文章编号:1005-9865(2008)01-0120-07深海系泊系统动力特性研究进展唐友刚,张素侠,张若瑜,刘海笑(天津大学建筑工程学院,天津 300072)摘 要:系泊系统设计是深海平台开发的关键问题之一。
由于深海环境载荷和系泊材料物理特性及系缆构型影响,系泊系统分析涉及流固耦合非线性、非线性流体动力及整个系泊系统的运动稳定性。
总结深海系泊系统关键理论和技术研究的前沿问题,包括系泊系统系缆建模、系泊系统耦合动力分析的理论和方法等,重点分析系泊系统非线性动力学问题的研究进展,并且提出了深海系泊系统需要深入研究的若干动力学问题。
关键词:深海系泊;深海平台;动力响应;运动稳定性中图分类号:U674.38 文献标识码:AAdvance of study on dynamic characters of mooring systems in deep waterTANG You -gang ,ZH ANG Su -xia ,ZH ANG Ruo -yu ,LIU Hai -xiao(School of Civil Engineering ,Tianjin University ,Tianjin 300072,China )A bstract :The design of moorin g systems is one of the key issues in the exploitation of platforms for deep water .Because of the effects of envi -ron mental load in deep water ,the physical characters of the mooring line material and the con figuration ,the analysis of the moorin g systems in -volves nonlinearity d ue to fluid -solid coupling ,the nonlinear h ydrodynamic forces and the stability of motions .In this paper ,some pivotal theo -ries and technical problems are presented ,includin g the modeling of the mooring line ,the theory and method of coupled dynamics analysis of the mooring system ,and focusing on the development of study on the nonlinear dynamics of moorin g systems .The future researches to be stud -ied about deep ocean mooring systems are recommended in the end .Key words :mooring in deep water ;platform in deep water ;d ynamic response ;stability of motion收稿日期:2007-04-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(50679051);国家自然科学基金重点资助项目(50639030);国家863资助项目(2007AA09Z304)作者简介:唐友刚(1952-),男,河北徐水人,博士,教授,从事船舶与海洋工程动力学及深海平台技术研究。
目前有多种用于浮体结构定位的系泊系统,如按照系泊方式划分,可分为悬链线系泊(catenar y mooring )、悬链线锚腿系泊(catenar y anchor leg mooring )、单锚腿系泊(single anchor leg mooring )、张力腿系泊(tension leg mooring )、系缆桩-缓冲系泊(dolphin -fender mooring )等。
此外,按照系泊点的个数,可分为单点系泊系统和多点系泊系统。
一般来说,系泊方式是根据系泊力的大小、水深、系索长度、是否配置中间浮体或沉箱、地形和海床条件来确定的。
目前深水平台系泊系统主要采用多点系泊系统,系泊方式包括锚链悬链线系泊,具有预张力的尼龙缆系泊及复合缆系泊。
在开发深海油气的平台中,张力腿平台(TLP )和Spar 平台是公认的优秀平台形式,国外在墨西哥湾和北海已经建造了若干座TLP 和Spar 。
工程实践表明,深海装备的关键技术之一是定位问题。
随着水深增加,系缆的载荷迅速提高,平台作业单元运动的不稳定性增大。
为适应深海平台开发的需要,近几年来,深海系泊理论和技术的研究得到了蓬勃发展。
第26卷第1期2008年2月海洋工程THE OCE AN ENGINEERING Vol .26No .1Feb .2008DOI :10.16483/j .issn .1005-9865.2008.01.0121 深海平台主要结构和系泊系统1.1 张力腿平台主要结构和系泊系统张力腿(TLP )平台由五大部分组成:平台上体、立柱(含横撑和斜撑)、下体(沉箱)、张力腿系泊系统和锚固基础。
通常将平台上体、立柱及下体并称为平台本体。
平台上体位于水面以上,通过4根或3根立柱与下体连接,立柱一般为圆柱形结构,是平台波浪力和海流力的主要承受部件,其主要作用是提供给平台本体必要的结构刚度。
平台的浮力由立柱和位于水面以下的下体浮箱提供。
浮箱首尾与各立柱相接,形成环状结构。
张力腿与立柱的关系一般是一一对应的,每条张力腿由2～4根张力筋键组成,上端固定在平台本体上,下端与海底基座模板相连,或者直接连接在桩基顶端。
张力腿平台的特点在于系泊腿中具有张力,该张力来自于系统浮力与重力的差,即浮力除了抵消平台系统自重之外,剩余部分浮力作用于系泊腿。
预张力作用在张力腿平台的垂直张力腿系统上,使张力腿时刻处于受拉伸的绷紧状态。
较大的张力腿预张力使平台平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小,近似于刚性。
张力腿将平台和海底固接在一起,为生产提供一个相对平稳安全的工作环境。
1.2 Spar 平台的整体结构和系泊系统目前的Spar 平台,整体上分为六大部分:平台上体、主体外壳、浮力系统、中央井、立管系统和系泊系统。
而从结构上来分,则一般将Spar 平台分为三部分:平台上体,平台主体和系泊系统(包括锚固基础),其中平台上体和平台主体并称为平台本体。
Spar 平台主体是单圆柱体结构,竖直悬浮于水中,整体直径很大,一般都在20～40m 之间,吃水都在百米以上,其重心位于浮心以下。
由于主体吃水很深,平台的垂荡和纵荡运动幅度一般较小。
深海平台系泊系统一般由四部分组成:系泊缆索、导缆器、起链机和海底基础。
系泊缆索上端连接到平台主体上的导缆器,另一端与海底基础相连,用起链机来控制缆绳的预张力,平台运动的恢复力主要由系泊缆索的位能提供。
TLP 平台的系泊索由于预张力作用始终处于完全张紧的状态,而Spar 平台的系泊缆在一定预张力作用下形成半张紧半松弛状态。
系泊索与主体的连接点位于平台几何中心附近,该点处的运动幅度较小。
海底基础大多采用抓力锚、桩基或是吸力式基础固定。
图1(a )为带有张力的张力腿平台的系泊形式;图1(b )为半张紧半松弛状态的Spar 平台系泊形式。
图1 TLP 平台和Spar 平台示意图Fig .1 Diagrams of TLP platform and Spar platform随着平台作业水深不断增加,传统的钢缆不再适用。
因为水深增加,系缆加长,钢缆自身重量巨大,这需要更大的浮体来提供浮力,导致平台主体体积不断膨胀,使得平台造价急剧增加;此外,深水中悬链线形式的系泊缆覆盖着巨大水域,严重影响海底管线与缆线的铺设和船舶在该水域的作业通航。
为提高深水平台经济效益,开发了新的系缆材料和提出了新的系泊原理,核心技术是采用重量轻和强度高的聚酯纤维缆,系缆通过施加预张力呈半拉紧形状,从而可以减轻缆的重量和减小系泊缆覆盖的水域。
目前深海系泊结构有:1)锚链悬链线系泊,一般水深不大于1000m ;2)全钢缆系泊,可用于1000m 以上水深系泊;3)链-钢缆-链系泊;4)链-尼龙缆-链半张紧系泊。
全钢缆系泊和链-钢缆-链系泊可用于1000m 以121第1期唐友刚,等:深海系泊系统动力特性研究进展上水深,但是经济性能低,而链-尼龙缆-链半张紧系泊方式,经济性能优越,更适合深海平台的需要。
2 系泊系统动力特性和响应预报研究进展设计深海系泊的关键是合理确定系缆的张力,系缆张力由缆自身受到的波流载荷、平台运动拉伸载荷等因素引起。
系泊索-平台构成耦合的非线性动力系统,该系统响应的预报涉及平台主体运动计算及系泊系统的动力学参数识别,此外涉及缆的材料特性和本构关系及回复刚度,这是系泊系统目前研究的热点问题。
2.1 系泊缆的计算分析模型建立合理的系泊缆模型是系泊系统安全分析的重要问题。
系泊缆一端连在海底基础上,另一端连接在平台主体上面,由于缆绳本身的重力会自然下垂。
对系缆力的计算,目前主要有三种模型:悬链线模型、以多体动力学理论为基础的集中质量-弹簧模型以及细长杆模型。
2.1.1 悬链线模型如图2所示,悬链线模型是一种准静态模型,其方程为[1]:l w -h (h +2T H P )-l ′+T H P sinh -1(P T H h (h +2T H P ))=0(1)式中:l w 为未拉伸时缆绳的工作长度,l ′是拉伸后的缆绳长度,h 是水深度,T H 为缆绳张力,P 为单位悬链线在水中的重力。
悬链线模型在浅水系泊中十分有效,并且得到了广泛应用,但是在深海系泊中,由于动态刚度的影响,这个模型不再适用。
2.1.2 集中质量-弹簧模型如图3所示,集中质量-弹簧模型与其它方法相比,具有以下优点:1)模型和数学方程物理含义明确;2)张力和系缆构型的计算效率高;3)适应非线性、不稳定状态、不均匀缆和振荡流等分析。
系泊缆上第i 个质量的运动方程为[2]:m i a i +12e i +1/2a iN |i +1/2+12e i -1/2a iN |i -1/2=F i (2)式中:m i 表示第i 段缆绳的质量,a i 是它的加速度,e i +1/2和e i -1/2分别是结点i ,i +1和i ,i -1间被拖曳流体的虚质量,a i N i +1/2和a i N i -1/2是向量a i 在两段上的法向分量,力向量F i 包括两段缆绳中的张力、拖曳力、重力和浮力,以及其他任何外力。