TLP平臺(tái)張力腿干涉分析研究

尹漢軍，黃懷州，劉 釗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

TLP平臺(tái)張力腿干涉分析研究

尹漢軍，黃懷州，劉 釗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

為驗(yàn)證相鄰張力腿在安裝階段和在位階段是否發(fā)生碰撞干涉，需進(jìn)行張力腿干涉分析。采用FLEXCOM和SHEAR7軟件，在考慮VIV效應(yīng)和尾流效應(yīng)的情況下，對(duì)某油田有4個(gè)立柱、每個(gè)立柱有2根張力腿的平臺(tái)進(jìn)行了安裝階段和在位階段的干涉分析。結(jié)合張力腿海上安裝方案，選取張力腿T8和T1、T2和T3完成綁扎布置之后處于自由站立狀態(tài)作為典型工況進(jìn)行分析，結(jié)果表明，此張力腿布置滿(mǎn)足施工和在位干涉分析要求。最后指出，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果張力腿發(fā)生干涉現(xiàn)象，可通過(guò)調(diào)整臨時(shí)浮筒尺寸、綁扎布置或增加擾流裝置以降低VIV效應(yīng)等手段來(lái)消除干涉。

張力腿；干涉分析；綁扎；渦激振動(dòng)；尾流

隨著海上油氣的開(kāi)發(fā)向深海發(fā)展，張力腿平臺(tái)（TLP）受到了人們的廣泛關(guān)注。在深海油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于TLP具有運(yùn)動(dòng)性能好、抗惡劣環(huán)境作用能力強(qiáng)、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，日益成為深海油氣田開(kāi)發(fā)的主要結(jié)構(gòu)形式。張力腿（Tendon）主要用于系泊張力腿平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的生產(chǎn)功能需求。張力腿系泊系統(tǒng)需提供足夠的剛度保證平臺(tái)的升沉、橫搖和縱搖頻率遠(yuǎn)離波浪能量集中頻率范圍（1/2～1/5 Hz），從而避免諧振響應(yīng)[1]。

張力腿平臺(tái)每個(gè)立柱（或延伸腿）底部通常安裝2根或更多根張力腿，張力腿總數(shù)通常為6～16根。張力腿鋼管通常為常壓，除去頂部和底部連接器外，全長(zhǎng)范圍可以采用一致或者變化的外徑和壁厚。每根張力腿由頂部連接段、底部連接段和主體分段（包含中間耦合連接器）組成。張力腿頂部節(jié)點(diǎn)將張力腿與船體懸掛系統(tǒng)（Porch）相連，同時(shí)配備張力腿張力的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主體分段貫穿整個(gè)水深與底部節(jié)點(diǎn)相連，底部節(jié)點(diǎn)將張力腿與底部基礎(chǔ)連接。張力腿典型布置如圖1所示。

圖1 張力腿典型布置方案

由于受到外界環(huán)境條件、TLP平臺(tái)偏移以及渦激振動(dòng)（VIV）效應(yīng)的影響，張力腿會(huì)發(fā)生垂直于長(zhǎng)度方向的偏移。為保證安裝階段和在位階段張力腿底部和頂部轉(zhuǎn)角在允許最大轉(zhuǎn)角范圍之內(nèi)，以及相鄰張力腿之間不發(fā)生干涉，在設(shè)計(jì)階段需對(duì)其進(jìn)行分析。張力腿干涉分析的主要目的為：

（1）校核相鄰張力腿之間是否發(fā)生干涉。

（2）校核張力腿底部和頂部轉(zhuǎn)角是否滿(mǎn)足要求。

（3）確定和核實(shí)臨時(shí)浮筒（TSB）尺寸。

（4）確定張力腿綁扎（Tie-back）布置方案。

（5）確定是否需要VIV抑制裝置及布置方案。

1 張力腿干涉分析理論

在進(jìn)行張力腿干涉分析時(shí)，需要考慮張力腿的渦激振動(dòng)（VIV）效應(yīng)引起的拖曳力增大。同時(shí)，由于同一角上的兩根張力腿之間距離較近，也需考慮下游張力腿尾流效應(yīng)（Wake Effect）的流速折減。因?yàn)槲挥趤?lái)流方向上的兩根張力腿，其下游張力腿位于上游張力腿的尾流場(chǎng)中，由于尾流的遮蔽效應(yīng)，下游張力腿受到海流的拖曳力總是小于上游張力腿所受的拖曳力，這使得兩根張力腿有相互靠近的趨勢(shì)，同時(shí)渦激振動(dòng)（VIV）效應(yīng)又進(jìn)一步加大了這種趨勢(shì)[2]。

1.1 渦激振動(dòng)效應(yīng)

從流體的角度分析，任何非流線型物體，在一定的恒定流速下，都會(huì)在物體兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的漩渦[3]。對(duì)于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會(huì)在柱體上生成順流向（In-line）和橫流向（Cross-flow）周期性變化的脈動(dòng)壓力[4]。如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體（管體）周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的柱狀體振動(dòng)反過(guò)來(lái)又會(huì)改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體-結(jié)構(gòu)物相互作用問(wèn)題稱(chēng)為渦激振動(dòng)（Vortex-Induced Vibration：VIV）[5]。

TLP平臺(tái)區(qū)域水深較深，其海流速度較淺水區(qū)要大得多，同時(shí)，隨著管體長(zhǎng)度的增加，張力腿的固有頻率降低，較小量級(jí)的海流作用就可能引發(fā)張力腿渦激振動(dòng)。張力腿渦激振動(dòng)響應(yīng)幅值和頻率一般取決于海流特征、結(jié)構(gòu)密度、長(zhǎng)細(xì)比、阻尼比、折減速度和雷諾數(shù)等因素。

研究表明，渦激振動(dòng)會(huì)增大張力腿的拖曳力系數(shù)，從而增大張力腿的拖曳力，使其變形增大。因此在進(jìn)行干涉分析之前，首先應(yīng)針對(duì)張力腿進(jìn)行VIV分析，確定拖曳力放大系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)OTC 4490，VIV引起的拖曳力放大系數(shù)可采用下式進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中：Cd為拖曳力系數(shù)，無(wú)量綱；CD0為靜止的圓柱體拖曳力系數(shù)，無(wú)量綱；YRMS為由于VIV振動(dòng)引起的張力腿某一位置處的均方根位移，m；D為圓柱體外徑，m。

1.2 尾流效應(yīng)

兩個(gè)相鄰張力腿，當(dāng)上游張力腿受到來(lái)流作用時(shí)，由于上游張力腿的屏蔽作用，下游流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，使得下游流場(chǎng)在一定范圍內(nèi)，流速要小于來(lái)流流速，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為尾流效應(yīng)（遮蔽效應(yīng)）。由于尾流效應(yīng)的存在使得上游張力腿變形大于下游張力腿變形，當(dāng)兩根張力腿距離較近時(shí)，存在張力腿之間發(fā)生干涉的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

模擬尾流的方式一般有三種：一是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，二是參數(shù)化的尾流場(chǎng)模型（HUSE模型），三是參數(shù)化的平均拖曳力模型（BLEVIN模型）。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型能夠?qū)崿F(xiàn)上下游立管在來(lái)流中的模擬，但是由于流固耦合計(jì)算量巨大，在目前的工程應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。HUSE模型由于計(jì)算流程簡(jiǎn)單，尤其對(duì)于兩根圓形結(jié)構(gòu)物組成的系統(tǒng)，而且具有不用通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)獲得作用力系數(shù)和可直接應(yīng)用于有限元靜態(tài)分析工具的優(yōu)點(diǎn)，在工程上得到了大量的應(yīng)用。

參數(shù)化尾流場(chǎng)模型是一個(gè)基于半經(jīng)驗(yàn)的靜態(tài)尾流公式，該公式用于分析在穩(wěn)流場(chǎng)中結(jié)構(gòu)物之間的干擾。該模型由HUSE在上世紀(jì)八、九十年代基于Schichting提出的湍流尾流分析公式提出的[8-10]。HUSE尾流場(chǎng)模型如圖2所示。

圖2 HUSE尾流場(chǎng)模型

其中尾流虧損速度為

尾流場(chǎng)中的真實(shí)流速為

式中：u為分析點(diǎn)的尾流虧損速度，m/s；U0為尾流中心虧損速度，m/s；y為尾流場(chǎng)中垂直于來(lái)流方向上分析點(diǎn)與上游圓柱體軸心的垂直距離，m；b為尾流半帶寬，m；k1，k2為常數(shù)，無(wú)量綱，對(duì)于光滑立管k1=0.25，k2=1.0；V為來(lái)流速度，m/s；xs為考慮了上游圓柱體的影響，用于尾流虧損速度計(jì)算的在來(lái)流方向上與上游圓柱體軸心的分析距離，m；x為尾流場(chǎng)中在來(lái)流方向上與上游圓柱體軸心的實(shí)際距離，m；Vwake為尾流場(chǎng)中的真實(shí)流速，m/s。

2 基于FL EXCOM的張力腿干涉分析

本文選取某油田張力腿平臺(tái)進(jìn)行研究，此張力腿平臺(tái)共有4個(gè)立柱，每個(gè)立柱有2根張力腿，2根張力腿頂部軸線之間橫向和縱向間距均為6.33 m，張力腿直徑為1.016 m（40 in）。該油田范圍平均水深為400 m，一年一遇臺(tái)風(fēng)條件下表層流速為1.57 m/s，十年一遇臺(tái)風(fēng)條件下表層流速為1.85 m/s，百年一遇臺(tái)風(fēng)條件下表層流速為2.49 m/s，千年一遇臺(tái)風(fēng)條件下表層流速為2.80 m/s。

張力腿的干涉分析包括施工工況的干涉分析和在位工況的干涉分析。施工干涉分析的工況需要考慮具體的海上作業(yè)流程，并結(jié)合張力腿綁扎布置的情況和施工作業(yè)持續(xù)期等。在位干涉分析的工況必要的話還要考慮平臺(tái)的偏移等。

在分析中將TLP的張力腿簡(jiǎn)化為一豎直的梁結(jié)構(gòu)[11]，對(duì)于渦激振動(dòng)效應(yīng)引起的拖曳力系數(shù)放大，采用SHEAR7軟件進(jìn)行分析，然后導(dǎo)入到FLEXCOM中分析張力腿的實(shí)際變形情況。對(duì)于尾流效應(yīng)，采用FLEXCOM的WAKE INTERFERENCE模塊自動(dòng)分析下游張力腿的尾流情況。

2.1 施工干涉分析

對(duì)于施工狀態(tài)下張力腿的干涉分析，不僅要考慮張力腿安裝完成之后的自由站立狀態(tài)，同時(shí)也要考慮張力腿安裝過(guò)程中的各種可能狀態(tài)。一般情況下由于結(jié)構(gòu)布置的因素，TLP每個(gè)角的張力腿距離不會(huì)太遠(yuǎn)，因此，張力腿安裝完成后，平臺(tái)回接前一般需要進(jìn)行綁扎布置。

對(duì)于布置8根張力腿的TLP平臺(tái)，每個(gè)角各布置2根張力腿，按照順時(shí)針?lè)较驅(qū)?根張力腿進(jìn)行從T1到T8的編號(hào)。張力腿綁扎布置是通過(guò)鋼絲繩等索具將每個(gè)角的張力腿分別與另外一個(gè)角上的張力腿連接起來(lái)，使張力腿頂部偏移一定的距離，增大同一個(gè)角上相鄰張力腿之間的間隙值。張力腿綁扎布置見(jiàn)圖3。

圖3 張力腿綁扎布置示意

在張力腿施工狀態(tài)下，張力腿頂部均安裝有臨時(shí)浮筒，臨時(shí)浮筒直徑8.1 m、高度9 m，用于提供張力腿施工狀態(tài)下的張力，保證臨時(shí)浮筒以下張力腿中不會(huì)出現(xiàn)壓力。

對(duì)于張力腿海上安裝分析所采用的環(huán)境條件，APIRP 2T中規(guī)定見(jiàn)表1[12]。

表1 TL P海上安裝環(huán)境條件要求

參考以往TLP平臺(tái)張力腿安裝情況，對(duì)于8根張力腿的海上安裝周期不會(huì)超過(guò)一個(gè)月，保守考慮，采用十年一遇的臺(tái)風(fēng)條件，即表層流速1.85 m/s的環(huán)境條件，進(jìn)行張力腿的干涉分析。同時(shí)，結(jié)合張力腿海上安裝方案，選取張力腿T8和T1、T2和T3完成綁扎布置之后處于自由站立狀態(tài)作為典型工況，進(jìn)行分析。FLEXCOM分析模型見(jiàn)圖4。

圖4 FL EXCOM分析模型

對(duì)于流向，在分析中需對(duì)其進(jìn)行搜索，充分考慮各向來(lái)流對(duì)張力腿的影響，本文以22.5°為一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)，對(duì)來(lái)流向從0°到90°進(jìn)行分析。干涉分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 施工干涉分析結(jié)果

由以上分析結(jié)果可以看到，0°來(lái)流方向時(shí)張力腿底部轉(zhuǎn)角最大，為10.23°；45°來(lái)流方向時(shí)張力腿之間的凈間隙值最小，為7.72 m。根據(jù)相關(guān)廠家了解，張力腿底部可允許最大轉(zhuǎn)角為12°，因此目前的張力腿布置滿(mǎn)足干涉分析要求。

2.2 在位干涉分析

在位干涉分析中張力腿頂部不考慮平臺(tái)偏移影響，張力腿中張力考慮為預(yù)張力。平臺(tái)偏移會(huì)帶來(lái)張力腿中張力的增加，張力越大，其渦激振動(dòng)效應(yīng)及其相應(yīng)的拖曳力系數(shù)就會(huì)降低，相應(yīng)的張力腿的偏移值就會(huì)減小，相鄰張力腿之間干涉風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)降低。因此，不考慮張力腿頂部偏移，只考慮預(yù)張力的做法是一種保守做法。一旦保守的分析結(jié)果顯示相鄰張力腿之間發(fā)生碰撞時(shí)，則需考慮平臺(tái)偏移對(duì)張力腿干涉的影響。

在位狀態(tài)下需考慮的環(huán)境條件分別為一年、百年、千年一遇的臺(tái)風(fēng)工況。環(huán)境條件方向分別考慮平行于每個(gè)角上兩根張力腿連線方向的平行來(lái)流方向（In-line方向）和垂直于每個(gè)角上兩根張力腿連線方向的垂直來(lái)流方向（Transverse方向），見(jiàn)圖5。

圖5 在位狀態(tài)下環(huán)境條件方向示意

尾流影響僅在In-line方向下考慮，在Transverse方向下沒(méi)有尾流效應(yīng)的影響。對(duì)于Transverse方向，沿張力腿長(zhǎng)度方向的橫流向的渦激振動(dòng)幅值用于檢查相鄰張力腿之間的最小凈間隙值。

In-line方向下的相鄰張力腿干涉分析中，千年一遇臺(tái)風(fēng)工況的凈間隙值最小，為6.54 m，具體結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 In-line方向下相鄰張力腿凈間隙值

在Transverse方向，張力腿直立狀態(tài)下，相鄰張力腿之間的凈間隙值為7.93 m（8.95-1.016=7.93（m）），經(jīng)SHEAR7分析，一年一遇臺(tái)風(fēng)工況的張力腿渦激振動(dòng)幅值最大，為1.08 m，因此，此種工況下相鄰張力腿之間的凈間隙值最小，為5.77 m（7.93-1.08×2=5.77（m））。三種工況的橫流向渦激振動(dòng)幅值結(jié)果見(jiàn)圖7、表3。

圖7 三種工況橫流向渦激振動(dòng)幅值

表3 三種工況橫流向渦激振動(dòng)幅值

由以上結(jié)果可以看到，所采用的張力腿布置方案，在位狀態(tài)下相鄰張力腿之間不會(huì)發(fā)生干涉。

3 結(jié)束語(yǔ)

TLP平臺(tái)所處海域一般水深較深，海流較大，且由于平臺(tái)本身結(jié)構(gòu)布置的限制，每個(gè)立柱下的張力腿距離也比較近。渦激振動(dòng)效應(yīng)引起的拖曳力系數(shù)增大引起張力腿在海流作用下的變形增大，同時(shí)尾流效應(yīng)的存在降低了下游張力腿處的流速，從而導(dǎo)致下游張力腿變形減小，降低了相鄰張力腿之間的間隙值，增大了發(fā)生干涉的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于TLP平臺(tái)的張力腿干涉分析需仔細(xì)考慮施工和在位狀態(tài)下的各種工況以及可能遭遇的各種環(huán)境條件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中如果干涉現(xiàn)象發(fā)生，可通過(guò)調(diào)整臨時(shí)浮筒尺寸、綁扎布置或增加擾流裝置以降低VIV效應(yīng)等手段來(lái)消除干涉。

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Analytical research on TLP tendon clashing

YIN Hanjun，HUANG Huaizhou，LIU Zhao
China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300452，China

Tendon clashing analysis is to verify whether there is clashing between adjacent tendons of a TLP during pre-service phase and in-place phase，which is one of important contents for tendon design.In this paper，pre-service and in-place phase clashing analyses are performed by using FLEXCOM and SHEAR7 for the TLP with four columns and two tendons of each column，in which VIVeffect and wake effect are both considered.Especially，the typical case of tendon free standing with tendon T8 and tendon T1 tie-back and tendon T2 and tendon T3 tie-back is focused.The research results show that the tendons arrangement satisfies the requirements of construction and in-place phase clashing analysis.It is further indicated that the tendon clashing problem can be solved by adjusting temporary buoy dimension and tie-back arrangement，or adding anti-turbulence device.

tendon；clashing analysis；tie-back；vortex induced vibration （VIV）；wake

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.005

工信部課題“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”。

尹漢軍（1973-），男，遼寧撫順人，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于大連理工大學(xué)港口工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)物研究工作。Email：yinhanjun@cooec.com.cn

2017-09-11