浮式平台与系泊系统耦合动力响应分析
摘 要摘 要随着近海油气资源开发殆尽，各种海洋平台被设计以满足人类的开采需要。随着水深的增加，传统的固定式平台已不能满足深海开发的需求，而浮式平台则是深海开发的“利器”。 由于浮式平台在海上容易受到风、浪、流等作用，所以采用系泊系统，通过缆绳和海底锚等设备将浮式海洋平台固定在特定区域。系泊系统研究是浮式平台设计的重要组成部分。浮式平台通过系泊系统系泊于恶劣海洋环境中作业时，系泊系统既要保证浮体运动满足作业工况以及生存工况要求，又要避免系泊缆和附近海域的船舶、作业平台系统以及海底管道之间的碰撞。因此系泊系统对平台是极为重要的，本文以系泊系统为对象进行研究。本文是以某半潜式平台为原型，首先在SESAM中建立平台的模型，然后根据相关理论选择张紧式系泊系统建立系泊系统的模型。在动态响应分析中，选取了几种典型环境工况于SESAM中对系泊缆索动态响应以及平台运动进行计算，同时对系泊结构动力响应特点以及应力分布趋势进行分析，并在此基础上研究了系泊系统缆索局部断裂时平台的运动响应。其分析结果表明：系泊缆张力以及平台运动都满足规范要求，s水深、风、浪、流等因素都将会对系泊系统和平台产生影响，其中系泊缆的完整性对于保证平台动力性能最为重要。关键词： SESAM, 系泊系统，半潜式平台，动态响应分析 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究目的与意义 1
1.2 深水浮式平台结构形式及特点 2
1.2.1 半潜式采油平台 2
1.2.2 张力腿平台 3
1.2.3 浮式生产储油轮 4
1.2.4 立柱式平台 4
1.3 国内外研究历史与现状 5
1.3.1 浮式平台动力特性研究 5
1.3.2 系泊系统主要发展特点及研究现状 5
1.3.3 耦合分析 6
1.4 本论文主要研究工作 7
第二章 基本理论 8
2.1 自由表面波基本方程与边界条件 8
2.1.1 自由表面波基本方程 8
2.1.2 自由表面波边界条件 8
2.2 波浪载荷 9
2.2.1 波浪力 9
2.2.2 莫里森公式 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
> 1.3.3 耦合分析 6
1.4 本论文主要研究工作 7
第二章 基本理论 8
2.1 自由表面波基本方程与边界条件 8
2.1.1 自由表面波基本方程 8
2.1.2 自由表面波边界条件 8
2.2 波浪载荷 9
2.2.1 波浪力 9
2.2.2 莫里森公式 10
2.3 动态响应分析 10
2.3.1 响应传递函数 10
2.3.2 系泊系统的动态响应分析方法 11
2.3.3 三维弹性杆理论 11
2.3.4 缆索动力控制方程 12
2.4 本章小结 13
第三章 数值算例 14
3.1 所选模型 14
3.1.1 概述 14
3.1.2 主要参数 14
3.2 选择计算流程 15
3.3 建立平台模型 16
3.4 建立系泊系统模型 18
3.4.1 系泊缆方式的选取 18
3.4.2 系泊缆布置及主要参数 19
3.4.3系泊模型的建立 20
3.5 小结 22
第四章 水深对系泊系统动态响应的影响 23
4.1 概述 23
4.2 水深对系泊系统静张力的影响 23
4.3 水深对系泊系统动张力的影响 25
4.4 小结 36
第五章 风、浪、流对平台及系泊系统动态响应的影响 37
5.1 概述 37
5.2 风和流对平台及系泊系统动态响应的影响 37
5.2.1 无风无流 37
5.2.2 有风有流 42
5.2.3 结果比较 42
5.3 波浪对平台及系泊系统动态响应的影响 47
5.3.1 百年一遇波 47
5.3.2 结果比较 52
5.4 小结 53
第六章 缆索局部断裂时系泊系统响应分析 55
6.1 概述 55
6.2 局部断裂一根缆索 55
6.2.1 中间系缆断裂 55
6.2.2 中间系缆完整 60
6.2.3 结果比较 65
6.3 局部断裂两根缆索 67
6.3.1 中间系缆断裂 67
6.3.2 中间系缆完整 72
6.3.3 结果比较 76
6.4 小结 79
结 论 81
致 谢 82
参考文献 83
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
21世纪是海洋的世纪，地球上，海洋占地球表面积的三分之二以上。当前，全球油气消耗量正以较快速度增长，而油气储量增长却极其乏力。由于陆地油气储量已经远远不能满足全球油气的消耗要求，而海底却蕴藏着丰富的油气资源，其石油储量占世界石油总储量60%以上，天然气储量约占世界天然气总储量的30%[1]，因此人类不得不将油气资源开发范围延伸到海洋。海洋油气资源基本分布在大陆架，大约占全球海洋油气资源的60%。大陆坡的深水水域油气资源也相当可观，约占全球海洋油气资源的30%。目前勘探仍停留在浅海，但随着勘探技术的发展，勘探将逐渐进入深海。
图1-1：全球四大深海油区石油产量展望
图1-1为未来三十年全球四大深海油区产量展望。我国拥有300多万平方公里的海洋国土，但由于我国油气勘探及开采起步较晚、技术受限并且发展缓慢，因此寻找更为经济有效的开发技术迫在眉睫。近几年，我国已经加大了在深海油气开发上的投入。随着981采油平台的投入使用，相信我国必将在深海油气勘探中翻阅新的篇章。
由于浮式海洋平台在海上容易受到风、浪、流等的作用，所以采用系泊系统通过缆绳和锚等设备将浮式海洋平台固定在特定区域开采和勘探。系泊系统为平台在海上安全作业提供了重要保障。系泊系统和浮式海洋平台之间之间的相互影响作用即为耦合效应，因此对浮式海洋平台与系泊系统耦合动力响应分析的研究具有重要意义。
SESAM软件是挪威船级社开发出的用于船舶与海洋结构物水动力分析和计算的综合性软件系统。该软件不仅适用于船舶领域，也被应用于其它海洋结构物的设计和分析。通过SESAM模型的建立及海洋环境的模拟，计算得浮式海洋平台系泊系统所受载荷并施加在模型上，用计算机获取动力响应，分析系泊结构响应特点，计算系泊结构的动态应力，分析应力分布的趋势。
1.2 深水浮式平台结构形式及特点
1.2.1 半潜式采油平台
图1-2：海洋石油981半潜式平台
如图1.1所示为半潜式平台，半潜式平台主要由下浮体、立柱和上部结构构成，是一种集钻井、采油和起重于一体的多用途平台。其顶部甲板面积较大，因此甲板可变载荷非常大。半潜式平台运动性能优良，其横摇和纵摇运动一般都小于2度。半潜式平台通常采用的系泊方式是锚泊定位，当作业水深超过2000米，则采
第一章 绪论 1
1.1 课题背景及研究目的与意义 1
1.2 深水浮式平台结构形式及特点 2
1.2.1 半潜式采油平台 2
1.2.2 张力腿平台 3
1.2.3 浮式生产储油轮 4
1.2.4 立柱式平台 4
1.3 国内外研究历史与现状 5
1.3.1 浮式平台动力特性研究 5
1.3.2 系泊系统主要发展特点及研究现状 5
1.3.3 耦合分析 6
1.4 本论文主要研究工作 7
第二章 基本理论 8
2.1 自由表面波基本方程与边界条件 8
2.1.1 自由表面波基本方程 8
2.1.2 自由表面波边界条件 8
2.2 波浪载荷 9
2.2.1 波浪力 9
2.2.2 莫里森公式 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
> 1.3.3 耦合分析 6
1.4 本论文主要研究工作 7
第二章 基本理论 8
2.1 自由表面波基本方程与边界条件 8
2.1.1 自由表面波基本方程 8
2.1.2 自由表面波边界条件 8
2.2 波浪载荷 9
2.2.1 波浪力 9
2.2.2 莫里森公式 10
2.3 动态响应分析 10
2.3.1 响应传递函数 10
2.3.2 系泊系统的动态响应分析方法 11
2.3.3 三维弹性杆理论 11
2.3.4 缆索动力控制方程 12
2.4 本章小结 13
第三章 数值算例 14
3.1 所选模型 14
3.1.1 概述 14
3.1.2 主要参数 14
3.2 选择计算流程 15
3.3 建立平台模型 16
3.4 建立系泊系统模型 18
3.4.1 系泊缆方式的选取 18
3.4.2 系泊缆布置及主要参数 19
3.4.3系泊模型的建立 20
3.5 小结 22
第四章 水深对系泊系统动态响应的影响 23
4.1 概述 23
4.2 水深对系泊系统静张力的影响 23
4.3 水深对系泊系统动张力的影响 25
4.4 小结 36
第五章 风、浪、流对平台及系泊系统动态响应的影响 37
5.1 概述 37
5.2 风和流对平台及系泊系统动态响应的影响 37
5.2.1 无风无流 37
5.2.2 有风有流 42
5.2.3 结果比较 42
5.3 波浪对平台及系泊系统动态响应的影响 47
5.3.1 百年一遇波 47
5.3.2 结果比较 52
5.4 小结 53
第六章 缆索局部断裂时系泊系统响应分析 55
6.1 概述 55
6.2 局部断裂一根缆索 55
6.2.1 中间系缆断裂 55
6.2.2 中间系缆完整 60
6.2.3 结果比较 65
6.3 局部断裂两根缆索 67
6.3.1 中间系缆断裂 67
6.3.2 中间系缆完整 72
6.3.3 结果比较 76
6.4 小结 79
结 论 81
致 谢 82
参考文献 83
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究目的和意义
21世纪是海洋的世纪，地球上，海洋占地球表面积的三分之二以上。当前，全球油气消耗量正以较快速度增长，而油气储量增长却极其乏力。由于陆地油气储量已经远远不能满足全球油气的消耗要求，而海底却蕴藏着丰富的油气资源，其石油储量占世界石油总储量60%以上，天然气储量约占世界天然气总储量的30%[1]，因此人类不得不将油气资源开发范围延伸到海洋。海洋油气资源基本分布在大陆架，大约占全球海洋油气资源的60%。大陆坡的深水水域油气资源也相当可观，约占全球海洋油气资源的30%。目前勘探仍停留在浅海，但随着勘探技术的发展，勘探将逐渐进入深海。
图1-1：全球四大深海油区石油产量展望
图1-1为未来三十年全球四大深海油区产量展望。我国拥有300多万平方公里的海洋国土，但由于我国油气勘探及开采起步较晚、技术受限并且发展缓慢，因此寻找更为经济有效的开发技术迫在眉睫。近几年，我国已经加大了在深海油气开发上的投入。随着981采油平台的投入使用，相信我国必将在深海油气勘探中翻阅新的篇章。
由于浮式海洋平台在海上容易受到风、浪、流等的作用，所以采用系泊系统通过缆绳和锚等设备将浮式海洋平台固定在特定区域开采和勘探。系泊系统为平台在海上安全作业提供了重要保障。系泊系统和浮式海洋平台之间之间的相互影响作用即为耦合效应，因此对浮式海洋平台与系泊系统耦合动力响应分析的研究具有重要意义。
SESAM软件是挪威船级社开发出的用于船舶与海洋结构物水动力分析和计算的综合性软件系统。该软件不仅适用于船舶领域，也被应用于其它海洋结构物的设计和分析。通过SESAM模型的建立及海洋环境的模拟，计算得浮式海洋平台系泊系统所受载荷并施加在模型上，用计算机获取动力响应，分析系泊结构响应特点，计算系泊结构的动态应力，分析应力分布的趋势。
1.2 深水浮式平台结构形式及特点
1.2.1 半潜式采油平台
图1-2：海洋石油981半潜式平台
如图1.1所示为半潜式平台，半潜式平台主要由下浮体、立柱和上部结构构成，是一种集钻井、采油和起重于一体的多用途平台。其顶部甲板面积较大，因此甲板可变载荷非常大。半潜式平台运动性能优良，其横摇和纵摇运动一般都小于2度。半潜式平台通常采用的系泊方式是锚泊定位，当作业水深超过2000米，则采
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