离岸Spar平台在规则海浪下的动力特性外文翻译资料

 2022-09-08 12:19:28

英语原文共 30 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

离岸Spar平台在规则海浪下的动力特性

摘要：

近几年来，许多具有创新性的深度超过一千米的海上漂浮物已被提出，用于石油和天然气勘探和生产。这样一个类型的平台是海上浮式Spar平台。Spar平台建模为的六自由度刚体，通过多元悬链线系泊线连接到海底，附着在Spar平台的导缆器上。响应相关的刚度矩阵分为两部分（a）流体静力学提供垂荡、纵摇和横摇的恢复力；（b）系泊线提供的恢复力，这是代表这里是非线性水平弹簧。Airy波理论和力的Morison方程用于计算一个单向的规则波模型入射波的运动学。响应分析是在时域中采用迭代增量Newmarkbeta;法集成系统进行来解决停泊的Spar平台的动态行为。数值模拟研究是有和无的程度下自由度耦合海况情况下进行。

关键词：波浪与结构物的相互作用；海洋结构动力学；Spar平台；多成分悬链线系泊

  1. 引言

随着海上石油和天然气的勘探被推进到了越来越深的水，许多创新性的浮动式海洋结构正在用于节约成本。为了减少波浪引起的运动，这些新提出的海上结构的固有频率设计的力谱峰频率远离。Spar平台就是这样一个兼容用于深水的钻井、生产、加工、储存和海洋沉积物卸载的海洋浮式结构。它被许多石油公司认为是下一代深水离岸结构。它由一个垂直的圆柱体组成，垂直漂浮于水面。结构在如此深的水，在表面的波的作用是通过结构重量的平衡效应影响。鳍状结构称为列板，附着在周围的筒的外部的螺旋方式，行动打破水流与结构，进一步增强了稳定性。工作台保持横向的，多组分的接触的船体中心附近的低动态加载的船体附近的锚定线。分析、设计Spar平台的操作变成是一个困难的工作，主要是因为随着环境荷载规范的不确定性。Spar平台的新一代具有以下特点：

  1. 可以一直到3000米水深进行钻井、制作到生产；
  2. 它可以有大范围的上部载荷；
  3. 刚性钢生产立管在中心独立的浮力罐具有良好的支持；
  4. 它始终是稳定的，由于浮力中心（CB）在重心（CG）上方；
  5. 与其他浮动结构相比，它有良好的运动；
  6. 它可以有钢或混凝土外壳；
  7. 它具有最小的船体/甲板接口；
  8. 石油可以低边际成本储存；
  9. 具有优于所有其它移动式钻井装置海上特色的保持；
  10. 它可以用作移动式钻井平台；
  11. 系泊系统易于安装、操作和搬迁；
  12. 立管，通常采取呼吸高波波区的半潜式钻井装置，可以保护内部的Spar平台。海上运动中心内Spar平台将是最小的。

Spar平台作为离岸结构的概念不是新的。Spar平台浮标式结构此前已海洋上建成。例如，一个浮动仪器平台（倒装）建于1961年用于进行海洋学研究（Fisher和Spiess，1963），荷兰皇家壳牌在北海中间水深建成一个储油平台的Brent Spar平台（Bax和de Werk，1974，Van Santen和de Werk，1976；Glanville等，1997）。Spar平台的作为一个生产平台使用是最近的事。

Glanville等人（1991）给出了概念的细节，建设和Spar平台安装。他总结说Spar平台允许在井系统和钻井策略选择的灵活性，包括早期的生产或钻前的程序。

Mekha等人（1995）模拟了具有3个自由度的Spar平台，即纵荡，垂荡和纵摇。利用惯性系数计算惯性力、Cm，在标准Morison方程或使用与频率相关的Cm系数基于衍射理论。阻力是使用两种情况下Morison方程中的非线性项进行计算。在时域内进行分析。结果表明，使用频率依赖性或惯性系数、Cm，产生类似的结果是由于波浪能量集中在Cm值等于2处，用于文献Spar平台尺寸的频率范围。

Mekha等人（1996）使用相同的模型（mekha等人，1995）与频率相关的Cm系数基于衍射理论。诱导考虑衍射效应的不同非线性修正Morison方程。各种海况情况下获得的结果进行了实验数据比较。

Halkyard（1996）介绍几种Spar平台概念并强调了这些平台设计方面的现状。

Cao和Zhang（1996）讨论预测缓慢漂流响应停泊细长海洋结构由于使用混合波模型的海浪的一种有效方法。混合波模型考虑了波的相互作用在一个不规则的二阶波陡波场，能够准确地预测波的运动，包括非线性差频作用的贡献。这种方法的一个独特的特点是，测量波高时间序列作为输入量，结构响应测量入射波的结果可以确切得到。

Ran和Kim（1996）研究了束缚/停泊Spar平台在规则波和不规则波下的非线性响应特性。时域耦合非线性运动分析的计算机程序的开发是为了解决一个停泊兼容平台的静态和动态的行为作为一个集成系统。特别是，一个有效的全局坐标系为基础的动态有限元程序来模拟非线性系绳/系泊响应。使用这个程序，获得耦合动力分析的结果，并与非耦合分析结果相比较，观察系绳和系泊线对船体运动的影响，反之亦然。

Jha等人（1997）比较了分析预测运动一个考虑波浪水槽实验的浮动浮标平台的结果，只有纵荡和纵摇运动。基本情况预测结合了非线性衍射载荷和线性、Spar平台的刚度和阻尼特性的多自由度模型、精细模型和波浪漂移阻尼的作用以及粘滞力等。阻尼和波浪输入的一致选择在某些细节进行了考虑。

Fischer和Gopalkrishnan（1998）展示了从水池模型试验、数值模拟以及两者结合中收集到的Spar平台垂荡特性数值的重要性。一个小的Spar平台的垂荡性能，如迷你Spar平台，进行了检查并发现了潜在的问题。

Chitrapu等人（1998）研究了不同的环境情况如规则波、双色波以及随机波和使用时域仿真水流模型的作用下Spar平台的非线性响应。该模型可以考虑几个非线性效应。水动力和力矩均采用Morison方程计算。得出的结论是，Morison方程结合平台移动位置的波浪粒子运动和受力计算，得到了一个平台在低频范围内波动的响应的可靠预测。

系泊的Spar平台的非线性耦合响应在有无共线性的水流随机波浪且同时在时间域和频率域进行了研究，（Ran等人，1999）。第一、二阶波浪力、附加质量、辐射阻尼和波浪漂移阻尼使用叫WINTCOL的水动力学软件包进行计算。时间（或频率）基于一二项Volterra级数法生成总波浪力的时间序列（或光谱）。使用软件包WINPOST解决系泊动力，它是基于广义坐标基础的有限元分析。通过线性和旋转弹簧和阻尼器连接到平台上的系泊缆绳。使用适当的弹簧和阻尼值可以模拟各种边界情况。在时域分析中，船体和系泊缆绳的非线性阻力施加在瞬时位置。在频域分析中，非线性阻力随机线性化，用迭代的方法得到解。

Ye等人（1998）研究了Spar平台在定向波环境中使用单向混合波模型和定向混合波模型（UHWM和DHWM）的响应。从两个不同的波模型的数值结果之间的比较表明，缓慢漂移的纵荡和纵摇运动基于DHWM比基于UHWM略小。两种波浪模型的缓慢漂移垂荡运动几乎是相同的，因为垂荡运动的压力施加在结构底部和预测底部几乎没有差异。

Datta等人（1999）描述了近代典型Truss Spar平台模型试验中运动和载荷数值预测的比较。这种比较的目的是为了校准用于设计Amoco的一个新Truss Spar平台的水动力系数。

Chitrapu等人（1999）讨论了大直径Spar平台在长波峰、随机方向波浪和水流、利用时域仿真模型的运动响应。几个非线性项，如自由表面力的计算，位移位置力的计算，在运动方程的非线性项和波浪水流相互作用的影响，认为是确定的运动响应。影响波的方向性对预测纵荡和Spar平台纵摇反应进行了研究。结果表明，波浪水流的相互作用和定向传播的波能对预测响应有一个显著的影响。

  1. 结构模型

Spar平台建模为在它的重心CG具有六个自由度（即三个位移自由度，即沿X、Y和Z轴的纵荡、横荡和垂荡，三个转动自由度，即绕X、Y和Z轴的横摇、纵摇和艏摇）的刚性圆柱。Spar平台认为在其龙骨封闭。稳定性和刚度是由多根连接在Spar平台重心附近低动态定位的系泊缆绳提供。当平台偏转运动将发生在系泊系统的对称平面，由此产生的水平力也将在这个平面发生并且行为将为二维的。它是在这个连接点的力和位移（偏移），是平台整体分析的基本重要性。它是假定Spar平台通过四个多组分、相互垂直放置、附着在Spar平台在导缆器的悬链线系泊缆绳连接到海底。动态分析Spar平台模型的建立涉及到非线性刚度矩阵考虑由于变浮力和其他非线性项引起的系泊张力波动的公式。该模型考虑了不同自由度的Spar平台的耦合行为。图1显示了一个典型的海上平台。

图1. 典型的离岸Spar平台

  1. 假设和结构理想化

将该平台和系泊缆绳视为一个整体系统，并在环境载荷下的六自由度下进行分析。在分析中已做了以下假设：

  1. 所有的系泊缆绳初始拉力相等。然而，总预紧力的变化与Spar平台运动相关；
  2. 波浪力在Spar平台的瞬时平衡位置采用Airy线性波理论、Morison方程估计。忽视了波的衍射效应；
  3. 流体惯性和阻力的积分是根据在分析中考虑的拉伸变形进行到浸没的实际高度；
  4. 波浪力系数、和是依靠频率，以及恒定的水深度；
  5. 不考虑水流的速度，也忽略了波浪和水流的相互作用；
  6. 忽视风力；
  7. 系泊缆绳的预紧力的变化是随着每一个时间梯度来计算的，随着时间梯度修改刚度矩阵的元素来写平衡方程；
  8. 该平台是一个具有六个自由度的刚体；
  9. 平台是沿对称轴纵摇。分析中忽略接近结构物的定向波，只考虑单向波；
  10. 阻尼矩阵根据初始值假定与质量和刚度成比例。
  11. 悬链式系泊缆绳分析

对悬链式系泊系统分析的一些假设：

  1. 在海底（无坡度）有一个平躺、刚性且无摩擦支撑的系泊缆绳；
  2. 所有系泊缆绳组件都在水中缓慢移动，因此，缆绳上由于运动产生的阻力可以忽略不计；
  3. 缆绳几何形状的变化、缆绳附近由于波和/或水流引起流体载荷产生的力是可以忽略不计的；
  4. 系泊缆绳和锚链的初始长度包括由于缆绳预拉力引起的延伸；
  5. 锚链节不可延伸；
  6. 锚的落点在任何方向都不移动；
  7. 只考虑悬链系泊缆绳的水平偏移。

力-偏移关系是非线性的，需要一个迭代解。利用悬链方程对悬链系泊缆绳力-偏移关系进行估算。如图2所示，任何一段自由悬挂的单位长度重量的水平投影和垂直投影可以表示（考虑水平力、顶部倾斜、长度和重量为：

（1）

（2）

（3）

当底部任一段倾斜度为零，上述等式化简为：

（4）

（5）

图2. 多组分系缆。（a）具有不同截面性质的初始构形；（b）在同一高度上的均匀系泊缆绳的自由体图。

如果已知，进而：

（6）

（7）

并且可以通过公式（2）计算：

在增加缆绳拉力下，任一分段的伸长量可作如下近似。当分段长度为时初始平均缆绳拉力为。当增加平均缆绳拉力，拉伸长度变为：

（8）

其中，和分别为杨氏模量和分段的有效面积。和为缆绳两端拉力的算术平均值。任一分段的总重量保持不变。

（9）

其中为拉伸后的单位重量修正值，为分段未拉伸时的单位重量。

  1. 具有分布配重块的锚链分析（横向偏移）

在目前的工作中分段的、零坡度底部、弹性性能和物理性能，如图3（a）所示，均作为已知参数。需要估算的未知数为。

  1. 初始结构

以下步骤是为了确定上述未知量。

第一步 通过已知量和计算；

第二步 求出配重块与系泊缆绳接点夹角，然后求出接点垂直力（当底部夹角为零时等于）。通过已知量水平力使用公式（4）算出；

第三步 算出，然后通过公式（1）算出；

第四步 将和相加，与比较。如果差值小于规定的限值，则进行下一步，否则适当改变并重复步骤2。对于第一次迭代可以根据相差的符号将改变。此后的迭代通过下面的方程得到的一个新数值；

其中，是最后一次迭代的次数，是缆绳与配重块节点处的垂直力，是第次迭代时缆绳悬空长度的垂直投影与系泊水平的差值；

图3.增加水平力H（情况1）的系泊缆绳结构。（a）初始状态；（b）最终状态。

第五步 分别用公式（2）和公式（5）求出和；

第六步 算出初始悬空总长度以及它的水平

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146462]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章