不同類型張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

吳家鳴

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 船舶與海洋工程系, 廣東 廣州 510640)

不同類型張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

Primary structural features and technical characteristics of different types of tension leg platforms

吳家鳴

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 船舶與海洋工程系, 廣東 廣州 510640)

張力腿平臺(tái)(簡(jiǎn)稱 TLP)是一種垂直系泊的順應(yīng)式平臺(tái), 其主要設(shè)計(jì)思想是通過(guò)平臺(tái)自身的特殊結(jié)構(gòu)形式, 產(chǎn)生遠(yuǎn)大于平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重的浮力, 浮力除了抵消結(jié)構(gòu)自重之外, 所產(chǎn)生的剩余浮力與張力腿的預(yù)張力相平衡。時(shí)刻處于受張拉繃緊狀態(tài)的張力腿使平臺(tái)的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)較小, 近似于剛性。張力腿平臺(tái)立柱主要為直立的圓筒型或方形截面結(jié)構(gòu), 這樣的柱型結(jié)構(gòu)所受水動(dòng)力載荷主要是水平方向的波浪和海流力, 它們可以通過(guò)張力腿的柔性約束, 允許平臺(tái)在水平面上的縱蕩、橫蕩和艏搖有一定自由度的順應(yīng)式運(yùn)動(dòng)。張力腿平臺(tái)這樣的結(jié)構(gòu)形式使得它所受到的環(huán)境載荷可以通過(guò)平臺(tái)自身的慣性力來(lái)得到平衡, 從而使張力腿平臺(tái)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。

1 張力腿平臺(tái)的共同特點(diǎn)

目前已投入使用的張力腿平臺(tái)共有24座, 按其主要結(jié)構(gòu)特征分為第一代張力腿平臺(tái)(也稱為傳統(tǒng)類型的張力腿平臺(tái))和第二代張力腿平臺(tái), 而第二代張力腿平臺(tái)又分為SeaStar、MOSES和ETLP三個(gè)系列。不同類型的張力腿平臺(tái)具有不同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn), 但由于他們都是以張力腿垂直系泊的方式將浮式平臺(tái)系泊于深海中, 不同類型的張力腿平臺(tái)具有以下共同的特點(diǎn)[1-4]: (1)具有良好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。張力腿平臺(tái)具有順應(yīng)式結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn), 平臺(tái)在風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種慣性力, 這種慣性力可以對(duì)環(huán)境載荷構(gòu)成一定的抵消作用, 從而減少作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的凈載荷。(2)由于平臺(tái)為一種半順應(yīng)半固定式的結(jié)構(gòu),在水平方向是一種順應(yīng)式結(jié)構(gòu), 在豎直方向接近于固定式結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)使得張力腿平臺(tái)可以保留傳統(tǒng)的固定式生產(chǎn)平臺(tái)的許多作業(yè)優(yōu)勢(shì), 其生產(chǎn)與維護(hù)作業(yè)方式與傳統(tǒng)固定式平臺(tái)相似, 其操作方式與固定式平臺(tái)幾乎沒(méi)有差別。但是, 對(duì)于深海油田, 由于張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)造價(jià)不會(huì)隨著水深的增加而大幅度地增大, 采用張力腿平臺(tái)比固定式平臺(tái)其開(kāi)發(fā)費(fèi)用要低得多。特別是在300 ～ 1 500 m水深范圍內(nèi), 采用張力腿平臺(tái)優(yōu)勢(shì)明顯。(3)由于張力腿平臺(tái)可以通過(guò)合理選擇平臺(tái)本體的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)置合理的張力腿預(yù)張力來(lái)決定張力腿系泊系統(tǒng)的剛度, 進(jìn)而調(diào)整張力腿平臺(tái)的固有搖蕩周期, 使其避開(kāi)海面的波浪頻率。現(xiàn)有的張力腿平臺(tái)水平面運(yùn)動(dòng)(縱蕩、橫蕩、艏搖)的固有周期約為1～2 min, 高于波浪周期; 鉛直面運(yùn)動(dòng)(垂蕩、橫搖、縱搖)的固有周期約為2～4 s, 低于波浪周期。這樣的固有周期范圍避免了平臺(tái)結(jié)構(gòu)和海浪能量集中的頻率發(fā)生共振, 使平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力合理, 動(dòng)力性能良好, 這樣就可以將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制在低水平范圍內(nèi)。(4)平臺(tái)在張力腿的約束下幾乎沒(méi)有垂蕩運(yùn)動(dòng); 張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式也決定了平臺(tái)難以有橫搖與縱搖運(yùn)動(dòng), 平臺(tái)的主要搖蕩運(yùn)動(dòng)為縱蕩、橫蕩和艏搖。這三個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)增加平臺(tái)本體產(chǎn)生的剩余浮力或張力腿的預(yù)張力、進(jìn)而提高平臺(tái)在這些自由度方向上的恢復(fù)力來(lái)加以約束。多年來(lái), 不同類型的張力腿平臺(tái)的使用實(shí)踐表明: 在海洋環(huán)境因素作用下, 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)很小, 這一類型的平臺(tái)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的平穩(wěn)特性。(5)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)通過(guò)張力腿垂直錨泊。因此, 與Spar平臺(tái)不同, 張力腿平臺(tái)沒(méi)有錨固半徑的限制。(6)適應(yīng)范圍廣, 它可應(yīng)用于不同規(guī)模大型或小型油氣田, 幾百米到1 500 m的水深范圍均可考慮使用張力腿平臺(tái)。(7)張力腿平臺(tái)是一種小水線面結(jié)構(gòu), 它對(duì)平臺(tái)重量的變化非常敏感。對(duì)于特定的張力腿平臺(tái), 載重的增加將會(huì)降低平臺(tái)的剩余浮力或張力腿的預(yù)張力。因此, 這類平臺(tái)對(duì)其有效載荷會(huì)有限制。(8)張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了平臺(tái)難以具備自身的儲(chǔ)油能力, 所生產(chǎn)的原油需要用管線外輸?shù)狡渌∈絻?chǔ)油裝置進(jìn)行儲(chǔ)存。

2 第一代張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

第一代張力腿平臺(tái)也稱為傳統(tǒng)類型的張力腿平臺(tái), 其主要結(jié)構(gòu)特征包括: 上體均為四邊形。作為生產(chǎn)平臺(tái)使用的 TLP立柱采用大直徑的柱體, 直徑在15～25 m之間, 有的立柱間還設(shè)有橫撐和斜撐。而作為井口平臺(tái)使用的TLP立柱則采用小直徑立柱或矩形立柱。作為平臺(tái)下體的浮箱首尾與各立柱相接, 形成方形環(huán)狀結(jié)構(gòu)。張力腿與角立柱存在著一一對(duì)應(yīng)的軸向連接關(guān)系, 張力筋腱通常通過(guò)角立柱內(nèi)部在水平面之上和甲板相錨固、或在角立柱外側(cè)與平臺(tái)本體相錨固。第一代張力腿平臺(tái)是最早出現(xiàn)的一種張力腿平臺(tái), 也是當(dāng)今世界上數(shù)量最多的張力腿平臺(tái), 目前在役的平臺(tái)共9座, 幾乎占世界張力腿平臺(tái)總數(shù)的一半。圖1為第一代張力腿平臺(tái)Hutton TLP的整體概貌簡(jiǎn)圖[5]。

除了張力腿平臺(tái)共同的特點(diǎn)外, 第一代張力腿平臺(tái)還具備以下技術(shù)特點(diǎn)[1-4]: (1)較之其他類型的張力腿平臺(tái), 第一代張力腿平臺(tái)體積巨大, 能夠支持一套高生產(chǎn)能力的原油處理設(shè)施, 它可應(yīng)用于大型的深海油氣田開(kāi)發(fā)。(2)由于搖蕩運(yùn)動(dòng)不大, 平臺(tái)與生產(chǎn)立管之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量較小, 張力腿平臺(tái)可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的立管張緊裝置, 采油樹(shù)可以設(shè)置在平臺(tái)之上, 海底油井由垂直生產(chǎn)立管直接連接到位于平臺(tái)井口甲板的采油樹(shù)上。采用干式采油樹(shù)方式作業(yè), 操作人員可以從平臺(tái)上直接鉆井和直接在甲板上進(jìn)行采油操作, 這使鉆井、完井、修井等作業(yè)和井口操作變得簡(jiǎn)單, 而且便于維修和管理,從而降低了采油操作費(fèi)用。(3)由于平臺(tái)采用了大直徑立柱, 在自由漂浮狀態(tài)下具有較好的穩(wěn)性, 包括平臺(tái)上體、立柱及下體在內(nèi)的平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)可以在岸上一體化建造、然后整體海上就位安裝, 為降低海上安裝和維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。(4)由于張力腿長(zhǎng)度與水深呈線性關(guān)系, 隨著水深的增加, 張力腿自重過(guò)大、張力腿的購(gòu)置費(fèi)用增加。水深超過(guò)1 000 m后,其經(jīng)濟(jì)性不佳。(5)由于張力腿的預(yù)張力通常較大,整個(gè)張力腿平臺(tái)系統(tǒng)剛度較強(qiáng), 對(duì)高頻波浪力擾動(dòng)響應(yīng)比較敏感。(6)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)巨大, 造價(jià)比第二代張力腿平臺(tái)要高得多。

圖1 Hutton TLP整體概貌簡(jiǎn)圖

3 第二代張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

第二代張力腿平臺(tái)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期,它在繼承第一代張力腿平臺(tái)優(yōu)良運(yùn)動(dòng)性能和良好經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí), 對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),使之具有體積小、靈活性好、受環(huán)境載荷小、在深水環(huán)境中能穩(wěn)定地工作等優(yōu)點(diǎn)。從而更適合于深海作業(yè)條件、惡劣海洋環(huán)境和深海的中小油田開(kāi)發(fā), 并因此而降低了油田開(kāi)發(fā)和平臺(tái)的建造成本。目前投入生產(chǎn)實(shí)踐的第二代張力腿平臺(tái)共分為三大系列,分別是SeaStar TLP、MOSES TLP以及ETLP(Ext-ended TLP)[1-4,6]。

3.1 SeaStar TLP系列

SeaStar TLP采用了一種獨(dú)特的單柱式設(shè)計(jì), 這一圓柱體結(jié)構(gòu)稱為中央柱, 中央柱穿過(guò)水平面, 上端支撐平臺(tái)甲板, 在接近下端的部位固定連接三根矩形截面的水平浮筒, 各浮筒向外延伸成懸臂梁結(jié)構(gòu), 且末端截面逐漸縮小, 彼此在水平面上的夾角為 120°, 呈輻射狀分布。這三根浮筒與中央柱一道向平臺(tái)本體提供所需的浮力, 三根浮筒在外端與張力腿系統(tǒng)連接, 其作用是分開(kāi)三組張力腿, 張力腿從浮筒末端的連接頭垂直延伸到海底錨固基礎(chǔ), 張力腿被剩余浮力繃緊(見(jiàn)圖2[7])。

圖2 SeaStar TLP

SeaStar TLP除了具有張力腿平臺(tái)的共同特點(diǎn)外,還具備以下的技術(shù)特點(diǎn): (1)SeaStar TLP的結(jié)構(gòu)形式具有更高的承載效率, 平臺(tái)主體能夠提供相當(dāng)于自身重量1.5 ～ 2.5倍的有效載荷, 而傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)最多只能提供相當(dāng)于自身重量1倍的有效載荷。(2)單一圓柱體結(jié)構(gòu)和對(duì)稱形的平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)為模塊化建造、降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量提供了有利條件, 這大大縮短了建造周期, 節(jié)約了建造和安裝成本。(3)穿越自由表面的單一圓柱體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了波能聚集區(qū)水動(dòng)力載荷對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響, 其體積比起傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)要小得多、自重也較輕, 受力面積小,所受的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷自然也較傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)要小得多。(4)盡管采用了單柱式設(shè)計(jì), 呈輻射狀分布外延伸的三條懸臂梁浮筒結(jié)構(gòu)與三組張力腿一起除了為平臺(tái)提供足夠的預(yù)張力, 使平臺(tái)具備了抵抗環(huán)境載荷的回復(fù)力外, 還為平臺(tái)提供了足夠的抗傾覆力矩, 使之在惡劣環(huán)境條件下能夠維持作業(yè)所需要的穩(wěn)定狀態(tài)。(5)平臺(tái)采用了中性浮力的張力筋腱設(shè)計(jì), 使張力筋腱在海水中所受的浮力等于甚至大于其自重。這樣, 隨著由于水深的增加導(dǎo)致張力筋腱長(zhǎng)度增加而引起的張力腿自重過(guò)大的問(wèn)題不再構(gòu)成張力腿平臺(tái)向超深水作業(yè)過(guò)渡的一個(gè)障礙。

SeaStar TLP的上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)使這種類型的張力腿平臺(tái)更適應(yīng)于在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定作業(yè)、也大大降低了張力腿平臺(tái)的建造費(fèi)用, 為中小型深海油田提供了一種可供選擇的實(shí)用開(kāi)發(fā)手段。

SeaStar TLP的單一圓柱體設(shè)計(jì)也為其帶來(lái)了不少的制約: 拖航或自由浮動(dòng)時(shí)穩(wěn)性較差; 對(duì)平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的可變載荷變化非常敏感, 對(duì)平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的使用構(gòu)成很大限制; 由于單一圓柱體設(shè)計(jì), 平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)沒(méi)有更多的底部支撐, 平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的受力分布不均勻, 這使得這種類型的張力腿不利于向大型化方向發(fā)展; 自由浮動(dòng)時(shí)只有中央柱的水線面提供浮筒與中央柱組成的組合結(jié)構(gòu)的回復(fù)力矩, 其穩(wěn)性不佳, 主體和平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝都需要大型浮吊輔助。

3.2 MOSES TLP系列

圖3 MOSES TLP

MOSES TLP設(shè)計(jì)沿襲了傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)的四角柱結(jié)構(gòu), 而與傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)不同, MOSES TLP的四條立柱向平臺(tái)中心靠攏, 立柱橫截面也比傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)的小很多(圖 3[8])。小立柱截面設(shè)計(jì)減輕了立柱重量, 降低了平臺(tái)的整體重心, 使立柱在自由表面的波能聚集區(qū)中受力面積很小; 同時(shí), 集中布置的四條立柱存在一定的遮蔽效應(yīng), 一定程度上也減小了平臺(tái)所受的環(huán)境載荷作用。這些措施減少了立柱所受到的波浪載荷以及由此所引起的平臺(tái)在波浪場(chǎng)中的動(dòng)力響應(yīng)。

與SeaStar TLP比較, 由于采用了四條立柱結(jié)構(gòu),立柱之間離開(kāi)一定間距能夠提供給平臺(tái)上體更大范圍的支撐, 使平臺(tái)上體受到一個(gè)更均勻的支撐力分布, 從而使平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)趨于合理, 平臺(tái)上體的結(jié)構(gòu)重量也因此得以減輕, 其建造難度也相應(yīng)地可以降低。

MOSES TLP還有以下的技術(shù)特點(diǎn): (1)通過(guò)對(duì)包括張力腿在內(nèi)的平臺(tái)整體系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì),使平臺(tái)結(jié)構(gòu)和張力腿避開(kāi)了導(dǎo)致其疲勞破壞的波頻響應(yīng)區(qū)域, 從而降低了對(duì)張力腿預(yù)張力和張力腿制造技術(shù)的要求。(2)立管系統(tǒng)沿著平臺(tái)外側(cè)連接到安裝在平臺(tái)一端遠(yuǎn)離中心的外側(cè)開(kāi)放空間中, 這一設(shè)計(jì)減小了立管系統(tǒng)事故發(fā)生的可能性; 一旦發(fā)生故障后, 檢修起來(lái)也較方便。(3)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)大多采用平面直角設(shè)計(jì)、矩形橫截面結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)模塊和標(biāo)準(zhǔn)板材組裝等, 使平臺(tái)的制造可以盡量利用船廠的標(biāo)準(zhǔn)建造設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通用材料進(jìn)行制造, 以此簡(jiǎn)化平臺(tái)的建造工藝。

3.3 ETLP系列

ETLP的結(jié)構(gòu)形式實(shí)際上是由傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)演變而來(lái), 其主要改進(jìn)點(diǎn)在于將傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)四條立柱與張力腿的垂向軸線位置對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)增加延伸懸臂梁的方式將它們的位置約束關(guān)系解除, 使設(shè)計(jì)者在考慮平臺(tái)的張力腿的布置形式時(shí)不受平臺(tái)上體和立柱布置形式的約束, 從而使設(shè)計(jì)者從平臺(tái)在海洋環(huán)境載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和平臺(tái)上體的主尺度選擇角度去考慮這三者關(guān)系時(shí)有更大的自由度(圖4[3])。

圖4 ETLP

ETLP的平臺(tái)本體的主體結(jié)構(gòu)由立柱和浮箱兩大部分組成, 立柱的數(shù)目為三柱或四柱, 立柱截面為方形或圓柱形, 立柱上端穿出水面支撐平臺(tái)上體,下端與浮箱結(jié)構(gòu)相連, 浮箱截面的形狀為矩形, 首尾相接形成環(huán)狀基座結(jié)構(gòu), 在環(huán)狀基座的每一個(gè)邊角上, 都有一向外延伸形成的延伸懸臂梁, 懸臂梁的外端與張力腿相連接。

與傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)張力腿與立柱存在一一對(duì)應(yīng)的軸向連接關(guān)系不同, ETLP張力腿上端與延伸懸臂梁的外端相連, 這一設(shè)計(jì)使得張力腿與立柱設(shè)置之間的限制關(guān)系得以弱化, 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體布置等方面的需要來(lái)確定二者的幾何布置關(guān)系。采用ETLP結(jié)構(gòu)形式, 使所設(shè)計(jì)的張力腿平臺(tái)更容易達(dá)到一種符合作業(yè)要求的理想力學(xué)狀態(tài): 延伸懸臂梁的外端連接張力腿, 使張力腿之間有一個(gè)合理的跨距和系泊點(diǎn)的分布范圍, 為平臺(tái)獲得更大的抗傾覆力矩、更高的縱橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、使平臺(tái)受到更大的轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)的限制提供了保證;立柱間距不再受張力腿系泊點(diǎn)的限制, 設(shè)計(jì)者可以更多地從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮去設(shè)置立柱, 這為優(yōu)化平臺(tái)甲板的尺度、簡(jiǎn)化主體結(jié)構(gòu)、減輕平臺(tái)重量、降低平臺(tái)建造費(fèi)用創(chuàng)造了條件。ETLP設(shè)計(jì)上的這些改進(jìn)大大降低了張力腿平臺(tái)的用鋼量。

與MOSES TLP類似, ETLP主體設(shè)計(jì)盡量采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱形, 易于采用模塊化的建造方式, 對(duì)建造場(chǎng)地條件要求也不高。這對(duì)于提高平臺(tái)的建造工作效率, 降低其施工難度十分有利。

3.4 第二代張力腿平臺(tái)共同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

第二代張力腿平臺(tái)研發(fā)的初衷是考慮如何將第一代張力腿平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)拓展到深海的中小油田開(kāi)發(fā)中去, 以簡(jiǎn)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)、降低張力腿平臺(tái)的重量和造價(jià), 使之在惡劣的海洋環(huán)境條件下具有更理想的動(dòng)力響應(yīng)特性作為其設(shè)計(jì)研發(fā)目標(biāo)。以此為目標(biāo)所研發(fā)的第二代張力腿平臺(tái)具有以下的一些共同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn): (1)與第一代張力腿平臺(tái)立柱與張力腿軸向一一對(duì)應(yīng)的連接關(guān)系不同, 第二代張力腿平臺(tái)三個(gè)系列均采用了立柱與張力腿軸向異位連接方式, 立柱向平臺(tái)中心靠攏; 張力腿均通過(guò)在平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)上設(shè)置的懸臂梁浮筒結(jié)構(gòu)與平臺(tái)連接。這樣一種結(jié)構(gòu)方式使設(shè)計(jì)人員在考慮平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)、立柱間距、平臺(tái)上體的尺度等力學(xué)與平臺(tái)的布置等問(wèn)題時(shí)有了更大的設(shè)計(jì)自由度。(2)立柱采用小水線面設(shè)計(jì), 使立柱在近水線面處受力面積降低, 這樣可以大幅減小平臺(tái)在水線面處受到的環(huán)境荷載。但是, 立柱小水線面設(shè)計(jì)同時(shí)也會(huì)造成平臺(tái)回復(fù)力矩的減小以及對(duì)可變荷載變化的敏感, 不利于平臺(tái)對(duì)作業(yè)載荷適應(yīng)能力的提升。(3)普遍使用了模塊化設(shè)計(jì)建造技術(shù)。第二代張力腿平臺(tái)有意將平臺(tái)結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)成對(duì)稱形, 平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)盡量采用平面直角設(shè)計(jì)、矩形橫截面結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)模塊和標(biāo)準(zhǔn)板材組裝等, 以此簡(jiǎn)化平臺(tái)的建造工藝、降低平臺(tái)的建造成本。(4)部分類型的平臺(tái)采用了中性浮力的張力筋腱設(shè)計(jì), 采用這一類型的張力筋腱, 使平臺(tái)擺脫了深水條件下張力腿過(guò)重的問(wèn)題, 使之可以在更深的海域作業(yè)。

4 已投入使用的張力腿平臺(tái)整體概況及主要技術(shù)參數(shù)

4.1 張力腿平臺(tái)整體概況

目前世界上最大的張力腿平臺(tái)為傳統(tǒng)類型的張力腿平臺(tái)HEIDRUN, 該平臺(tái)于1995年在挪威345 m水深的海域投入使用, 是世界上第一座也是唯一的一座混凝土張力腿平臺(tái), 因?yàn)槠渲黧w構(gòu)造采用了混凝土結(jié)構(gòu), 所以主體排水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他鋼制張力腿平臺(tái), 平臺(tái)本體重量達(dá)到25.5萬(wàn)t, 設(shè)計(jì)排水量為29萬(wàn)t。該平臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命為50 a, 平臺(tái)上有生產(chǎn)井51口、注水井24口, 平臺(tái)日產(chǎn)當(dāng)量原油25.1萬(wàn)桶。另外二座在歐洲海域作業(yè)的張力腿平臺(tái)分別為HUTTON和SNORRE A。WEST SENO A為在亞洲地區(qū)第一座也是目前唯一的一座張力腿平臺(tái); KIZOMBA A為在非洲海域作業(yè)的第一座張力腿平臺(tái), 此后陸續(xù)有另外三座張力腿平臺(tái)坐落在非洲海域, 它們是 KIZOMBA B、OVENG和 OKUME/ EBANO。除了上述的亞、非、歐8座張力腿平臺(tái)外,其余的16座均在美國(guó)墨西哥灣作業(yè)。目前作業(yè)水深最深的張力腿平臺(tái)為坐落于美國(guó)墨西哥灣的MAGNOLIA, 其作業(yè)水深達(dá)到1 425 m, 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式為ETLP; MORPETH為世界上第一座第二代張力腿平臺(tái), 該平臺(tái)于1998年在美國(guó)墨西哥灣518 m水深的海域投入使用, 平臺(tái)為SeaStar TLP結(jié)構(gòu)形式,平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)重量為5 357 t, 設(shè)計(jì)排水量為10 605 t,平臺(tái)日產(chǎn)當(dāng)量原油4.8萬(wàn)桶。產(chǎn)量最大的張力腿平臺(tái)為在挪威海域作業(yè)的傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái) SNORRE A, 平臺(tái)日產(chǎn)原油當(dāng)量36.6萬(wàn)桶。該平臺(tái)本體重量約為 7.4萬(wàn) t, 設(shè)計(jì)排水量為 10.6萬(wàn) t, 是除了 HEIDRUN TLP以外最大的一座張力腿平臺(tái), 也是目前世界上最大的一座鋼質(zhì)張力腿平臺(tái)。

從1984年至今, 世界上建成投入生產(chǎn)的第一代張力腿平臺(tái)共有11座, 屬于第一代張力腿平臺(tái)的有HUTTON、JOLLIET、SNORRE A、AUGER、HEIDRUN、MARS、RAM POWELL、URSA、MARLIN、BRUTUS、WEST SENO A。第二代張力腿平臺(tái)最早于1998年投入使用, 迄今共有三個(gè)系列13座第二代張力腿平臺(tái)投入使用。屬于第二代張力腿平臺(tái) SeaStar系列的有: MORPETH、ALLEGHENY、TYPHOON、MATTERHORN和NEPTUNE;屬于MOSES系列的有: PRINCE、MARCO POLO、OVENG、OKUME/EBANO和SHENZI; 屬于Extended TLP系列的有: KIZOMBA A、MAGNOLIA和KIZOMBA B。24座張力腿平臺(tái)中, 除了 HUTTON已退役、TYPHOON由于在Rita和Katrina颶風(fēng)中傾倒報(bào)廢、沉入海底作為人工魚礁外, 其余22座TLP均在役。

此外, 巴西國(guó)家石油公司(Petrobras)正在為位于巴西海域的坎普斯盆地(Campos Basin)、水深為1 180 m的PAPA TERRA P-61油田設(shè)計(jì)建造一座ETLP結(jié)構(gòu)形式的張力腿平臺(tái), 目前尚未見(jiàn)到該平臺(tái)投產(chǎn)的報(bào)道。

4.2 已投入使用的張力腿平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)

1984年世界上第一座實(shí)用化的張力腿平臺(tái)Hutton TLP投入使用以后的近30 a來(lái), 張力腿平臺(tái)已經(jīng)逐漸成為各大石油公司深海油氣田開(kāi)發(fā)考慮采用的主流開(kāi)采裝置之一。目前已有24座不同類型的張力腿平臺(tái)在世界各海域使用, 其中二座已退役。表1[3,6,9-13]為這24座張力腿平臺(tái)基本信息、張力腿及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)表, 表2[3,6,9-13]為24座張力腿平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)表。

5 討論、結(jié)論與展望

根據(jù)前面的分析, 本文有如下的討論、結(jié)論與展望: (1)第一代張力腿平臺(tái)和Extended TLP一般規(guī)模較大, 具有較大的油氣處理能力, 這兩類平臺(tái)可用于大型油氣田的開(kāi)采; SeaStar TLP由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般適用于環(huán)境惡劣的中小油田和邊際油田以及

作為井口平臺(tái)使用; 而MOSES TLP介乎于第一代張力腿平臺(tái)、Extended TLP和SeaStar TLP之間。(2)就海底基礎(chǔ)形式而言, 已投產(chǎn)的張力腿平臺(tái)中只有二座張力腿平臺(tái)(SNORRE A和HEIDRUN)采用了重力式基礎(chǔ), 其余的均以樁基形式作為其海底基礎(chǔ)。重力式吸力基礎(chǔ)一般為淺基礎(chǔ), 主要適用于土質(zhì)較軟、或土質(zhì)情況不穩(wěn)定的土層, 而樁基礎(chǔ)則適用于承載力較高的土質(zhì)。(3)傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)是最早出現(xiàn)的一種張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式, 但2003年作為井口平臺(tái)使用的最后一座傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái) WEST SENO A投產(chǎn)后, 至今未見(jiàn)這種類型的新平臺(tái)投入使用。顯然, 隨著第二代張力腿平臺(tái)越來(lái)越多地投入使用,傳統(tǒng)類型張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的不足也越顯突出。可以預(yù)見(jiàn): 今后新型的張力腿平臺(tái)將會(huì)在吸收第一、第二代張力腿平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 綜合第一、二代張力腿平臺(tái)的四種類型的優(yōu)點(diǎn)研發(fā)而成。(4)在投入使用的所有第一代張力腿平臺(tái)均擁有支持干樹(shù)系統(tǒng)的能力, 可歸類為干樹(shù)平臺(tái); 已投產(chǎn)的所有 3座Extended TLP和大部分的MOSES TLP也為干樹(shù)平臺(tái)(除了MOSES系列中的SHENZI TLP為濕樹(shù)平臺(tái)外); 而 5座 SeaStar系列的張力腿平臺(tái)除了MATTERHORN擁有支持干樹(shù)系統(tǒng)的能力外, 其余4座為濕樹(shù)平臺(tái)。平臺(tái)是否具備支持干樹(shù)系統(tǒng)的能力主要由平臺(tái)的規(guī)模大小而定。(5)目前張力腿平臺(tái)大部分是在墨西哥灣使用, 近年來(lái)有向巴西、北非等海域擴(kuò)張的趨勢(shì)。隨著我國(guó)南海油氣資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的升溫, 張力腿平臺(tái)無(wú)疑將會(huì)與Spar、FPSO等一起作為我國(guó)南海油氣田開(kāi)發(fā)的主要考慮采用的裝置。

表1 24座張力腿平臺(tái)基本信息、張力腿及其海底基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

續(xù)表

表2 24座張力腿平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)表

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

TE5

A

1000-3096(2014)04-0101-08

10.11759/hykx20120912002

2012-09-12;

2014-02-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10772068)

吳家鳴(1957-), 男, 廣西梧州人, 教授, 博士, 主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的研究, 電話: 020-87111030-3637, E-mail: ctjmwu@scut.edu.cn