現(xiàn)代船海技術(shù)講座-海洋平臺(tái)總體性能分析

海洋平臺(tái)總體性能分析

馬山副教授

舶舶工程學(xué)院深海工程技術(shù)研究中心現(xiàn)代船海技術(shù)講座1主要講座內(nèi)容背景介紹總體性能分析的概念，應(yīng)用，工程分析方法風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊FPSO總體性能分析實(shí)例2當(dāng)今世界海洋油氣的發(fā)展1.“能源發(fā)展”成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)石油、天然氣、煤炭、核電,我國(guó)能源長(zhǎng)期依賴煤炭陸上資源的枯竭、能源消耗與日俱增2.未來(lái)油氣產(chǎn)量增長(zhǎng)主要來(lái)自海洋3.深水油氣產(chǎn)量所占比重越來(lái)越大4.技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)海洋勘探開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)初。從那以后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，深水的定義在不斷的擴(kuò)大。在1998年以前，只要離開(kāi)大陸架即水深大于200米，就認(rèn)為是深海。1998年以后水深擴(kuò)大到300米，而現(xiàn)在普遍認(rèn)為水深大于500米為深水。當(dāng)水深大于1500米時(shí)，離岸采油工業(yè)界普遍認(rèn)為是超深水(UltraDeepwater)

始于20世紀(jì)40年代的海上石油工業(yè)用了近30年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)了在100米深水區(qū)生產(chǎn)油氣，又用了20多年達(dá)到近2000米深的海域，而最近10年油氣生產(chǎn)已接觸3000米深的水域。5.海洋油氣開(kāi)發(fā)的旺盛投資，為海洋油氣工程裝置的發(fā)展提供了巨大機(jī)遇亞太地區(qū)的海洋油氣開(kāi)發(fā)前景十分看好3深水開(kāi)發(fā)的挑戰(zhàn)鉆井成本高缺乏對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的充分認(rèn)識(shí)

遠(yuǎn)離海岸線，沒(méi)有完善的海底管線

海底溫度低，油氣輸送管線長(zhǎng)，流動(dòng)保障問(wèn)題突出工程事故會(huì)蒙受巨額損失海底地貌復(fù)雜

海洋環(huán)境惡劣，為鉆井，生產(chǎn)，安裝，設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難

系泊系統(tǒng)覆蓋面積大，常規(guī)系泊重量大

安裝成本高（深水帶來(lái)一系列問(wèn)題）現(xiàn)有的工程設(shè)備能力有限

(運(yùn)輸，安裝，吊裝作業(yè))生產(chǎn)建造要求高4深水開(kāi)發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)海洋立管和張力腿筋腱的渦激振動(dòng)分析（流固耦合機(jī)理復(fù)雜，數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)都有不少難點(diǎn)）深水浮體與錨泊系統(tǒng)的耦合分析(錨泊的慣性力，阻尼力變得重要。風(fēng)、浪、流的非線性載荷效應(yīng)，極限海況的模擬等)水動(dòng)力學(xué)的非線性效應(yīng)必須考慮（波浪爬升、異常大波、非線性波浪、非線性的波物相互作用、波流相互作用、慢漂分析、張力腿平臺(tái)的高階非線性載荷等）5深水錨泊系統(tǒng)的水池實(shí)驗(yàn)的等效截?cái)嗉夹g(shù)Spar平臺(tái)頂端預(yù)張力立管的疲勞分析及其與平臺(tái)主體的相互作用由于海流渦激振動(dòng)引起的張緊式立管、張力腿筋腱、單筒式平臺(tái)船體的疲勞問(wèn)題6世界石油天然氣儲(chǔ)量分布78幾種典型的深水生產(chǎn)和鉆井浮式結(jié)構(gòu)

910深海工程技術(shù)的幾個(gè)方面

1深海浮式結(jié)構(gòu)物總體性能及定位系統(tǒng)

2深海浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析與建造技術(shù)

3深海海洋立管與海底管線的設(shè)計(jì)技術(shù)

4深海浮式結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)技術(shù)

11基本概念海洋平臺(tái)總體性能分析：分析各種浮式平臺(tái)在風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷中的運(yùn)動(dòng)及其衍生效應(yīng)的工作。剛體運(yùn)動(dòng)模式的定義12浮式結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)可以分解為波頻運(yùn)動(dòng)，高頻運(yùn)動(dòng)，慢漂運(yùn)動(dòng)和平均漂移。

波頻運(yùn)動(dòng)：指浮式平臺(tái)在波浪激勵(lì)下的線性激勵(lì)運(yùn)動(dòng)。

高頻運(yùn)動(dòng)：指張力腿平臺(tái)受到高頻的非線性波浪力或瞬態(tài)的沖擊力激勵(lì)產(chǎn)生的搖蕩，固有周期在2～4秒。

慢漂運(yùn)動(dòng)：慢漂運(yùn)動(dòng)起源于諧搖，系泊結(jié)構(gòu)物的水平運(yùn)動(dòng)（包括縱蕩，橫蕩和艏搖）固有搖擺周期在1～2min左右。由于受到來(lái)自于波浪、流、風(fēng)的低頻激勵(lì)，系泊結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生低頻慢漂運(yùn)動(dòng)，對(duì)錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和立管設(shè)計(jì)影響較大。13研究?jī)?nèi)容

風(fēng)載荷計(jì)算流載荷計(jì)算風(fēng)、浪、流設(shè)計(jì)環(huán)境載荷的確定浮體和波浪的相互作用波頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)慢漂運(yùn)動(dòng)響應(yīng)極限平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位移分析極限錨鏈載荷水池模型試驗(yàn)14總體性能分析涉及到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)

剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)剛體和柔性桿件動(dòng)力學(xué)波浪理論勢(shì)流理論和水動(dòng)力學(xué)概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算流體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)學(xué)物理方法數(shù)值分析15與平臺(tái)總體性能相關(guān)的指標(biāo)

垂蕩運(yùn)動(dòng)：對(duì)于平臺(tái)鉆井作業(yè)很重要，因?yàn)殂@井立管的垂向運(yùn)動(dòng)需要被補(bǔ)償，而運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)能夠補(bǔ)償多少是有限度的。作為垂向運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的例子是垂向運(yùn)動(dòng)幅度須小于4米。因此設(shè)計(jì)出低垂蕩運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)物是很重要的。橫搖運(yùn)動(dòng)：對(duì)于起重船的操作或者用船和駁船運(yùn)輸自升式和半潛式平臺(tái)，橫搖運(yùn)動(dòng)是需要評(píng)估的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)模式。對(duì)于推力器的設(shè)計(jì)，起重船、潛水作業(yè)船、補(bǔ)給船、離岸載油船和鋪管船的船位保持，風(fēng)、流、平均波浪漂移力和緩變波浪漂移力都是很重要的。16浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能分析的應(yīng)用

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的好壞是決定平臺(tái)形式，平臺(tái)尺度大小的一個(gè)重要方面。運(yùn)動(dòng)性能的好壞直接關(guān)系到平臺(tái)作業(yè)效率，好的平臺(tái)性能可提高平臺(tái)作業(yè)時(shí)間，為海洋立管的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的便利。浮體和波浪相互作用分析是平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)，為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，疲勞，屈服分析提供外荷載。平臺(tái)的運(yùn)輸和安裝過(guò)程需要進(jìn)行設(shè)計(jì)環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)和水動(dòng)力分析，保證運(yùn)輸和安裝的安全。17總體性能分析的目的

1）預(yù)報(bào)浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)（耐波性）

2）得到作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的靜力和動(dòng)力載荷，用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（包括屈服強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度，穩(wěn)定性校核等）

3）得到作用到平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的動(dòng)力載荷和運(yùn)動(dòng)，用于平臺(tái)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（常規(guī)的錨泊系統(tǒng)，基于控制理論的動(dòng)力定位技術(shù)）

4）得到平臺(tái)的偏移和運(yùn)動(dòng)，用來(lái)進(jìn)行海洋立管的設(shè)計(jì)分析18192021深水浮式系統(tǒng)總體性能分析的特點(diǎn)深水開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的浮式平臺(tái)與柔性系統(tǒng)（錨泊線和立管）間存在耦合（細(xì)長(zhǎng)桿件受到的慣性力，曳力，阻尼對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)影響顯著）平臺(tái)和錨泊/立管間采用耦合分析是深水浮式系統(tǒng)性能分析的一個(gè)特點(diǎn)。22深水浮式系統(tǒng)總體性能分析的特殊性

深水條件下，錨泊剛度變小，慢漂運(yùn)動(dòng)成為錨泊和立管設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。對(duì)于TLP平臺(tái)，高頻的垂蕩運(yùn)動(dòng)與非線性波浪載荷密切相關(guān)，產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜。在設(shè)計(jì)油氣卸載系統(tǒng)時(shí)，需要考慮多浮體間的水動(dòng)力和機(jī)械干擾。

柔性桿件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有大變形的顯著特點(diǎn)。23平臺(tái)總體性能分析技術(shù)的熱點(diǎn)問(wèn)題深水浮式平臺(tái)的耦合分析技術(shù)非線性水動(dòng)力問(wèn)題：波浪爬升、自由面效應(yīng)、TLP的高頻載荷、系泊慢漂力FPSO極限響應(yīng)的模型試驗(yàn)測(cè)試方法、深水平臺(tái)錨泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)的截?cái)喾椒▎瓮彩狡脚_(tái)的水平慢漂運(yùn)動(dòng)和搖擺慢漂運(yùn)動(dòng)引起平臺(tái)和立管間的干擾，威脅立管結(jié)構(gòu)的疲勞和強(qiáng)度。海流引起的渦激振動(dòng)誘導(dǎo)的SPAR船體的大幅運(yùn)動(dòng)24總體性能分析的工程手段

數(shù)值計(jì)算：隨著高速計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算在計(jì)算船體和海洋結(jié)構(gòu)物的波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)和載荷方面扮演著重要角色。數(shù)值程序需要經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，其準(zhǔn)確性和功能取決于水動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。

模型試驗(yàn)：是平臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的最終檢驗(yàn)

全尺度試驗(yàn)：造價(jià)昂貴，難以在可控條件下操作。

實(shí)際海洋工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)：提供了現(xiàn)場(chǎng)海洋環(huán)境和結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)量的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法有很大的幫助。2526

M，C，K:稱(chēng)為系泊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，阻尼和剛度矩陣Fstatic:來(lái)源于風(fēng)、浪和流的平均載荷分量Fwavefreq:一階波浪力載荷（與波浪波幅成正比的波浪力）Fslowdrift:來(lái)自于波浪、風(fēng)和流的低頻載荷，激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離海浪能量集中的頻率范圍，會(huì)引起系泊結(jié)構(gòu)的低頻共振（慢漂力）。Fmooring:在平臺(tái)偏離平均位置后，錨泊線系統(tǒng)產(chǎn)生的恢復(fù)力。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)求解的數(shù)學(xué)模型27數(shù)值分析方法頻域分析方法：時(shí)域分析方法：

1）僅求解平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，錨泊恢復(fù)力采用解析法近似。（解耦方法1）

2）僅求解平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，錨泊線上受到的慣性力和粘性阻尼力對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響近似考慮，錨泊系統(tǒng)的靜回復(fù)力可較好的考慮。（解耦方法2）

3）準(zhǔn)確考慮錨泊線和海洋立管的動(dòng)力響應(yīng)，細(xì)長(zhǎng)桿件的運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)同時(shí)求解。稱(chēng)為耦合分析方法。該種方法計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)于驗(yàn)證錨泊系統(tǒng)的極限承載，輔助模型試驗(yàn)，模擬平臺(tái)、錨線、立管間碰撞，破損過(guò)程較為有效。28293031323334控制浮體運(yùn)動(dòng)的海洋環(huán)境風(fēng)浪海流35海浪

風(fēng)生成的波浪可以分為兩類(lèi)：風(fēng)波(sea)和涌浪(Swell)。風(fēng)波：由風(fēng)場(chǎng)直接和海水相互作用而生成的波浪，波形不規(guī)則，數(shù)學(xué)上可用很多不同頻率，波幅和初相位的簡(jiǎn)諧波疊加得到。涌浪是由遠(yuǎn)處傳來(lái)的波浪，波形較為規(guī)則，具有較長(zhǎng)的波浪周期。36工程上描述波浪的常用方法工程上描述波浪最為基本，最為簡(jiǎn)單的方法是假設(shè)波高比水深和波長(zhǎng)要小，這樣得到的波浪稱(chēng)為線性波浪（艾瑞波或者一階斯托克斯波）。線性波浪理論是描述波浪運(yùn)動(dòng)的一階近似，勢(shì)流理論經(jīng)常用來(lái)計(jì)算波浪運(yùn)動(dòng)。勢(shì)流理論方法描述波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)，認(rèn)為流體連續(xù)，不可壓縮，流動(dòng)時(shí)無(wú)旋渦產(chǎn)生。這樣波浪的運(yùn)動(dòng)的求解轉(zhuǎn)化為以勢(shì)函數(shù)構(gòu)造的偏微分方程的定解問(wèn)題。37深水中波浪運(yùn)動(dòng)特性38淺水中的波浪運(yùn)動(dòng)特性39Non-LinearShallowWaterWaves40各種波浪理論的適用性41海浪特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)描述海浪的波形是隨機(jī)的，對(duì)于充分發(fā)展的海浪，可以看作是各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。描述波浪的特征參數(shù)通常包括：波浪傳播方向有義波高峰值能量周期波譜函數(shù)42浮式結(jié)構(gòu)上波浪載荷的計(jì)算根據(jù)結(jié)構(gòu)物尺寸相對(duì)于波長(zhǎng)的比例，作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪載荷，可以采用兩種基本方法計(jì)算。

1）對(duì)于小尺度物體，結(jié)構(gòu)物存在對(duì)原來(lái)波浪場(chǎng)的改變較小，流體慣性力載荷和粘性力載荷占波浪載荷的主要成分?？梢圆捎肕orison’s公式計(jì)算波浪載荷。作用在深水立管和錨泊線上的載荷可用Morison’s公式來(lái)計(jì)算。

2）對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和存在改變了物體附近海浪的波形，繞射(Diffraction)和輻射(Radiation)理論用來(lái)研究波浪和浮體的相互作用。4344線性水動(dòng)力和波頻運(yùn)動(dòng)分析的相關(guān)概念流體是無(wú)旋、無(wú)粘、不可壓縮的理想流體浮體在正弦規(guī)則波浪中運(yùn)動(dòng)波浪和浮體運(yùn)動(dòng)都是小幅運(yùn)動(dòng)，研究浮體在波浪中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)考慮浮體和波浪的相互作用，將描述波浪運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)滿足的自由面、物面、海底、遠(yuǎn)方邊界條件進(jìn)行線性化處理，忽略與波幅平方以上的高階小量由此得到的水動(dòng)力定解問(wèn)題稱(chēng)為線性水動(dòng)力問(wèn)題，船舶在線性水動(dòng)力作用下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為波頻運(yùn)動(dòng)。

45（繞射水動(dòng)力分析）46（輻射水動(dòng)力分析）47波頻運(yùn)動(dòng)波頻運(yùn)動(dòng)：浮體在一階波浪力作用下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

其中：[M]-物體質(zhì)量[A]-附加質(zhì)量[B]-興波阻尼

[C]-靜水回復(fù)力剛度

[ξ]-各態(tài)運(yùn)動(dòng)分量

[FDI]-波浪激勵(lì)力48運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子(RAO)浮體波頻運(yùn)動(dòng)六個(gè)自由度響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)幅值，成為幅值運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算子(RAO)。49各種浮式平臺(tái)典型的垂蕩幅值運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的例子50各種浮式平臺(tái)典型的縱搖幅值運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的例子51各種浮式平臺(tái)典型的縱蕩幅值運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的例子52二階非線性流體載荷和運(yùn)動(dòng)

當(dāng)我們考慮流場(chǎng)中與速度平方項(xiàng)等相關(guān)的波浪壓力、風(fēng)壓、海流載荷對(duì)浮體的貢獻(xiàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)量級(jí)上比一階波浪力載荷要小的高階載荷分量。包括平均漂移力，慢漂載荷和高頻載荷。其中慢漂激勵(lì)周期與浮式結(jié)構(gòu)系泊系統(tǒng)的共振周期接近，引起系泊系統(tǒng)的共振型低頻運(yùn)動(dòng)（低頻慢漂）。高頻載荷可與TLP平臺(tái)張力腿系泊系統(tǒng)的共振周期接近，引起張力腿的高頻共振響應(yīng)。這些響應(yīng)對(duì)系泊和張力腿拉伸和疲勞強(qiáng)度影響較大，必須要考慮。53二階波浪力效應(yīng)成因示意圖54風(fēng)的特性和風(fēng)載荷55

描述風(fēng)的統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)包括：風(fēng)向平均風(fēng)速風(fēng)譜函數(shù)：工程上，根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)觀測(cè)，提出了一些風(fēng)譜來(lái)經(jīng)驗(yàn)性的來(lái)描述風(fēng)速的脈動(dòng)性質(zhì)。56風(fēng)譜曲線示意圖57風(fēng)載荷的計(jì)算風(fēng)載荷計(jì)算與粘性效應(yīng)密切相關(guān)

1）風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量作用在構(gòu)件上的風(fēng)力系數(shù)

2）計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算作用在構(gòu)件上的風(fēng)力

3）按照規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算風(fēng)力系數(shù)5859海流載荷計(jì)算描述海流的特征參數(shù)通常包括：

水表面流速流速沿海洋深度的變化（流剖面圖）海流方向最為通常的流的類(lèi)型包括：潮流，大洋環(huán)流，風(fēng)暴引起的流，局部環(huán)流，孤立波引起的流60典型的流剖面圖示例(墨西哥灣的局部環(huán)流(LoopCurrent))61流載荷的計(jì)算也和粘性效應(yīng)密切相關(guān)62桿件流力系數(shù)的測(cè)量

1）風(fēng)洞試驗(yàn)

2）水池拖曳試驗(yàn)

3）基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算