半潜平台波浪荷载预报及参数敏感度分析
摘 要摘 要踏入21世纪，作为一类常见的在海上移动的水上平台，半潜式平台在海洋工程设备中担当的角色已经愈加重要，半潜式平台通常由浮体、立柱和水上的工作平台三块主要的部分构成，半潜式平台工作水深一般可达三千米；它抵抗风暴能力强，在海面的稳定性和工作的安全性高，应对海上恶劣海洋环境的能力突出，可变载荷高，已经越来越成为深海石油天然气开发的十分重要的工程装备。我国南海深水油气田的勘探开发已经拉开序幕，对于半潜式平台等深海平台的科学技术研究正在全国蓬勃开展。在半潜式平台水动力性能研究方面，除了常规水动力性能预报研究之外，还应特别关注与平台结构形式特点密切相关的特殊水动力问题。通常情况下，我们在对半潜式平台进行结构设计时，常常需要考虑的环境载荷就是波浪载荷，然而对于风载荷和流载荷则可以忽略不计。半潜式平台受到随机性的海浪风浪作用，然而波浪的载荷是随机性的且很复杂，所以采用合适而且行得通的方法来计算出海洋平台的波浪载荷对于半潜式平台整体性结构设计就显得很重要。本报告运用适合半潜式海洋平台整体结构设计的长期预报设计波法，并且依据DNV 、ABS相应规范确定特征载荷工况来对半潜式平台整体结构设计的波浪载荷进行相应的数值计算。在报告中要计算平台浮体表面上的波浪载荷就要运用SESAM软件，首先运用软件程序前处理模块PATRAN-PRE构建出半潜平台浮体三维立体水动力模型，再通过水动力分析模块WADAM进行波浪载荷的计算。半潜式平台的水动力性能往往受到平台质量特性和几何参数的影响，如立柱的尺寸、间距、吃水以及浮箱的尺寸等。本报告主要研究不同立柱间距时半潜平台的荷载，根据立柱参数即可得到初步设计载荷经验公式或载荷因子。因此需要首先确定特征波浪载荷：如平台的最大横向受力、最大扭转、最大纵向剪切、甲板处最大纵向和横向加速度等；同时建立平台湿表模型，质量模型，用于数值模拟计算；基于SESAM软件WADAM模块使用“设计波方法”得出长期预报下不同特征波浪载荷极值及响应幅值算子RAO，在频域下得到修改参数后平台的RAO，然后计算作业海况和生存海况下的响应值，最后与原型平台值进行对比分析，得到平台波浪载荷敏感性分析的数值结果。本文对半潜式平台波浪载荷预报和敏感性分析，为以后对该类平台的研究产生了良好的依据。关键词：敏感性分析；长期预报设计波法；响应幅值算子RAO; 特征载荷工况目 录
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WADAM模块使用“设计波方法”得出长期预报下不同特征波浪载荷极值及响应幅值算子RAO，在频域下得到修改参数后平台的RAO，然后计算作业海况和生存海况下的响应值，最后与原型平台值进行对比分析，得到平台波浪载荷敏感性分析的数值结果。本文对半潜式平台波浪载荷预报和敏感性分析，为以后对该类平台的研究产生了良好的依据。关键词：敏感性分析；长期预报设计波法；响应幅值算子RAO; 特征载荷工况目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与理论实际意义 1
1.2 海洋平台概述 3
1.3 我国半潜式平台发展现状 6
1.4 半潜平台的应用和发展 7
1.4.1 半潜平台的应用前景 7
1.4.2 半潜平台的研究重点 8
1.5 论文主要研究工作 9
第二章 基本原理和计算过程 10
2.1 平台波浪载荷概述 10
2.2 平台整体结构波浪载荷计算理论 11
2.2.2 传递函数 11
2.2.3 波浪谱和响应谱 11
2.2.4 计算工况 11
2.3 平台整体水动力计算模型 13
2.3.1模型建立理论基础 13
2.3.2 面元模型 14
2.3.3 Morison模型 15
2.3.4 质量模型 15
2.4 平台整体水动力模型计算过程 17
2.4.1 全局坐标系的建立 17
2.4.2 波向与周期以及特征面的设置 17
第三章 计算结果对比验证 19
3.1 特征载荷RAO对比验证 19
3.2 数据分析 26
3.3 特征载荷长期预报 26
第四章 参数敏感性分析 28
4.1 改变立柱间距 28
4.1.1 参数改变后模型的建立 28
4.1.1 特征载荷变化及计算结果分析 29
结 语 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景与理论实际意义
我们生活的地球它的表面积达到5.11亿km2,在这之中被海洋覆盖的面积为3.62亿km2,几乎是占到了地球表面积的三分之二以上，其中深层的水和超深的水又占到了很大一部分。从全球来看，海洋深度在1000m-3000m的面积的占到了12.98%,深度在3000m-6000m却是占海洋全部面积的78.02%。所以，对于深层海域海地里面的资源的开发，就自然而然变成了人类研究和开发的重点。石油天然气油资源是人类未来生存发展的重要资源，海洋石油特别是深海石油成为弥补油气供需缺口的重要领域，未来海洋油气尤其是深海油气产能将是全球能源的重要接替区，随着海洋开采范围的日益扩大，要让深海石油开发变成石油产业的重要试验区。过去，世界上的海洋天然石油气工作的平台仅仅建立在100m水深以下的海洋附近，到80年代初能够工作的水深才勉强达到300m，然而到2010年，世界海洋天然石油气能够开采的水深有可能会超3500m。与此同时，随着大陆上不断被开采挖掘的石油资源的原来越少几乎将近枯竭，所以就更加迫切的需要发展深海的石油天然气开采技术，攻克深层海域海洋平台技术已经成为石油行业未来不断发展的必然趋势, 其中对于半潜式平台技术的不断完善和发展更加成为其中的重中之重，而且半潜式平台也是在深水和超深水中应用的比较广泛的的一种平台。
半潜式海洋平台60年代初开始出现, 在海洋石油勘探开发中一直得到广泛应用其优点是适用工作水深广,最新的半潜式平台的工作水深确定已经超过水下3000m, 能打钻的最达到了12000m同时平台能够抵抗很强的风浪,面对恶劣的海况, 甚至很多深海半潜式平台对于那些百年一遇的极端海况也应付自如;平台上层甲板的面积很大和能够装载的吨位和面积也很大;平台的安装和维修、转移也非常的便捷;然而相比于立柱式平台、与张力腿平台, 半潜式平台在初期并没有吸引太多的注意力，对于半潜式平台的投资也十分的少。然而随着时代的发展以及国内外对于石油天然气勘探技术的完善以及向深水和超深水海域延伸的战略目标,同时面临的超级飓风等非常恶劣海况的不断出现, 半潜式平台的装备开发应用也将迎来严峻的挑战, 怎样精准的提前预报和提高半潜平台水动力方面的性质和特性, 不断提高和满足其突出的生存能力和工作时的效率,受到了国际海洋工程领域专业和学者的重视。
半潜式平台的性能十分优秀、能够抵抗很强风浪和风暴、他的上层甲板面积很大可够装载的吨位很足、能够适应较广的水深，因此逐渐成为实施海上深水石油天然气油气田开发的重要工程装备。我国南海海域拥有丰富的油气资源有着众多未发现或未开发的油气田，目前在深水区也发现很多大型的油气田，但是由于深水钻井的技术不过关，装备不够先进，深水区域的开发进展起来十分的缓慢。为了提高我国深水油气的开发能力，就必须要开发研制出拥有我国自主知识产权的深水半潜式钻井平台，打开属于我国的深水平台一片天地。因此开展了3 000 m深水半潜式钻井平台等一系列的专题报告研究，而对于半潜平台波浪载荷的长期预报及敏感度方面的分析也是这一专题研究内容的一小部分。
在我国研制和开发海上漂浮式的大型海洋平台对于我国未来在海上工程装备领域的可持续发展具有举足轻重的战略意义。90年代以来，我国已投入7艘FPSO和1艘半潜式平台进入海上采油工作。但从大局上来看，我国在海洋平台的图纸设计和实际开工建造上等方面都与国外先进水平有着一定差距。为了挑战深水钻井和采油的技术难关，我国的技术人员先后研发和建造了几大类在深水情况下能够作业的海上浮式结构物FPS和半潜式平台、张力腿平台、Spar半潜式平台，但是关键技术依然有待提高，这些平台都需要精准的定位设备，依赖于深水锚泊系统，配套一定数量的链条，依靠一些供应船在海上拖着。
对于半潜式平台，由于它有一部分都在水线以下,在这样情况下它的横摇与纵摇的摆动幅值都非常的小，对平台产生较大影响的是平台的垂荡运动。由于半潜式平台受到波浪上作用后的的响应和影响都比较小，在实际的海洋工程操作中，半潜平台不仅可以用于在海底钻井，它还有生产平台，可以配合铺管船，供应船和海上起重船等一起投入到石油天然气的开采中。随着人类对海洋开发逐渐从浅水走向深水，海洋平台及其配套设施的应用和研发将越来越多，比如建立在沿海的海上漂浮式工厂，海上发电站等，这些工程设施的建立对于防止内陆和沿海的环境污染有极大的裨益。海洋石油工业正逐步走向深水海域，水深超过500m的海洋中目前已被探明的石油储量达到了数百亿桶。随着海洋开发研究事业的发展，半潜式平台的研究和开发也将迎来新的机遇，半潜平台保留了固定式平台的许多优点，可以直接将浅水平台上的已经证实成熟可靠地的关键技术直接应用到深水平台上来，以其为模板进行改造和创新，并且能够在一定程度上降低平台在深水海域的研发和制造经费。海上浮式结构物中包含了了平台的设计.制造.安装.智能定位.控制.石油开采.检测与安全适时评定等等一系列的现代高新技术，是深海油田开发的主要流程和技术难点。在我国这样一个起步晚，技术落后的情况下研制和开发海上漂浮式海洋结构物对未来我国的海洋工程的可持续发展
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WADAM模块使用“设计波方法”得出长期预报下不同特征波浪载荷极值及响应幅值算子RAO，在频域下得到修改参数后平台的RAO，然后计算作业海况和生存海况下的响应值，最后与原型平台值进行对比分析，得到平台波浪载荷敏感性分析的数值结果。本文对半潜式平台波浪载荷预报和敏感性分析，为以后对该类平台的研究产生了良好的依据。关键词：敏感性分析；长期预报设计波法；响应幅值算子RAO; 特征载荷工况目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与理论实际意义 1
1.2 海洋平台概述 3
1.3 我国半潜式平台发展现状 6
1.4 半潜平台的应用和发展 7
1.4.1 半潜平台的应用前景 7
1.4.2 半潜平台的研究重点 8
1.5 论文主要研究工作 9
第二章 基本原理和计算过程 10
2.1 平台波浪载荷概述 10
2.2 平台整体结构波浪载荷计算理论 11
2.2.2 传递函数 11
2.2.3 波浪谱和响应谱 11
2.2.4 计算工况 11
2.3 平台整体水动力计算模型 13
2.3.1模型建立理论基础 13
2.3.2 面元模型 14
2.3.3 Morison模型 15
2.3.4 质量模型 15
2.4 平台整体水动力模型计算过程 17
2.4.1 全局坐标系的建立 17
2.4.2 波向与周期以及特征面的设置 17
第三章 计算结果对比验证 19
3.1 特征载荷RAO对比验证 19
3.2 数据分析 26
3.3 特征载荷长期预报 26
第四章 参数敏感性分析 28
4.1 改变立柱间距 28
4.1.1 参数改变后模型的建立 28
4.1.1 特征载荷变化及计算结果分析 29
结 语 35
致 谢 36
参 考 文 献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景与理论实际意义
我们生活的地球它的表面积达到5.11亿km2,在这之中被海洋覆盖的面积为3.62亿km2,几乎是占到了地球表面积的三分之二以上，其中深层的水和超深的水又占到了很大一部分。从全球来看，海洋深度在1000m-3000m的面积的占到了12.98%,深度在3000m-6000m却是占海洋全部面积的78.02%。所以，对于深层海域海地里面的资源的开发，就自然而然变成了人类研究和开发的重点。石油天然气油资源是人类未来生存发展的重要资源，海洋石油特别是深海石油成为弥补油气供需缺口的重要领域，未来海洋油气尤其是深海油气产能将是全球能源的重要接替区，随着海洋开采范围的日益扩大，要让深海石油开发变成石油产业的重要试验区。过去，世界上的海洋天然石油气工作的平台仅仅建立在100m水深以下的海洋附近，到80年代初能够工作的水深才勉强达到300m，然而到2010年，世界海洋天然石油气能够开采的水深有可能会超3500m。与此同时，随着大陆上不断被开采挖掘的石油资源的原来越少几乎将近枯竭，所以就更加迫切的需要发展深海的石油天然气开采技术，攻克深层海域海洋平台技术已经成为石油行业未来不断发展的必然趋势, 其中对于半潜式平台技术的不断完善和发展更加成为其中的重中之重，而且半潜式平台也是在深水和超深水中应用的比较广泛的的一种平台。
半潜式海洋平台60年代初开始出现, 在海洋石油勘探开发中一直得到广泛应用其优点是适用工作水深广,最新的半潜式平台的工作水深确定已经超过水下3000m, 能打钻的最达到了12000m同时平台能够抵抗很强的风浪,面对恶劣的海况, 甚至很多深海半潜式平台对于那些百年一遇的极端海况也应付自如;平台上层甲板的面积很大和能够装载的吨位和面积也很大;平台的安装和维修、转移也非常的便捷;然而相比于立柱式平台、与张力腿平台, 半潜式平台在初期并没有吸引太多的注意力，对于半潜式平台的投资也十分的少。然而随着时代的发展以及国内外对于石油天然气勘探技术的完善以及向深水和超深水海域延伸的战略目标,同时面临的超级飓风等非常恶劣海况的不断出现, 半潜式平台的装备开发应用也将迎来严峻的挑战, 怎样精准的提前预报和提高半潜平台水动力方面的性质和特性, 不断提高和满足其突出的生存能力和工作时的效率,受到了国际海洋工程领域专业和学者的重视。
半潜式平台的性能十分优秀、能够抵抗很强风浪和风暴、他的上层甲板面积很大可够装载的吨位很足、能够适应较广的水深，因此逐渐成为实施海上深水石油天然气油气田开发的重要工程装备。我国南海海域拥有丰富的油气资源有着众多未发现或未开发的油气田，目前在深水区也发现很多大型的油气田，但是由于深水钻井的技术不过关，装备不够先进，深水区域的开发进展起来十分的缓慢。为了提高我国深水油气的开发能力，就必须要开发研制出拥有我国自主知识产权的深水半潜式钻井平台，打开属于我国的深水平台一片天地。因此开展了3 000 m深水半潜式钻井平台等一系列的专题报告研究，而对于半潜平台波浪载荷的长期预报及敏感度方面的分析也是这一专题研究内容的一小部分。
在我国研制和开发海上漂浮式的大型海洋平台对于我国未来在海上工程装备领域的可持续发展具有举足轻重的战略意义。90年代以来，我国已投入7艘FPSO和1艘半潜式平台进入海上采油工作。但从大局上来看，我国在海洋平台的图纸设计和实际开工建造上等方面都与国外先进水平有着一定差距。为了挑战深水钻井和采油的技术难关，我国的技术人员先后研发和建造了几大类在深水情况下能够作业的海上浮式结构物FPS和半潜式平台、张力腿平台、Spar半潜式平台，但是关键技术依然有待提高，这些平台都需要精准的定位设备，依赖于深水锚泊系统，配套一定数量的链条，依靠一些供应船在海上拖着。
对于半潜式平台，由于它有一部分都在水线以下,在这样情况下它的横摇与纵摇的摆动幅值都非常的小，对平台产生较大影响的是平台的垂荡运动。由于半潜式平台受到波浪上作用后的的响应和影响都比较小，在实际的海洋工程操作中，半潜平台不仅可以用于在海底钻井，它还有生产平台，可以配合铺管船，供应船和海上起重船等一起投入到石油天然气的开采中。随着人类对海洋开发逐渐从浅水走向深水，海洋平台及其配套设施的应用和研发将越来越多，比如建立在沿海的海上漂浮式工厂，海上发电站等，这些工程设施的建立对于防止内陆和沿海的环境污染有极大的裨益。海洋石油工业正逐步走向深水海域，水深超过500m的海洋中目前已被探明的石油储量达到了数百亿桶。随着海洋开发研究事业的发展，半潜式平台的研究和开发也将迎来新的机遇，半潜平台保留了固定式平台的许多优点，可以直接将浅水平台上的已经证实成熟可靠地的关键技术直接应用到深水平台上来，以其为模板进行改造和创新，并且能够在一定程度上降低平台在深水海域的研发和制造经费。海上浮式结构物中包含了了平台的设计.制造.安装.智能定位.控制.石油开采.检测与安全适时评定等等一系列的现代高新技术，是深海油田开发的主要流程和技术难点。在我国这样一个起步晚，技术落后的情况下研制和开发海上漂浮式海洋结构物对未来我国的海洋工程的可持续发展
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