新型分离式张力腿平台概念设计

依照以上给出的概念而设计出来的新型张力 腿平台型式及各模块，如图 2 和图 3 所示。
3 概念设计流程
新型平台概念设计时，需要遵循以下步骤： 1） 平台的功能确定： 包括人员数量、平台功能 （ 钻完井、供电、油气处理、储备等） 、所需设备及其
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图 2 SSME 平台各模块
的大小和有关垂荡的要求确定可变浮箱的尺寸和 位置；
6） 中央立柱尺寸及位置确定： 需要确定中央立 柱的内外直径，高度，顶部和底部盖板的大小；
闫功伟1 欧进萍1，2
（ 哈尔滨工业大学土木工程学院1 ，哈尔滨 150090； 大连理工大学建设工程学部2 ，大连 116024）
摘 要 通过对张力腿平台型式、特点及发展历程的分析，提出张力腿平台型式创新及性能优化应遵循主体集中布置、延伸
式系泊、最小水线面等趋势； 进而提出了新型的张力腿平台概念。该新型平台主体在垂向自平衡与系泊系统分离，且具有最
（ 3） MOSES TLP 最小化 深 海 水 面 设 备 结 构，Minimum Offshore
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图 1 不同型式张力腿平台示意图
Surface Equipment Structure，简称 MOSES，概念由海 洋工程协会（ SEA Engineering Associates） 主席 Pieter Wybro 博士最早提出，它继承了传统张力腿平台的 主要优点，如 小 垂 荡 运 动 等，同 时 提 高 了 平 台 的 承 载效率，降 低 了 平 台 的 建 造 安 装 难 度 及 成 本，并 一 定程度上改良了平台的运动性能。
实现自平衡后，平台主体底部可以增设垂荡板或 者其他 系 泊 系 统 来 控 制 平 台 可 能 增 大 的 垂 荡 运 动 响应。 2. 4 延伸式系泊的概念
延伸式系泊的概念由 ETLP 平台继承，即平台 的系泊将 会 置 于 悬 挑 的 浮 箱 外 边 沿，远 离 平 台 主 体，系泊张力腿之间的间距增加。这样系泊系统对 平台的转动限制会明显增加。 2. 5 中浮性张力腿系统
新型的 SSME 平台将具有以下几个特点。 2. 1 最小化水线面的概念
采用组合平台的形式，在水线面处选用导管架 的形式连接水线面以上的平台上体和水面以下的 平台主体。导管架的尺寸仅从强度上由上部的荷 载确定。此概念可以最大化减小平台水线面处所 受波浪荷载和风、流荷载。
为了避免因最小化水线面造成的平台主体静 水回复刚度的减小，本文提出了分离自平衡的新概 念，见下文。 2. 2 分离式的概念
同样体积，大直径的构件表面积相对较小； 同 样尺寸构件，集 中 布 置 时 会 存 在 遮 蔽 效 应，一 定 程 度上减小了平台所受环境载荷作用，同时一定程度 避免了荷 载 的 不 同 步 作 用，可 以 减 小 平 台 受 到 的 纵、横 摇 方 向 上 的 荷 载，如： CTLP 发 展 为 MOSES TLP 和 Seastar TLP 均遵循了这一原则，实现了对平 台性能的改良。 1. 2 延伸系泊系统的概念
其概念为采用紧凑高效的主体设计方案，大幅 降低平台水线面截面尺寸，使得波浪荷载对平台本 体的影响最小化，减小了平台在“疲劳区域”中的响 应，同时使得 平 台 的 运 动 响 应 达 到“调 谐 状 态 ”，从 而能以最小的预张力提供符合设计要求的平台运 动性能。
（ 4） ETLP 延伸式张力腿平台，Extended Tension Leg Platform，简称 ETLP，由 ABB 公司首先提出，通过对传 统张力腿平台的主体结构进行一定的改良设计，减 小立柱间距，通 过 浮 箱 悬 臂 外 延 扩 大 锚 泊 范 围，使 得该类平台相对于传统类型张力腿平台拥有更大 的承载能力、更 优 良 的 运 动 性 能、更 高 效 更 低 风 险
系泊张力腿的重量问题是限制张力腿平台应 用于更深海域的主要问题之一，这个问题可以由中 浮性概念设计的张力腿加以回避，即张力腿在水中 所受浮力和其重力相等。
其他方面，SSME 还可以考虑模块化设计、建造 和安装以减小平台的造价及建造安装难度，考虑主 体底面增加垂荡板或者系泊系统来改良平台垂向 性能，可虑 合 理 化 设 计 张 力 腿 浮 箱 位 置，使 得 同 方 向风、流载荷的力矩相互抵消。
平台主体与张力腿系统所连接的浮箱在竖向 是分离的，即平台主体不传递竖向载荷给张力腿系 统，此种概念的好处： 1） 保证张力腿系统的预张力 水平，2） 预张力基本维持在一定水平，变化较小，能 保证平台较为稳定的性能； 3） 平台的纵荡与垂荡将
不再耦合！ 此概念通过主体与张力腿连接浮箱之间的竖
向滑动来实现。 2. 3 平台主体自平衡概念
2011 年 12 月 15 日收到
国家重点基础研究发展计划
（ 2011CB013702； 2011CB013703） 资助
第一作者简介： 闫功伟（ 1983—） ，男，安徽人，博士生，研究方向： 深
水海洋平台的动力响应，E-mail： yangongwei@ foxmail． com。
TLP。Copple［5］提出了用于深水边际油田的浮力腿 结构。Bhattacharyya 等［6］等应用数值模拟的方法对 迷你式 Seastar TLP 的耦合动力响应 进 行 了 分 析。 Yang 等［7］进行了位于墨西哥湾的延伸式 TLP 平台 在极端海况下张力腿断开时瞬态效应的数值模拟。
第 12 卷 第 8 期 2012 年 3 月 1671—1815（ 2012） 08-1724-09
地球科学
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 8 Mar． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
新型分离式张力腿平台概念设计
概念设计的具体流程和要点，并概念设计了一座新型平台。
关键词 张力腿平台 分离自平衡 最小水线面 延文献标志码 A
随着陆地及近海油气资源的日益枯竭，深海油 气钻采技术的需求越来越紧迫。目前张力腿平台 以其成熟的技术和优良的工作性能，广泛应用于世 界海上各个知名油气田，已超有 24 座，新型张力腿 平台的设计应用水深已超过 2 500 m（ Atlantia 公司 的 Seastar 在西非和巴西海域的研究项目以及墨西 哥海湾的应用项目，设计工作水深分别达到了 2 743 m 和 2 591 m） 。
满足不同海域、不同油藏条件的需求。 显然深海恶劣环境中，通过优化平台形式，减小平 台所受荷载，是提高张力腿平台性能的有效方式。
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本文提出了一种新型张力腿平台，它的主体在 垂向具有与张力腿系统分离（ Separating） 且自平衡 （ Self-balance） 和 最 小 化 水 线 面 （ Minimum-offshoresurface） 的特性，同时该平台还可以继承延伸式系泊 系统（ Extended mooring） 的概念，可以将此种平台简 称为分离式张力腿平台（ SSME TLP） ，它还可以具有 主体集中和模块化设计等其他特性。最小化的水 线面的概念可以最大限度减小平台在水线面处所 受环境载荷。主体垂向分离且自平衡的概念可以 同时保证平 台 的 静 水 回 复 刚 度，并 解 除 平 台 纵、横 荡与垂荡的 耦 合 效 应，减 小 张 力 腿 的“疲 劳 效 应 ”。 主体垂向可以在底部附加垂荡板以控制垂荡。延 伸式系泊可以增加平台在纵、横摇方向上的刚度。
根据分离式的概念，可以进一步使得平台具有 主体自平衡的特性，即在一定的垂荡范围内平台主 体的所有重力均由其浮力平衡抵消，维持自平衡的 状态。实现这一概念的技术要点在于： 1） 主体上有 向上突出的浮箱置于主体底部； 2） 主体上向上突起 的浮箱与张力腿浮箱形成活塞装置，二者之间有保 持恒定大气压的气室； 3） 气室设有专门的管道与海 上大气层联通，以保持气室中恒定的气压； 4） 主体 上向上突出浮箱的横截面尺寸足够大，它将代替水 线面尺寸为平台主体提供静水回复刚度。
在平台的纵、横荡和首摇这些长周期运动方向 上，利用平台自身的附加质量和辐射阻尼力来平衡 和降低平台的动力响应。 1. 5 模块化设计的概念
对平台上体进行模块化设计、建造和组装，可以大 幅降低平台的建造难度及造价，使得平台可以具有灵 活的运输方式、快速的就位和便捷的组装等特点。 1. 6 小型化、多样化
的项目运行计划。
1 TLP 平台优化及型式创新方向
由前文 TLP 平台形式的发展历程，并对各种以 有平台型式及特点进行分析，可以得出 TLP 平台型 式发展创新的方向有如下几个方面： a） 通过形状及 尺寸的优化改善平台动力响应； b） 减小平台的环境 载荷； c） 模块化，降低平台造价等，具体措施如下： 1. 1 主体的集中概念
2 SSME 新型张力腿平台设计概念
深海环境 下，只 考 虑 波 浪 起 伏 时，可 以 认 为 海 平面平均高度是不变的，一定水深处的平均水压力 变化不大，张 力 腿 基 础 部 分 完 全 满 足 安 全 的 要 求， 对平台的水动力及运动响应性能没有影响。一般 深海海洋环境中风、流方向还存在一致性和一定的 稳定性。根据以上说明，本文提出新型 SSME TLP 平台的概念，然 后 再 对 平 台 进 行 总 概 念 设 计，并 计 算平台的基本特性。
张力腿平台在水平方向属于一种顺应式深水 平台，在垂向通过平行且张紧的张力腿系统垂直系 泊在海底，能够使得平台的各方向运动的固有周期 均避开海洋波浪的能量集中区域，具有良好稳定的 运动性能。
国内外很多学者对不同型式张力腿平台做了 研究，Jagannathan［1］在 1992 年提出了一种悬式张 力腿平 台 的 概 念，并 进 行 了 深 入 研 究。Kobayashi 等［2］提出了带有底座的张力腿平台。Wybro 等［3］提 出了 MOSES TLP。Kibbee［4］提出了 SeaStar Minimal