海洋平台结构与强度 第3章 活动式海洋平台锚泊力的静力计算

第三章 锚泊力计算
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锚链的预张力与强度
• 锚链的许用强度应能承受得起平台发生最 大位移后的锚链最大张力 • 在锚泊定位系统中的预张力愈大平台受风 浪而引起的水平位移愈小 • 应该在锚链的许用强度下尽量提高锚链的 预张力 • 在钻井工作时取为锚链断裂强度的1／3， 而在自存时取为断裂强度的1／2
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第三章 锚泊力计算
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锚泊力的两种计算
• 平台定位计算（正问题）：在锚泊系统的中，通 常是在给定平台偏移(一般取5—10％水深)的情 况下，计算整个锚泊系统的回复力。 • 平台结构强度校核（反问题）：在平台强度的静 力分析中，则常常已知平台所受的外力，这时根 据锚泊力的水平分量与风力和流力的水平分量相 平衡的原则。首先确定平台的平衡位置，再求出 在此平衡位置时，锚链对平台着链点的拉力。此 拉力即为锚泊外力，供平台结构强度校核用。
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【CCS】系泊分析和设计衡准 10.3.1 一般要求 • 10.3.1.1 定位系泊系统应设计成在任一锚索突 然失效时，不会导致其他锚索相继失效。 • 10.3.1.2 设计工况
– 1）完整作业工况；2）完整自存工况； – 3）破损作业工况；4）破损自存工况。
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• 许用强度规定得太小，不利于定位；定得太大又 容易引起锚链的断裂 • 锚链的疲劳破坏是和它所承受的载荷变化的幅值 有关，载荷越大或其变化幅值越大，则其使用寿 命就越短 • 当平台处于“停钻”与“自存”状况时，平台受 到的风、浪、流等外力的作用很严重 • 上风侧的锚链张力很大，可将下风一侧的锚链放 松，减少链上所受的张力和平台位移
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上节内容回顾
根据速度势可求得波浪水质点的速度和加速度
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上节内容回顾 选择波浪理论的主要依据
• 对于海洋平台的波浪力计算，从工程实用角度出发: d/T2=0.08～0.1作为分界线 • 大于此值：选用司托克斯五阶波 • 小于此值：选用椭圆余弦波 • 艾里波理论由于其简单，使用简便，有良好的适应性(适 用于各种水深，其线性性质可用于研究绕射问题和各种谱 分析) • 艾里波理论虽适合于微幅波情况，但在实际应用中并不受 此限制，波高甚大时用此种理论进行工程计算也能有较好 的效果，在作初步的估算时，可选用艾里波理论
• 当平台邻近有其他结构物存在时，还应对系泊平 台在破损情况下的平台瞬态运动性能进行分析 • 该分析应包括系泊平台在达到新平衡位置以前瞬 态运动过程中平台移动路径、方位以及锚索张力。
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【CCS】 偏移和锚索张力 • 10.3.2.1 偏移
（1）平均偏移是指在海流力、风力和波漂力联合作用下 平台的位移。 （2）最大偏移是指平均偏移加上经适当组合的平台波频 和低频运动幅值。
gT 2 2d L th 2 L
K 2 L

2 T
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上节内容回顾 几种重要的波浪理论
(1) 艾里（Airy）波：深水和浅水中的微幅波， 线性理论（波峰波谷形状对称） (2) 斯托克斯（Stokes）高阶波：深水中的有 限幅波，非线性理论（波谷形状较平坦） (3) 椭圆余弦波：浅水中的有限幅波，非线性理论 (4) 孤立波：极浅水中的有限幅波，非线性理论
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上节内容回顾 锚泊系统的作用
将平台定位于井口上方 漂浮于海上作业的钻井船或半潜式平台，其锚泊定 位系统必须具有足够的回复力，才能使平台定位于 井口上方，顺利地进行钻井工作，平台的水平位移 应不超过某一限度 在被迫停止钻井工作时限位 停止钻井而隔水管尚未脱开时，锚泊系统应能将平 台限制在某一较大的活动范围内 保障平台安全 当平台遇到更恶劣的海况时，隔水管被迫与深底的 防喷器脱开而处于自存状况时，平台的活动半径虽 可不受限制，但平台仍须在锚泊下确保生存
小尺度结构，拖曳力和惯 性力！
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上节内容回顾 海流（潮）载荷
• 海洋中的水流一般包括两个部分：一是潮流，二是 风海流。 • 潮流是由于太阳、月球对地球的引力使海水涌起后 而引起的水平方向的水流运动。潮流有季节性的变 化，但大致以一定的方向流动。 • 潮流方向一般在12h左右反转一次。一般海洋中的 潮流流速是比较小的，但在海峡和水道内产生的潮 流流速比较大些。 • 风海流是由于贸易风形成的大气环流吹成的水流， 它还受到由于地球的转动、大陆架海水密度差异等 等的动力作用的影响。它的流向几乎是不变的， 在北半球为顺时针，在南半球为逆时针。
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【CCS】定位系泊系统仅涉及辐射式悬链状系泊系 统。定位系泊系统将由下列部件和设备组成： （1） 锚或锚桩； （2） 锚索，包括锚链，钢丝绳； （3） 锚索附件，包括卸扣、连接环、缆端嵌环、 快速释放装置； （4） 导向装置，包括导向弯管、导向滑轮及导 向孔； （5） 掣链 / 缆器； （6） 锚机 / 绞车； （7） 构成定位系泊系统的其他结构件或机械件。
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CCS海上移动平台入级与建造规范(2005)规定
• 定位系泊系统或推力器辅助定位系泊系统通常设 置在柱稳式平台或水面式平台上 • 定位系泊系统将在业主 / 设计者规定的作业限制 和程序的基础上考虑入级。作为入级条件的上述 作业限制和程序应载入操作手册中。
• 10.3.2.2 锚索张力
（1）平均张力系是指与平台平均偏移相应的锚索张力。 （2）最大张力是系指平均张力与经适当组合的波频及低 频张力之和。
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准静力分析程序 • 10.3.4.1 在准静力分析法中，先静态偏 移系泊平台，再在承载最大锚索的导索点 处施加合适的波浪运动，以考虑波浪动力 载荷。 • 在该法中，可忽略导索点的垂直运动，以 及与锚索质量、阻尼、流体动力等有关的 动力效应。
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• 在实践中，这些着链点上的锚泊力常达 102t量级，是平台结构强度计算中必须考 虑的一个因素。 • 锚泊力的计算，采用锚链系统组合刚度的 方法较为方便。 • 本章用悬链线理论分析单根锚链的特性， 介绍单根锚链链端位移非线性刚度系数、 锚泊系统组合刚度特性关系和锚泊，苑博文
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准静力分析法的一般程序简述如下：
（1） 确定系泊系统静刚度特性。系泊系统的刚度特性可按公认的理论、数值 分析或模型试验来确定。悬链线方程通常可用于由单一材料组成的锚索段。 应考虑锚索的弹性伸长，特别对浅水中绷得较紧的系泊系统尤应予以考虑。 此外，视具体情况，尚应计及海流、海底倾斜以及海底与锚索之间摩擦等的 影响； （2）确定系泊平台的平均偏移 。把流力、风力、波漂力作为静力考虑，确定 作用在系泊船上稳态环境力。再根据系泊系统静刚度特性，确定系泊平台偏 离其原始位置的静偏移，或即平均偏移 ； （3）确定平均偏移处的系泊刚度，根据此系泊刚度进行系泊平台的低频运动分 析，以确定系泊平台低频运动有义及最大单幅值； （4）确定系泊平台波频运动有义及最大单幅值； （5）确定系泊平台最大偏移和锚索最大张力。应按照10.3.2.1的规定适当组 合平台波频和低频运动，确定船最大偏移。根据锚索静刚度特性确定锚索最 大张力； （6）确定锚索最大悬挂长度。对不能承受上拔力的锚设备，最大悬挂索长应小 于舷外索长； （7）确定锚最大载荷。 （8）按照10.3.5规定的系泊系统设计衡准，校核锚索张力、平台平均偏移及 最大偏移、锚最大载荷。
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3.1 锚泊定位系统的布置形式及 其设计参数
决定锚泊定位系统的布置形式的因素：
环境载荷的大小、方向、出现的频率 平台的结构型式 定位系统的锚链的辐射状的布置 在定位过程中，平台受风、浪的袭击可能来 自任何方向，因而常将定位系统的各根锚链 拉向四面八方，即采用辐射状的布置，以便 在各个方向都能给平台定位提供回复力
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不同平台结构型式的锚链布置
• 矩形的平台采用8根锚链 • 三角形的采用9根 • 五角形的采用10根 • 一般为对称性布置！ 2大特点：辐射状 对称性
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上节内容回顾 艾里波理论
• 波面 • 波长

H cos kx t 2 gT 2 2d L th 2 L
• 速度势
gH chk y d sin kx t 2 chkd
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上节内容回顾 波浪诱导载荷的成分：
拖曳力—物体造成水流扰动，粘性效应 惯性力—入射波压力(F-K力)；流体附加质量力 绕射力—考虑物体时，波浪绕射引起的 三种力对具体结构并非同等重要，主要取决： 大尺度结构，惯性力和绕射 1 结构的型式、尺度 力！ 2 选取的波浪工况
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上节内容回顾 冰载荷
• 对于会出现冰冻的寒冷海域，冰力对结构的影响往 往是很严重的 • 冰作用在平台结构上的力主要有； (1)巨大冰层包围结构物，冰层移动时对结构的挤压； (2)流冰对结构物的冲击； (3)冰层膨胀挤压结构物时所产生的膨胀力； (4)当冰层与结构物冻结在一起，冰层移动时所产生的 拖曳力，冰层因水位下降时而产生的向下的附加重 力，冰层因水位上升时而产生的向上的附加浮力； (5)海冰与结构物之间的摩擦力；
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思考题
1、计算波浪载荷的时候通常使用哪几种波浪理论？ 2、根据艾里波理论，已知速度势求波浪水质点水平 方向和垂直方向的速度和加速度。 gH chk y d sin kx t 2、选择波浪理论的主要依据是什么？ 2 chkd 3、波浪诱导载荷有哪三个成分？ 4、海洋中水流包含哪两个部分？ 5、冰作用在海洋平台结构上的力主要有哪些？ 6、什么是锚泊系统？ 7、定位系泊系统地设计衡准是什么？
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【CCS】系泊平台运动
• 10.2.3.1 系泊平台在风力（定常）、海 流力和波漂力的联合作用下将从无环境力 作用时的初始位置偏移至新的平均位置， 在此平均位置，系泊系统的复原力将平衡 所施加的上述定常力。 • 波浪将关于此新的平均位置引起系泊平台 的波频和低频运动。
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锚泊系统的作用
将平台定位于井口上方 漂浮于海上作业的钻井船或半潜式平台，其锚泊定 位系统必须具有足够的回复力，才能使平台定位于 井口上方，顺利地进行钻井工作，平台的水平位移 应不超过某一限度 在被迫停止钻井工作时限位 停止钻井而隔水管尚未脱开时，锚泊系统应能将平 台限制在某一较大的活动范围内 保障平台安全 当平台遇到更恶劣的海况时，隔水管被迫与深底的 防喷器脱开而处于自存状况时，平台的活动半径虽 可不受限制，但平台仍须在锚泊下确保生存