Truss spar平臺(tái)多點(diǎn)系泊力學(xué)分析

徐興平, 王言哲, 汪 海

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580)

spar平臺(tái)是深海石油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備,Agarwal等[1-2]以spar平臺(tái)系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用Newmark迭代算法研究了系統(tǒng)的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng),結(jié)果表明平臺(tái)與系泊系統(tǒng)相互耦合對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大。Kim等[3]采用CABLE6D程序?qū)lassical spar/聚酯系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合動(dòng)力分析,結(jié)果表明,由于聚酯纜具有大變形特性,采用聚酯系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)要小于錨鏈系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)。肖越[4]在頻域和時(shí)域分別計(jì)算了平臺(tái)/系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力特性,結(jié)果表明時(shí)域分析更為準(zhǔn)確。劉海笑等[5]分析了張緊式系泊系統(tǒng)的spar平臺(tái)的耦合動(dòng)力特性,系泊系統(tǒng)采用合成纖維纜。陳新權(quán)[6]采用三維非線(xiàn)性時(shí)域模擬方法分析了系泊深海半潛式平臺(tái)在自存和作業(yè)工況條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜的動(dòng)張力變化。Soeb等[7-8]在時(shí)域分析了spar平臺(tái)/系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng),分析了波浪和海浪載荷對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。Montasir等[9-11以truss spar為研究對(duì)象,分析了風(fēng)、浪、流載荷作用下平臺(tái)/系泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力特性。Yang等[12-13]采用全時(shí)域動(dòng)力法對(duì)truss spar/系泊/立管系統(tǒng)在非線(xiàn)性波下的動(dòng)力特性進(jìn)行耦合分析,通過(guò)時(shí)域分析可以計(jì)算系統(tǒng)的慢漂運(yùn)動(dòng)。劉利琴等[14]分析開(kāi)有月池的truss spar垂蕩運(yùn)動(dòng)特性,研究了月池開(kāi)度對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。筆者將truss spar平臺(tái)主體和系泊系統(tǒng)看作耦合系統(tǒng),采用ANSYS/AQWA在時(shí)域?qū)russ spar及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合動(dòng)力響應(yīng)分析,考察8點(diǎn)和12點(diǎn)系泊的力學(xué)特性。

1 運(yùn)動(dòng)方程和系泊方案

系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),環(huán)境條件需要遵循設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),其中風(fēng)、浪、流載荷是主要的載荷。浮式平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下,產(chǎn)生6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),同時(shí)系泊定位系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生系泊力。平臺(tái)和系泊系統(tǒng)的總體運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中,xi為浮式平臺(tái)的6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng);M為浮式平臺(tái)的質(zhì)量;Ma為浮式平臺(tái)的附加質(zhì)量;C為浮式平臺(tái)的水阻尼;K為浮式平臺(tái)的靜水剛度;Fcurrent為海流載荷;Fwind為風(fēng)載荷;Fwave為波浪載荷;Fmooring為系泊載荷。

風(fēng)、浪、流載荷的組合方式有多種,對(duì)于永久性系泊系統(tǒng),使用百年一遇的環(huán)境條件:①浪和與之相關(guān)的風(fēng)和流;②風(fēng)和與之相關(guān)的浪和流;③流和與之相關(guān)的風(fēng)和浪。當(dāng)缺少以上載荷形式時(shí),可以采用以下組合:①百年一遇的風(fēng)和浪與十年一遇的流;②百年一遇的風(fēng)和流與十年一遇的浪。該運(yùn)動(dòng)方程可以頻域或者時(shí)域求解。

系泊力與系泊方案有關(guān),系泊方案如圖1所示。

圖1 8點(diǎn)與12點(diǎn)系泊方案示意圖Fig.1 Mooring plan schematic diagrams with eight and twelve anchor points

2 8點(diǎn)系泊系統(tǒng)力學(xué)特性

采用8點(diǎn)系泊方案時(shí),在環(huán)境載荷作用下,將風(fēng)、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險(xiǎn)工況,重點(diǎn)考察truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和5號(hào)系泊纜的張力響應(yīng);在破損工況作用下,假設(shè)6號(hào)系泊纜發(fā)生破斷,將風(fēng)、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險(xiǎn)工況,考察truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和5號(hào)系泊纜的張力響應(yīng)。

2.1 垂蕩響應(yīng)

采用8點(diǎn)系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)見(jiàn)圖2;破損狀態(tài)下Truss spar的垂蕩響應(yīng)見(jiàn)圖3。從圖2看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-98.6～-97.7 m,完整極限工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-99.5～-97.0 m。從圖3看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-98.4～-97.4 m,破損極限工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-99.5～-97 m。

對(duì)比完整工況和破損工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時(shí),對(duì)平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)影響較小。對(duì)比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值明顯更大。

在模擬時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)趨于穩(wěn)定。

2.2 縱蕩響應(yīng)

采用8點(diǎn)系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應(yīng)見(jiàn)圖4;破損狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應(yīng)見(jiàn)圖5。從圖4看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為28～36 m,完整極限工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為156～171m。由圖5看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為57～65 m,破損極限工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為222～238 m。

圖2 8點(diǎn)系泊方案中完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)Fig.2 Heave response of truss spar in intact condition with eight anchor points

圖3 8點(diǎn)系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)Fig.3 Heave response of truss spar in broken condition with eight anchor points

圖4 8點(diǎn)系泊方案中完整狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應(yīng)Fig.4 Surge response of truss spar in intact condition with eight anchor points

圖5 8點(diǎn)系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應(yīng)Fig.5 Surge response of truss spar in broken condition with eight anchor points

對(duì)比完整工況和破損工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷,對(duì)平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)影響很大。與完整作業(yè)工況相比,平臺(tái)的縱蕩位移在破損作業(yè)工況下增加了30 m(平均值)。當(dāng)truss spar的水平位移過(guò)大時(shí),會(huì)造成平臺(tái)偏離井口,影響平臺(tái)采油作業(yè)。

對(duì)比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值明顯更大。與完整作業(yè)工況相比,平臺(tái)的縱蕩位移在完整極限工況下增加了130 m(平均值)。在極限工況下,truss spar不能進(jìn)行正常作業(yè)。

2.3 張力響應(yīng)

采用8點(diǎn)系泊方案,完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)見(jiàn)圖6;破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)見(jiàn)圖7。在4種工況下,5號(hào)系泊纜處于最危險(xiǎn)工況。從圖6和7看出,系泊系統(tǒng)在完整作業(yè)工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(3.9～4.15)×106N,在完整極限工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(9.2～10)×106N,在破損作業(yè)工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(4.85～5.15)×106N,破損極限工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(13～14)×106N。

對(duì)比完整工況和破損工況下系泊纜的張力響應(yīng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時(shí),對(duì)系泊纜的張力影響很大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的最大張力在破損作業(yè)工況下增大了24%;與完整極限工況相比,系泊纜的最大張力在破損極限工況下增大了40%。

圖6 8點(diǎn)系泊方案中完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)Fig.6 Tension response of truss spar in intact condition with eight anchor points

圖7 8點(diǎn)系泊方案中破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)Fig.7 Tension response of truss spar in broken condition with eight anchor points

對(duì)比作業(yè)工況和極限工況下系泊纜的張力響應(yīng)發(fā)現(xiàn),極限工況下系泊纜的張力響應(yīng)極值和幅值都更大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的張力響應(yīng)在完整極限工況下增大了1.4倍,工況條件對(duì)系泊纜張力的影響十分顯著。

3 12點(diǎn)系泊系統(tǒng)力學(xué)特性

采用12點(diǎn)系泊方案時(shí),在環(huán)境載荷作用下,將風(fēng)、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險(xiǎn)工況,重點(diǎn)考察truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和7號(hào)系泊纜的張力響應(yīng);在破損工況作用下,假設(shè)8號(hào)系泊纜發(fā)生破斷,將風(fēng)、浪、流載荷沿0°方向入射作為最危險(xiǎn)工況,考察truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和7號(hào)系泊纜的張力響應(yīng)。

3.1 垂蕩響應(yīng)

采用12點(diǎn)系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)見(jiàn)圖8;破損狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)見(jiàn)圖9。從圖8可以看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-99.4～-98.4 m,完整極限工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-100.5～-97.8 m。從圖9看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-99.2～-98.2 m,破損極限工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)區(qū)間為-100.5～-97.5 m。

對(duì)比完整工況和破損工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷,對(duì)平臺(tái)的垂向運(yùn)動(dòng)影響較小。對(duì)比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值明顯更大。

在模擬時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),truss spar平臺(tái)的垂蕩響應(yīng)趨于穩(wěn)定。

圖8 12點(diǎn)系泊方案中完整狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)Fig.8 Heave response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

圖9 12點(diǎn)系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的垂蕩響應(yīng)Fig.9 Heave response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

3.2 縱蕩響應(yīng)

采用12點(diǎn)系泊方案,完整狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應(yīng)見(jiàn)圖10;破損狀態(tài)下Truss spar的縱蕩響應(yīng)見(jiàn)圖11。由圖10看出,完整作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為20～28 m,完整極限工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為112～126 m。從圖11看出,破損作業(yè)工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為38～48 m,破損極限工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)區(qū)間為158～170 m。

圖10 12點(diǎn)系泊方案中完整狀態(tài)下trussspar的縱蕩響應(yīng)Fig.10 Surge response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

對(duì)比完整工況和破損工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時(shí),對(duì)平臺(tái)的縱蕩運(yùn)動(dòng)影響很大。與完整作業(yè)工況相比,平臺(tái)的縱蕩位移在破損作業(yè)工況下增加了20 m(平均值)。

對(duì)比作業(yè)工況和極限工況下truss spar平臺(tái)的縱蕩響應(yīng)發(fā)現(xiàn),極限工況下truss spar平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值明顯更大。與完整作業(yè)工況相比,平臺(tái)的縱蕩位移在完整極限工況下增加了100 m(平均值)。truss spar的水平位移過(guò)大會(huì)引起平臺(tái)偏離井口,影響平臺(tái)采油作業(yè)。

圖11 12點(diǎn)系泊方案中破損狀態(tài)下truss spar的縱蕩響應(yīng)Fig.11 Surge response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

3.3 張力響應(yīng)

采用12點(diǎn)系泊方案,完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)見(jiàn)圖12;破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)見(jiàn)圖13。在4種工況下,7號(hào)系泊纜處于最危險(xiǎn)工況。由圖12和13看出,系泊系統(tǒng)在完整作業(yè)工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(3.60～3.85)×106N,在完整極限工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(7.1～7.9)×106N,在破損作業(yè)工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(4.2～4.45)×106N,破損極限工況下的張力響應(yīng)區(qū)間為(9.2～10)×106N。

圖12 12點(diǎn)系泊方案中完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)Fig.12 Tension response of truss spar in intact condition with twelve anchor points

圖13 12點(diǎn)系泊方案中破損狀態(tài)下系泊系統(tǒng)的張力響應(yīng)Fig.13 Tension response of truss spar in broken condition with twelve anchor points

對(duì)比完整工況和破損工況下系泊纜的張力響應(yīng)發(fā)現(xiàn),當(dāng)系泊系統(tǒng)某一根系泊纜發(fā)生破斷時(shí),對(duì)系泊纜的張力影響很大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的最大張力在破損作業(yè)工況下增大了15%，系泊纜的最大張力增大了26%。

對(duì)比作業(yè)工況和極限工況下系泊纜的張力響應(yīng)發(fā)現(xiàn),極限工況下系泊纜的張力響應(yīng)極值和幅值都更大。與完整作業(yè)工況相比,系泊纜的張力響應(yīng)在完整極限工況下增大了一倍,工況條件對(duì)系泊纜張力的影響十分顯著。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)系泊系統(tǒng)處于破損狀態(tài)時(shí),平臺(tái)的縱蕩、橫蕩和橫搖等要遠(yuǎn)大于系泊系統(tǒng)處于完整狀態(tài)時(shí)的數(shù)值,系泊系統(tǒng)狀態(tài)下對(duì)垂蕩和縱蕩自由度位移(角度)的影響較小。極限工況下,平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和張力響應(yīng)要比作業(yè)工況下的響應(yīng)更大。

(2)在作業(yè)工況下,8點(diǎn)系泊方案、12點(diǎn)系泊方案的張力響應(yīng)和平臺(tái)位移響應(yīng)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,但是12點(diǎn)系泊方案的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和張力響應(yīng)值更小;在極限工況下,8點(diǎn)系泊方案、12點(diǎn)系泊方案的張力極值超出了設(shè)計(jì)規(guī)范許用張力,但是12點(diǎn)系泊方案的張力值略小。