深水半潜式钻井平台系泊系统方案设计与分析

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文得平台的有效荷载能力减小；另外，随着水深的增加，锚链系泊系统的定位能力也会很快下降。因此，在深水海洋平台的系泊系统更多的是采用钢缆和／或人造材料(如聚酯材料、芳香尼龙等)。聚酯绳索与传统的钢缆等系泊线材料的最大不同点是，聚酯绳索的弹性模量E与绳索内所受载荷(张力)的平均值及载荷的变化幅度和周期有关【2】，因此，聚酯绳索的动力特性分析是复杂的非线性问题，需要开发相应的计算程序。为了简化计算，在工程上系泊系统分析一般只对聚酯绳索的三种轴向刚度(AxialStiffness，EA)进行分析，分别是：安装后刚度(PostInstallationStiffness，

2、对应于最小值)，中间刚度(IntermediateStiffness)和风暴刚度(StormStiffness，对应于最大值)。1．2研究的历史与现状早期的系泊系统分析使用的是拟静态方法，平台与系泊系统之间的相互作用部分或全部忽略，系泊线运动方程用悬链线理论求解。随着海洋平台工作水深的增加，系泊线和立管长度和重量都显著增加，对平台运动的影响也愈来愈大，需要使用全耦合的方法对平台／系泊线／立管系统进行分析。耦合分析涉及平台运动、系泊线运动和两者之间的相互作用三方面问题。在平台的运动方面主要的问题是计算平台在波浪中运动所受到的水动力，常用的数值方法是基于势流理论的频域面元法，对于粘性力

3、的计算多使用莫里森公式。目前已经开发出很多比较成熟的水动力计算软件，如法国船级社的Hydrost斫口麻省理工开发的wAMIT【31。其中，WAMIT可以计算一阶和二阶的波浪水动力，包括波浪激振力、辐射阻尼力和附加质量力。在系泊线运动方面，传统的方法是用悬链线方程求解，但是这种方法计算结果精度不高。弹性细长杆理论(elasticrodtheory)是一种比较精确的方法。Nordgren(1974)曾推导了弹性细长杆的运动方程，并使用有限差分法进行了计算分析14】。Garret(1982)构建了不可伸长细长杆的有限元模型，因为使用了自然坐标系，该模型允许大挠度和有限转角，而且考虑了张力

4、沿杆长的变2哈尔滨丁程大学硕士学位论文化‘51。Chen等人(2001)推导了大应变假设下的细长杆运动方程【61。在聚酯缆方面，最早在海洋平台上使用聚酯缆的是巴西的Petrobras公司(1996)，随后，在美国墨西哥湾也出现了使用聚酯材料系泊线的平台。最早做关于在系泊线中使用聚酯材料的可能行研究的是Vecchio(1992)[7]，他指出对于悬链式系泊系统，系泊缆采用聚酯材料会使系泊系统有更好的性能。Femandes和Vecchio(1998)通过对小直径聚酯缆的试验，对聚酯缆索的动态弹性模量做了回归分析【2】。随后，Bosman和Hooker(1999)简化了聚酯缆动态模量的回

5、归公式，证明了载荷幅度和周期对动态模量的影响可以忽略【8】oCasey等人(2005)通过实验测量研究了深水锚泊系统的聚酯缆轴向刚度的测量影响因素[9】。在平台与系泊系统的耦合分析方面，Ran等人(1999)对时域和频域分析作了对比，认为时域分析得到的波频与慢变响应和锚泊线张力，通常比频域分析大【l们。Ran和Kim等人(2000)开发了可以进行浮式平台于锚泊系统耦合分析的计算机程序WINPOST，并使用该程序对立柱式平台和张力腿平台做了研究【l¨。Arcandra(2001)在WINPOST的基础上，可发了WINPOSToFPSO和WINPOST-POLY，其中，W姗OST-FP

6、SO可以对转塔系泊的FPSO进行耦合分析，WINPOST-POLY考虑了动态载荷对聚酯缆轴向刚度的影响，可以对采用聚酯缆的平台与锚泊系统进行耦合分析【121。Ryu(2003)对推进器辅助系泊系统与立管和平台的耦合运动进行了模拟【13】。1．3系泊系统及其分析方法概述海洋平台的定位系统主要可以分为三种：系泊系统、动力定位系统和推进器辅助系泊系统。系泊系统按照布置方式可以分为：单点式系泊系统和发散式系泊系统，前者多用于船型平台，如FPSO等；按照系泊线的形状系泊系统可以分为：悬链线式系泊系统和张紧式系泊系统，前者多用于中等水深和浅水，后者相对于前者，具有更小的系泊半径、系泊线长度和系

7、泊载荷，因而在深水及超深水多被采用；系泊线常采用的材料有：锚链、钢缆和聚酯缆。哈尔滨工程大学硕士学位论文深水半潜式钻井平台对系泊系统定位能力有更高的要求，常采用动力定位系统或者分散布置的张紧式系泊系统，对于张紧式系泊系统，系泊线的中间段采用聚酯缆可提高系泊系统的定位能力。对系泊系统定位能力及其强度的分析方法可分为：解耦分析(de．coupledanalysis)、耦合分析(coupledanalysis)和半耦合分析(semi—coupledanalysis)；频域分