深范围大,运动性能和稳定性好,已经成为世界深海油气开采的主力平台类型之一。Spar平台已经由第一代Classic Spar平台、第二代Truss Spar平台发展到第三代Cell Spar平台。目前我国在此领域的研究还处于起步阶段,且特殊的环境条件对Spar平台的设计和研究提出了新的挑战。因此,急需开展新型Spar平台概念设计及其水动力性能等方面计算和模型试验研究。本文结合Classic Spar和Truss Spar平台的优点,基于极深水和海洋内波等特殊的海洋环境条件,提出一种新型S-Spar平台,并设计了半张紧半悬链线式的系泊系统。S-Spar平台采用圆柱形中央井连接软硬舱,并在连接段的中央井外设置了三层垂荡板。S-Spar平台独特的封闭式中段能够有效避免顶张式立管等设施因内波高流速引起严重的涡激振动,还可以安装更长的浮筒,不需要采用轻质金属便能提供足够的顶张力,使用的水深范围更大。此外,中段的独特设计还减少了钢材的消耗量,有效的提高了平台的有效荷载。采用三维势流理论分析平台在频域内的运动响应,计算了作用在平台主体上的波浪载荷、附加质量和势流阻尼系数以及运动响应传递函数等。计算结果表明,新型S-Spar平台的附加质量和阻尼都达到了良好的量级,具有良好的运动性能,所得的频域计算结果将进一步用于平台的时域耦合分析计算。采用DeepC软件建立了S-Spar平台和‘Horn Mountain’Truss Spar平台的耦合分析模型,考虑风、浪、流等环境荷载的作用和系泊系统的非线性影响,进行了时域耦合分析。得到了两种Spar平台的波浪荷载(包括一阶波浪激励力和二阶波浪力)、运动位移时程、运动响应谱、系泊缆的张力时程和张力极值等,并对两种Spar平台的结果进行了比较。结果表明,S-Spar封闭式的中段并没有引起平台主体承受的波浪荷载的明显增大;在极端风浪流环境荷载的作用下,S-Spar平台各自由度的运动响应要优于‘Horn Mountain’Truss Spar平台,其系泊缆的张力极值和张力变化幅值也的得到了很好的控制,因此新型S-Spar平台保持了传统Spar平台良好的运动性能,能够适应深海油气的开采。Spar平台常采用TTR作为海面与海底井口间的主要连接件,现在对Spar平台TTR系统的研究多针对单根立管,即不考虑Spar平台的影响,尤其是TTR的涡激振动分析。本文最后基于S-Spar平台,对其顶张式立管涡激振动疲劳特性进行了研究,主要包括S-Spar平台对立管保护作用研究、Spar平台对其顶张式立管(TTR)固有频率和涡激振动疲劳损伤的影响、Spar平台VIM运动对其TTR疲劳损伤的响应,得出以下结论:1)新型S-Spar平台的封闭式中段不仅能够保护平台中段的立管,还能有效的减小整根立管的疲劳损伤。S-Spar平台对平台长度范围内立管及导向环支撑位置处立管的保护作用最为明显,且随着流速的增大保护作用增强。2)Spar平台中央井内的导向环对TTR提供侧向支撑作用,使得有Spar平台时TTR的固有频率会高于无Spar平台模型,对于本文的顶张式立管,固有频率误差最大可达11.12%。3)不考虑Spar平台而采用简化的单根管模型对TTR进行涡激振动疲劳损伤计算使立管的疲劳设计偏于危险。本文的顶张式立管在南海海域各流速的作用下,有Spar平台的立管疲劳损伤为单根管模型计算结果的2.598倍。4)VIV疲劳损伤与VIM疲劳损伤耦合计算时,Spar平台VIM运动可以降低TTR的疲劳损伤。忽略Spar平台VIM运动而对TTR进行疲劳寿命预报会使结果偏于保守。本论文的创新性工作主要体现在:综合Classic Spar和Truss Spar平台的优点,考虑极深水和海洋内波等特殊海洋环境条件,提出一种新型S-Spar平台,并完成了时域和频域内的运动响应分析;基于S-Spar平台,从S-Spar平台对立管保护作用、Spar平台对TTR涡激振动疲劳损伤的影响、Spar平台VIM运动对TTR疲劳损伤的影响等方面研究了Spar平台立管系统的疲劳特性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-22
  1.1 研究背景及课题意义  13-14
  1.2 深海平台主要类型及其特点  14-17
    1.2.1 半潜式平台（SEMI）  14-15
    1.2.2 浮式生产储卸油装置（FPSO）  15
    1.2.3 张力腿平台（TLP）  15-16
    1.2.4 立柱式平台（Spar）  16-17
  1.3 Spar 平台技术研究热点及研究现状  17-21
    1.3.1 Spar 平台运动性能研究  18-19
    1.3.2 Spar 平台与系泊、立管整体耦合分析  19
    1.3.3 新型结构形式的研究  19-20
    1.3.4 Spar 平台结构疲劳的研究  20-21
  1.4 本论文的主要工作及创新点  21-22
2 S-Spar 平台概念及总体结构  22-32
  2.1 引言  22-23
  2.2 Spar 平台总体结构  23-26
    2.2.1 Classic Spar 平台  23-24
    2.2.2 Truss Spar 平台  24-25
    2.2.3 Cell Spar 平台  25-26
  2.3 S-Spar 概念  26-29
  2.4 S-Spar 平台总体结构  29-31
    2.4.1 S-Spar 平台主尺度  29-30
    2.4.2 系泊系统  30-31
  2.5 本章小结  31-32
3 S-Spar 平台水动力性能分析  32-50
  3.1 引言  32
  3.2 一阶波浪力理论  32-35
    3.2.1 三维势流理论  32-34
    3.2.2 水动力系数  34-35
  3.3 二阶波浪力理论  35-38
    3.3.1 二阶平均波浪力  35-37
    3.3.2 二阶差频波浪力  37-38
  3.4 频域运动控制方程  38-39
  3.5 频域分析计算结果  39-49
    3.5.1 水动力模型  39-40
    3.5.2 计算结果  40-49
  3.6 本章小结  49-50
4 S-Spar 平台时域耦合分析  50-67
  4.1 引言  50
  4.2 时域运动控制方程  50-52
    4.2.1 风荷载  50
    4.2.2 流荷载  50-51
    4.2.3 时域运动方程  51-52
  4.3 运动响应耦合分析  52-53
  4.4 时域耦合分析计算结果  53-66
    4.4.1 环境荷载  53
    4.4.2 运动响应耦合分析模型  53-54
    4.4.3 运动响应耦合分析结果  54-66
  4.5 本章小节  66-67
5 基于 S-Spar 的顶张式立管(TTR)疲劳特性研究  67-81
  5.1 尾流振子模型  67-70
  5.2 TTR 涡激振动疲劳研究  70-79
    5.2.1 立管参数设计  70-71
    5.2.2 S-Spar 平台对立管保护作用研究  71-74
    5.2.3 Spar 平台对立管疲劳损伤的影响  74-77
    5.2.4 Spar 平台VIM 运动对立管疲劳损伤的影响  77-79
  5.3 本章小节  79-81
6 总结与展望  81-84
  6.1 工作总结  81-82
  6.2 进一步展望  82-84
参考文献  84-89
致谢  89-90
在校攻读硕士期间发表的学术论文  90
在校攻读硕士期间申请的专利  90-91
个人简历  91

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