张力腿平台系泊系统敏感性分析_宋林峰

1 理
论
TLP 平台运动响应分析涉及平台的稳性、 张力腿的张力和疲劳、 立管的强度以及甲板与水面间隙等。 在平台的运动响应中，由波浪引起的升沉运动、纵摇运动、横摇运动以及垂荡运动都非常小，还可忽 略风流产生的平台各方向摇动。所以平台的运动响应主要考虑水平方向的运动，即横荡、纵荡。平台 水平位移包括整体位移、波频运动和低频运动[8]。 在频域分析使用三维辐射/绕射理论计算平台所受的波浪力，并使用 Morison 公式考虑粘性影响， 对平台进行水动力分析。通过计算，得到平台的附加质量、阻尼系数以及二阶传递函数矩阵（QTF） 等，并将这一系列数值加入时域计算程序中。在时域计算程序中，需要考虑筋腱与平台的耦合作用， 以及平台受到的风流影响。平台时域耦合方程中时间积分项使用四阶龙格库塔法求解，耦合方程为
均方差 4.27 1.19 0.35 0.04 0.06 0.40
张力腿平台筋腱最大响应值 高频均方差/kN 1100 1100 940 930 1500 1500 1200 1200 低频均方差/kN 560 570 480 470 400 410 350 350 最大值/kN 2.40×104 2.40×104 2.30×104 2.30×104 2.40×104 2.40×104 2.30×104 2.20×104
表2 参数 总预张力/kN 筋腱根数 n 筋腱就位长度 L/m 筋腱外径 D/m 筋腱壁厚 t/m 干重/(Kg/m)
张力腿系泊系统参数 数值 68900 8 977.8 0.701 0.038 993.24 参数 湿重/（Kg/m) 抗拉刚度 EA/kN 抗弯刚度 EI/ (kN·m²) 惯性力系数 Ci 拖曳力系数 Cd 极限张力/ N 数值 400 2.3×107 1.24×106 2 1.1 4.70×107
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表1 参数 作业水深/m 平台吃水/m 总排水量/t 总质量/t 立柱长/m 立柱直径/m 立柱跨度/m 数值 1000 22 25287.8 16120 52 16 50
张力腿平台主尺度表 参数 浮箱宽/m 浮箱高度/m 重心高 KG/m 浮心高 KB/m 转动惯量 Ixx/(Kg·m²) 转动惯量 Iyy/(Kg·m²) 转动惯量 Izz/(Kg·m²) 数值 8 8 31.1 9.53 7.05×109 7.05×109 7.63×109
2 数值模型
2.1 张力腿平台基本尺度 本文研究的张力腿平台采用传统的张力腿平台结构形式， 由平台本体 （平台上体、 立柱和下体浮箱） 、 张力腿系泊系统以及海底基础三大部分组成，其主体结构由 4 根尺寸相同的圆柱形立柱与 4 个矩形浮 箱连接构成，呈对称分布，主尺度见表 1。 2.2 系泊系统布置 由于张力腿平台所产生的浮力远大于平台自身的重力，所以抵消掉重力所剩余的净浮力将由平台 筋腱的预张力予以抵消。本文所分析的张力腿平台的系泊系统由 4 组共 8 根张力筋腱（tendon）组成。 每根筋键由最小直径为 0.7m 使用 X65 钢管采用螺纹和销连接构成。下端与海底基础的筋腱接口连接， 为张力腿平台提供系泊。具体参数如表 2 所示。
关
键
词：张力腿平台；耦合；系泊系统；敏感性分析 文献标识码：A
中图分类号：U674.381
0 引
言
随着海洋开发向深海推进，油气资源的开发也不断向深海进军。从第一座张力腿平台(TLP）设计方 案提出以来，它一直是人们关注与研究的焦点。张力腿平台系泊系统的性能是其中的一项重要研究内 容。 曾晓辉[1](2009)分别对一座传统式张力腿平台使用非线性梁和无质量弹簧进行平台的动力响应预 测，分析了两种模型产生差别的原因。欧进萍和闫宫伟[2](2010)对四种不同的张力腿平台（传统式张力 腿平台,扩展式张力腿平台,MOSES,SeaStar）使用 AQWA 软件进行了模拟。结果表明四种平台在同样的 波浪下运动性能是不同的。 Yang 等人[3](2008)对扩展式张力腿平台在极端环境下进行了数值计算： 使用 WAMIT 软件计算了频域下平台的附加质量，阻尼，一阶及二阶力；时域计算使用自编程序基于面元法 以及 Morison 方程将粘性影响考虑在内。 Lee 和 Lim[4](2008)对一种改进型的 TLP 进行了浮体-系泊耦合 计算。这座 TLP 平台的工作水深为 1 829m，计算软件使用 WAMIT+WINPOST。模拟了受力最大的筋 腱的张力产生的疲劳，并且根据计算结果优化平台主体结构。论文的作者认为耦合计算比线性近似方 法要好得多，并且更接近于实际。Masciola 和 Nahon[5](2008)计算了 TLP 平台六自由度的运动和规则波 的影响。 并且考虑了浮力所产生的复原力矩； 选用莫里森方程计算了所受的粘性影响。 Srinivasan[6](2010) 提出利用桁架式的浮筒来减少波浪载荷对平台的作用，使 TLP 可以在更深水域作业。他设计了一种假 底座形式的 TLP 使 TLP 更适应深水作业，该 TLP 被称为 Tension-BasedTension Leg Platform(TBTLP)。 Z.H.Ran[7](2000)提出了一种采用统一坐标的三维弹性梁理论来模拟系泊结构物的耦合运动，指出：二 阶的和频力和差频力主要存在于线性波浪力以外的共振频率。二阶力对于预测张力腿平台的慢漂运动 和 Springing 现象非常重要。 在平台整个工作寿命期限内，张力腿的系泊将一直伴随着平台，对平台的安全性起着至关重要的
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的刚性特征。同时发现，平面内低频的均方差比高频的均方差要大得多，说明低频载荷虽然比较小但 是由于低频载荷的周期与平台平面内的固有周期相近，而且平面内无系泊约束，导致平台平面内运动 受到的约束较少，因此平台的水平运动较大。平面内的顺应性导致了纵横荡以及艏摇运动的固有频率 较低。对于垂荡及纵横摇来说，其高频和低频的均方差都较低，具有明显的波频特性。这是由于它们 的固有频率在波浪能量的集中区域，因此波频能量对平台运动贡献较大。同时发现张力腿筋腱的最大 响应发生在 2 号筋腱处，这与环境载荷的方向有关。高频响应均方差大于低频响应的均方差，说明张 力腿平台对高频响应比较敏感。 3.2 不同轴向刚度下张力腿平台运动响应分析 为了研究张力腿平台筋腱的轴向刚度对系泊系统的影响，将筋腱轴向刚度设置为 2.2 节表 2 中 EA 值的 0.8/1/1.2/1.4/1.5/1.6/1.8/2 倍。从图 5 中可以看出，随着轴向刚度的增加，张力腿平台筋腱的最大 动力响应明显呈上升趋势。这可以从胡克定律得到解释：
收稿日期：2012-08-15；修改稿收稿日期：2012-11-20 基金项目：(863 计划）三角形多功能张力腿平台水动力性能分析研究
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作用。本文针对一座传统型张力腿平台的系泊系统进行耦合分析，对极端工况下平台不同的筋腱轴向 刚度，相邻筋腱的布置角度，筋腱顶部预张力和筋腱数目进行了计算和对比。
图1
张力腿平台杆元模型
图2
张力腿平台面元模型
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图3
筋腱夹角及波浪方向
图4
张力腿时域分析示意图
3 3.1
锚泊系统动力响应分析
张力腿平台时域耦合响应分析 时域计算采用全耦合动力分析理论， 对张力腿平台在极限海况下的性能进行时域内的模拟和分析。
分析时，风、浪、流方向一致，为 195°。在进行时域计算前首先要进行频域计算，根据水动力模型得 到所需的各项频域参数，然后将这些数值加入到时域计算耦合方程中，得到平台的运动响应。根据平 台在时域中运动的时历曲线，进行统计分析，可以得到运动的位移谱密度曲线，通过分析谱密度曲线 可以得到平台的运动响应统计表，平台的运动响应统计见表 3。张力腿平台各筋腱的最大响应如表 4 所示。
F l k EA L L
（6）
平台各筋腱动力响应逐渐增大的趋势，意味着安全因子会进一步降低。当轴向刚度增加了 1 倍后， 动力响应最大的 2 号筋腱所受到的最大张力达到了 25.7MN，增加了 1.83MN，受力最大的 2 号筋腱的 最大张力如图 5 所示。 从图 6~图 8 中可以看出，随着刚度的增加，纵荡和横荡最大值总体呈下降趋势，纵荡方向下降了 2.0m。横荡值下降了 0.5m，从另外一个方面说明了张力腿平台在平面内具有顺应性，增加轴向刚度对 平面内的运动影响并不明显。对于竖直平面来说，改变刚度时平台垂荡响应有上升的趋势，艏摇的最 大值呈明显的下降趋势。对于横摇以及纵摇来看，随着轴向刚度的增加，横摇纵摇呈下降趋势。且在 刚度从 0.8 倍变为 2 倍时，纵摇值由 0.43°变为 0.19°，改变幅度为 56%，横摇值由 0.20 降为 0.16，改
均方差/kN 1200 1300 1100 1000 1600 1600 1300 1200
1.90×104 1.80×104 1.80×104 1.60×104 1.60×104 1.60×104 1.60×104
通过计算结果可以看出张力腿水平面内的运动（横荡、纵荡及艏摇）最大运动幅值比平面外的运 动（横摇、纵摇及垂荡）大，说明张力腿平台在水平面内具有明显的顺应性，而在竖直面内具有明显
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造Hale Waihona Puke Baidu
船
Vol.53 No.4（Serial No. 203） Dec. 2012
SHIPBUILDING OF CHINA
文章编号：1000-4882（2012）04-0109-09
张力腿平台系泊系统敏感性分析
宋林峰，孙丽萍，赵君龙，钱佳煜
表3 方向 纵荡/ m 横荡/ m 垂荡/ m 横摇/ (°) 纵摇/ (°) 艏摇/ (°) 平均值 79.29 19.66 2.93 0.03 0.14 0.69 表 4 筋腱号 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 平均值/kN 1.90×10
4
张力腿平台最大响应值 高频 均方差 1.82 0.08 0.05 0.02 0.05 0.17 低频 均方差 3.87 1.41 0.11 0.03 0.03 0.36 最大值 93.5 24.03 4.18 0.19 0.36 0.46
ˆ (t ) Kx ˆ (t ) F (t ) (t ) Bx Μx
（1）
ˆ ，K ˆ 分别是整个耦合系统质量、阻尼和刚度矩阵，F 是外力，符号 表示该矩阵没有锚 式中，M， B
链和连接弹簧的影响。因此，这些影响在对时间积分时考虑为外力影响。下面公式中的足标 V 和 L 分 别代表浮体和锚链:
2.3
环境参数 在张力腿锚泊系统设计中，需要考虑的一个重要因素就是平台所处的海洋环境,包括波浪的周期，
波高，波浪谱的类别以及表面流速，流的分布以及风速等。一般来讲，对于像张力腿平台这样的永久 式系泊的平台，应该采用一百年的重现期作为最大设计工况，本文所分析的张力腿平台的系泊系统采 用我国南海百年一遇海况的风浪流组合作为最大设计工况，最大作业水深 1000m 。波浪环境取 JONSWAP 谱来模拟，Gamma 值取 2.4，有义波高为 15m，谱峰周期为 15.1s，风谱根据 API 规范，取 一小时平均风速为 37.3m/s,表面流速为 1.95m/s。 2.4 计算模型 建立张力腿平台莫里森杆元模型、面元模型用来进行三维辐射/绕射理论计算。将得到平台的水动 力系数，质量矩阵，静水恢复力矩阵等用来进行时域全耦合计算。计算模型图如图 1~图 4 所示。
（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001）
摘
要
张力腿平台是一种典型的深水采油平台，其优良的运动性能得到了业内的认可。针对一座传统式张力腿 平台进行了数值模拟和分析，得到平台的动态响应。对极端工况下平台筋腱不同的刚度、布置角度、预张力 和筋腱数目进行了计算和对比，得到了系泊筋腱受力以及平台位移的时历曲线。通过数据的分析得到了一些 在实际工程应用中有用的结论。
M M= V 0 ˆ = BV B 0
ˆ = KV K 0
0 ML 0 0
0 0
（2） （3） （4） （5）
F (t ) F (t ) V FL (t )
通过计算，可以得到平台的运动响应和张力腿的运动。其中风力和流力根据 DNV CN30.5 规范进 行计算。