新型分离式张力腿平台概念设计

小化的水线面和延伸式系泊等特性。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。之后又给出了此种平台
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
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。
按形式不同可以将张力腿平台分为： （ 1） 传统 式张力腿平台（ CTLP） ； （ 2） 海星式张力腿平台（ SeaStar TLP） ； （ 3） 最小化深海水面设备结构张力腿平 台（ MOSES TLP） ； （ 4） 延伸式张力腿平台（ ETLP） 。 不同形式 TLP 的特点：
（ 1） 传统式张力腿平台（ CTLP） ，一般主体由 3 根或者 4 根立柱及连接它们的浮箱组成。针对此种 平台，各国 学 者 进 行 了 广 泛 且 卓 有 成 效 的 研 究，现 存最多的张力腿平台型式；
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 延伸系泊 概念设计
中图法分类号 P751；
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） 。
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
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
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
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；
第 1Leabharlann Baidu 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
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
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。
（ 2） Seastar TLP，是一种按照 mini-TLP 概念进 行设计的单柱式张力腿平台，在 1992 年由 Atlantia 公司设计研 发，已 申 请 了 专 利，主 要 应 用 于 较 小 储 量的油气田开发。它的承载效率较传统式的要高， 系泊范围较 大，能 够 提 高 平 台 运 动 响 应 性 能，模 块 化设计，方案灵活，能够适应不同环境的要求，便于 建造和安装。
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
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。
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。
系泊索间距的增加可以使得平台在相同的系 泊力下得到 更 高 的 纵、横 摇 转 动 刚 度，增 大 对 平 台 转动 响 应 的 限 制，如： CTLP 平 台 到 ETLP 平 台 的 改良。 1. 3 最小化水线面的概念
平台水线面处的尺寸最小化，可以大幅减小平 台在水线面处受到的环境荷载，如 MOSES TLP，但 是，水线面的减小同时会造成平台静水回复刚度的 减小和对上部荷载变化更为敏感，这便限制了平台 水线面的减小范围和平台性能的提升。 1. 4 顺应式的概念
（ 3） MOSES TLP 最小化 深 海 水 面 设 备 结 构，Minimum Offshore
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闫功伟，等： 新型分离式张力腿平台概念设计
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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。
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
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。