S-Spar平臺方案設計及水動力性能研究

于衛紅 黃維平

(中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室)

S-Spar平臺方案設計及水動力性能研究

于衛紅 黃維平

(中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室)

針對我國南海特殊的環境條件,結合Classic Spar和Truss Spar平臺的優點,設計了一種新型Spar平臺——S-Spar平臺。S-Spar平臺采用圓柱形中央井壁連接軟、硬艙,并在連接段的中央井外設置了垂蕩板:能夠有效避免立管等設施因內波高流速引起的嚴重的渦激振動,還可以安裝更長的浮筒,提供較大的頂張力,因而能適應更大的作業水深。以南海1 500m水深環境條件進行了方案設計和水動力研究。S-Spar平臺的有效載荷與Truss Spar平臺相當,其圓柱形中央井的承壓能力優于 Truss Spar平臺方形截面中央井;S-Spar平臺縱蕩、垂蕩和縱搖運動的固有周期都遠離南海波浪周期范圍,且避開了縱搖的不穩定區,因此具有良好的運動性能,適合在南海海域使用。

S-Spar平臺 方案設計 水動力性能 南海 內波 垂蕩板

適用于深海環境作業的諸多平臺中,Spar平臺由于其圓柱形浮體延伸至水面以下相當深度處,水面波浪對其影響小,結構運動的固有頻率遠離波浪的峰值頻率,因而適用水深范圍較大(大于1 800 m),有效載荷較高,運動性能、穩定性及受力情況較好[1];此外,Spar平臺可以采用剛性立管和干采油樹也是優點之一。目前 Spar平臺已經由第一代Classic Spar平臺、第二代 Truss Spar平臺發展到第三代Cell Spar平臺[2-3]。各代Spar平臺之間的區別主要集中在主體結構上。Classic Spar平臺主體結構為一長封閉式單柱圓筒結構,直徑為20～40m,吃水可達200m[4],由于圓柱形浮體延伸至水面以下相當深度處,水面波浪對其影響小,運動性能、穩定性及受力情況較好,適合深水使用,但較長的大直徑殼體使平臺的有效載荷降低,且要承受較大的環境載荷,特別是內波載荷[5]。Truss Spar平臺用一個空間桁架代替了Classic Spar平臺的封閉式圓筒中段,并設置了垂蕩板以增加平臺的垂向附加質量,使平臺垂向運動阻尼比未設垂蕩板的Spar平臺增大一倍[6],因此可通過改變垂蕩板參數來調整 Truss Spar平臺的垂蕩響應。Truss Spar平臺的桁架式中段雖然可以減小環境荷載的作用,但卻使中央井內的立管直接承受浪、流載荷的作用。在我國南海環境條件下,桁架段處于內波的作用范圍(水深100～120m),因此內波的高流速將引起立管嚴重的渦激振動[7],危及平臺的安全。此外,桁架結構也限制了浮筒長度(浮筒不能超出硬艙而進入桁架中段,否則將承受到較大的環境荷載),從而限制了頂張式立管的頂張力,也限制了 Truss Spar平臺的應用水深范圍。Truss Spar平臺雖然減少了用鋼量,但在深水應用時必須采用輕質金屬制作浮筒,這無疑將增加投資成本。結合上述兩種Spar平臺的特點,并考慮我國南海特殊的海洋環境條件(海洋內波),提出了一種新型 Spar平臺概念——S-Spar (Slender Spar)平臺。

1 S-Spar平臺概念

S-Spar平臺總體結構如圖1所示。S-Spar平臺的主體長度為180m,其結構形式和主體尺寸都介于Classic Spar和 Truss Spar平臺之間,但中央井中段采用了圓柱形以減小環境載荷對平臺的作用,并在中段上布置了垂蕩板。采用這種變殼體形狀和垂蕩板技術,S-Spar平臺的垂蕩附加質量和粘滯阻尼都能得到提高,可以有效地改變垂蕩運動周期,使其遠離波浪周期,從而避免垂蕩共振的發生[8]。

作為對Classic Spar平臺和 Truss Spar平臺改進設計的結合體,S-Spar平臺有望提高在波浪中運動和受力的總體性能并加大平臺適應水深的范圍,其方案設計的主要優點是:①中央井采用了圓柱形結構,在水壓作用下其剛度性能優于方形中央井的平板結構(利用DNV船級社的SESAM軟件進行計算分析,結果表明,在相同尺寸、板厚、扶強材布置及靜水壓力(502.25kPa)下,方形中央井平板的最大變形約是圓形中央井壁最大變形的7.55倍);②硬艙和軟艙由圓柱形中央井連接,與Classic Spar平臺相比能夠減小主體結構受到的環境載荷,與Truss Spar平臺相比能夠有效地保護中央井內的立管和其他鉆井設施免受內波高流速引起的嚴重渦激振動,這對適用于有內波的南海海域尤為重要;③SSpar平臺具有Classic Spar平臺的深吃水特點,可有效防止波浪的激擾,又引入了垂蕩板技術,可有效減小平臺的垂蕩效應;④與 Truss Spar平臺相比, S-Spar平臺可以安裝更長的浮筒,因而能夠提供更大的頂張力,適用更大的水深范圍。

2 S-Spar平臺設計

2.1 主體結構

S-Spar平臺是針對我國南海環境特點設計的采油平臺,其結構主要包括圖1中的3層上部甲板、主體結構和系泊系統等。S-Spar平臺的工作水深設定為1 500m,中央井內可容納16根直徑為304.8mm的剛性立管。平臺甲板布置有采油和修井等油氣生產設備,還包括2條油氣輸出鋼懸鏈線立管。

S-Spar平臺的硬艙由圓柱形外壁和圓柱形中央井壁圍成的密閉結構組成,提供整個平臺的浮力。為保證平臺具有較好的抗沉性,硬艙內部用水平艙壁和豎直艙壁分隔成許多小艙室,并設有可變壓載艙來調節平臺的吃水和浮態。中段中央井壁提供硬艙和軟艙的剛性連接,井壁外側水平布置了數層垂蕩板。軟艙的結構同硬艙類似,設置了臨時浮艙和固定壓載艙,其中底部的固定壓載艙主要負責提供壓載,以保證平臺在扶正過程中具有足夠的回復力矩,并提供平臺的部分穩定性。

S-Spar平臺主體的最小尺寸根據中央井尺寸確定。主體尺寸的確定及艙室的劃分主要考慮了以下因素:①提供足夠的浮力;②具備足夠的靜穩性;③具備足夠的回復力;④具有良好的抗沉性;⑤垂蕩板的設置層數和間距要保證平臺具有較好的垂蕩性能;⑥軟艙的高度要保證平臺在扶正過程中具有足夠的回復力矩[9]。

2.2 垂蕩板

Spar平臺通常配備剛性立管,這類立管和一些生產設備對平臺的垂蕩運動性能要求很嚴格。為了避免平臺與波浪產生共振,應使平臺的垂蕩固有周期遠大于波浪周期。通常采用增加結構吃水和附加質量的方法來增大Spar平臺的垂蕩固有周期[1],但由于增加結構吃水會增加平臺的用鋼量,因此增加附加質量是首先被采用的方法。關于垂蕩板可以增加主體垂向附加質量的問題,現有研究成果表明影響垂蕩板性能的主要因素為:①垂蕩板的數目及間距;②垂蕩板厚度及扶強材尺寸;③垂蕩板的面積及開孔[10]。Prislin[11]的實驗說明了垂蕩板(方形)數目和板間距的影響:當垂蕩板形狀比 H/L>1.5(H為板間距,L為板寬)時,每塊板上的附加質量跟只有一塊板時幾乎相同;當形狀比 H/L在0.70～0.75范圍內時,每塊板上的附加質量為單塊板時的85%～95%?？梢姲彘g距縮小超過一定限度時會使設置的垂蕩板效率下降,因此不可盲目增加垂蕩板數目。Troesch的實驗證明[9]:當板的厚度超過寬度的1/50時,阻尼效果將會顯著降低。這里的“厚度”包括了板邊緣處扶強材的高度,所以限制了板邊緣處厚度和扶強材高度,并將扶強材從板邊緣適當進行了內移。根據以上討論即可確定垂蕩板的間距、厚度及板面積。

在垂蕩板上適當開孔會增加板與水接觸的周長,產生更多的漩渦脫落,從而提高阻尼效果。因此,垂蕩板上全部開孔面積一定時,在保證2個開孔之間板材具有足夠連接強度的條件下,應盡可能增加開孔數量;考慮到面積相同時圓孔比方孔的周長大,所以選擇了正方形開孔,并針對方孔棱角處易產生裂紋的問題,將方孔的棱角制成了圓角(圖2)。

圖2 S-Spar平臺垂蕩板示意圖(m)

2.3 系泊系統

系泊系統的設計原則是:在最小運動和最大系泊力之間尋求平衡,選擇出系泊系統最適宜的剛度。S-Spar平臺系泊系統設計基于傳統的懸鏈線理論,忽略作用在系泊纜上的環境載荷(浪、流力)和系泊纜自身的動力效應(振動),僅考慮纜的重力及浮力作用,采用迭代法求解懸鏈線參數,最后得出系泊剛度隨系泊纜與水深方向夾角φ變化的關系曲線(圖3)。從圖3中可以看出,夾角φ越大系泊剛度越大。但是,如果φ太大,系泊系統在海底的覆蓋面積就太大,系泊纜長度就太長,經濟性就差;而且系泊系統剛度太大時,系泊纜的強度難以滿足。因此,設計系泊系統時需綜合考慮各種因素的影響。

圖3 S-Spar平臺系泊系統系泊剛度隨系泊纜與水深方向夾角φ的變化

S-Spar平臺采用半張緊式系泊系統,該系統由16根系泊纜組成,分成4組對稱布置(圖4)。根據已有Spar平臺系泊系統數據,設單根系泊纜下錨點距S-Spar平臺的水平距離為2 057m,導纜器距海底1 440m,系泊纜長度為2 514m。每根系泊纜由錨鏈-尼龍纜-錨鏈三段組合而成,纜的一端與海底錨基連接,另一端穿過導纜器與張緊器相連,通過調節張緊器可改變系泊纜的張力,使系泊系統的剛度達到設計要求。

圖4 S-Spar平臺系泊系統示意圖

3 水動力分析

3.1 基本計算理論

當S-Spar平臺在規則波浪場中受到波浪載荷作用時,平臺作振蕩運動。對一個在波浪場中微幅運動的大尺度結構物來說,波浪載荷的作用可分解為繞射作用和輻射作用兩部分。本文應用勢流理論對S-Spar平臺進行了數值分析。在一階勢流計算中對自由表面進行了線性化,同時在二階勢流計算中考慮了非線性自由表面的情況。通過Green函數邊界元積分得到了平臺濕表面的輻射勢和散射勢。在流體域中速度勢Φ滿足控制方程Laplace方程

定義一復速度勢φ,它與Φ的關系為

式(1)中:ω為入射波頻率;t為時間。那么相應的邊界值問題可以由帶有復速度勢φ的項表達。線性化的自由表面為

式(2)中:K=ω2/g。入射波的速度勢定義為

式(3)中:波數 k為色散關系中的實根;β為入射波方向同x軸正向之間的夾角。由線性化的假設,可將速度勢φ分解為繞射勢φD和輻射勢φR。

應用上述理論得出S-Spar平臺在縱蕩、垂蕩和縱搖3個自由度的荷載RAO(響應振幅算子)分別如圖5～7所示。

平臺運動的復向量 X(ω,β)可由下式表達,其中包含了附加質量、阻尼和作用在面單元上的激勵力。

式(4)中:M表示質量矩陣;A(ω)表示頻域下的附加質量矩陣;B(ω)p表示頻域下的勢流阻尼矩陣;Bv表示粘性阻尼矩陣;C表示靜水回復力矩陣;Ce表示外部回復力矩陣;F(ω,β)表示當波浪入射角為β、入射頻率為ω時的激勵力矩陣。

在式(4)中,頻域下的粘性阻尼矩陣Bv可通過將Morison公式中的拖曳力項線性化成與速度的一次方成正比而得到。拖曳力項可表示為

將式(5)中 vacosωt|vacosωt|進行傅里葉展開,取其一階項可近似得到

式(5)、(6)中:CD為拖曳力系數,它的取值與結構物形狀、雷諾數和 Kc數等有關[12];v為平臺與水質點的相對速度,m/s;va為平臺與水質點相對速度的幅值,m,其中水質點的速度采用線性波理論來計算。

3.2 計算結果及分析

應用勢流理論,以挪威船級社的SESAM程序系統作為主要分析工具,研究了S-Spar平臺的運動性能。在進行水動力計算之前,首先建立Panel模型計算動力載荷、附加質量和阻尼,其次建立Mass模型模擬平臺的質量分布,然后利用WADAM模塊進行水動力分析。

S-Spar平臺的水動力特征包括平臺的穩性、質量、阻尼和回復力等,這些特征決定著平臺的運動響應:①S-Spar平臺的重心大約位于硬艙和中段的連接處,浮心與重心間的距離為6.4m,由于浮心一直高于重心,因此能保證平臺穩定。②S-Spar平臺甲板重量為120 000kN,主體重量為171 780kN,有效載荷可達到主體重量的 70%;一般來說,Classic Spar平臺的有效載荷不超過主體重量的 45%, Truss Spar平臺的有效載荷能達到主體重量的70%[5]。S-Spar平臺由于減少了中段鋼材使用量,有效載荷大大超過了 Classic Spar平臺,與 Truss Spar平臺相當。③增設垂蕩板使S-Spar平臺垂蕩方向的附加質量增加到2.951×107kg;圖8和圖9分別示出了S-Spar平臺縱蕩和縱搖方向上的附加質量系數與波浪頻率的關系曲線,說明S-Spar平臺縱蕩和縱搖自由度的附加質量達到了很好的量級。④S-Spar平臺的垂向剛度主要來自于它的水線面面積,系泊系統的垂向剛度與靜水壓力引起的垂向剛度相比可以忽略不計[1],因此在水動力分析過程中只考慮了系泊系統的水平剛度。系泊系統水平剛度的取值采用了圖3中的計算結果。

在S-Spar平臺6個自由度的運動中,縱蕩和縱搖運動相互耦合,橫蕩與橫搖運動相互耦合,垂蕩和首搖運動均獨立于其他5個自由度的運動[13],考慮到對稱性以及Spar平臺運動特點,僅給出了縱蕩、垂蕩和縱搖運動的計算結果。圖10～12為波浪入射方向為0°時S-Spar平臺縱蕩、垂蕩和縱搖運動的RAO。

圖10 S-Spar平臺縱蕩RAO

由RAO傳遞函數的頻率-響應曲線可以獲得S-Spar平臺縱蕩、垂蕩和縱搖運動的固有周期分別為392.7、23.2和51.9s。墨西哥灣和南海海域百年一遇的計算波浪譜峰周期分別為 14.5s[14]和16.1s1)OFFSHORE OIL ENGINEERING CO.,L TD.SCR&TTR design basis(1 500m SPAR),2007.,由此可知,S-Spar平臺在這3個自由度的運動固有周期都遠離了上述2個海域波浪的譜峰周期,因此能夠有效地避開波浪能量集中的周期范圍。在南海百年一遇環境條件下,縱蕩、垂蕩和縱搖運動的響應幅值分別為5.85m、0.66m和2.71°;通常海況下,Spar平臺縱搖幅值在±4°范圍內,垂蕩運動幅值在±2m范圍內[15]。可見,極端環境條件下Spar平臺在3個方向上的運動幅值都控制在了合理的范圍。研究表明,當Spar平臺縱搖固有周期為垂蕩固有周期的2倍時,即使在小波浪作用下,也會產生垂蕩運動和縱搖運動的非線性耦合(Mathieu不穩定性)[16],此時大幅度的垂蕩運動將引起初穩性高(GM)的顯著變化,最終導致縱搖運動的不穩定性[4]。S-Spar平臺的縱搖運動固有周期與垂蕩運動固有周期之比避開了不穩定區,不會發生垂蕩共振,避免了縱搖的不穩定運動。

4 結論

(1)本文設計的S-Spar平臺由于減少了主體中段鋼材的使用量,有效載荷大大超過了Classic Spar平臺,與 Truss Spar平臺相當。

(2)南海內波的最大波動出現在100～120m水深范圍[17],S-Spar平臺的結構形式能夠有效地保護立管等設施,使其避免因內波高流速引起的嚴重的渦激振動;S-Spar平臺還可以安裝更長的浮筒,提供更大的頂張力,因而適用于較大的水深。

(3)S-Spar平臺采用了變殼體形狀和垂蕩板技術,可以使平臺縱蕩、垂蕩和縱搖運動的固有周期遠離南海波浪周期范圍,因此平臺波頻運動不明顯,能夠適應南海的特殊環境條件。

對于S-Spar平臺,垂蕩運動對二階波浪的共振問題值得關注,進一步的工作將是對S-Spar平臺開展模型實驗及二階慢漂問題研究。

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(編輯:張金棣)

Abstract:Base on the special environmental condition of South China Sea and the characteristics of Classic Spar and Truss Spar platforms,a new type of Spar platform called S-Spar is designed.The wall of cylindrical central well is employed in the S-Spar platform to connect the hard tank and soft tank,and the heave plates are installed in the midsection of the S-Spar platform to protect risers from VIV induced by the high velocity of internal waves.Besides,S-Spar platform can set more buoys and provide larger top tension,so as to be adapted to the operations in deeper waters.The concept design and hydrodynamic analysis of SSpar platform are conducted for1500meter waters of the South China Sea.The calculation results indicate that the percentage of effective loads for SSpar is equivalent to Truss Spar.The bearing capability of the cylindrical central well is better than the square one of Truss Spar.Surge,heave and pitch natural periods of S-Spar platform are away from the wave frequencies range of the South China Sea and the instability zone of pitch.So the SSpar has excellent motion behavior and can be applied to the South China Sea.

Key words:S-Spar platform;concept design;hydrodynamic performance;the South China Sea;internal waves;heave plates

Concept design and hydrodynamic analysis of S-Spar platform

Yu Weihong Huang Weiping
(Shandong Key L aboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China,Shandong,266100)

2009-07-17 改回日期:2009-09-01

于衛紅,女,在讀碩士研究生,主要從事深海浮式結構波浪載荷及動力響應研究。地址:山東省青島市嶗山區松嶺路238號(郵編:266100)。