半潜式海洋平台与系泊系统耦合动力响应分析
摘 要摘 要 迅速提升深水平台自主开发技术和能力是当前的第一要务。半潜式平台凭借其卓越的性能，良好的稳性，成为深水作业的绝佳选择。平台作业时一直漂浮于水面上，在风、浪、流等环境载荷的作用下始终处于运动状态，只能依靠锚泊设备或动力定位系统保持于一定的范围。系泊缆通过导缆孔与平台连接，系泊缆可以为平台提供回复力；而与此同时，平台的六自由度运动响应也会影响到系泊缆的受力及运动；研究二者之间动态时变的耦合作用具有重要的意义。 本文运用时域分析的方法，基于三维势流理论，研究半潜式平台与其系泊系统的耦合运动响应，运用SESAM软件GeniE模块对“海洋石油981”半潜式平台进行建模，HydroD模块进行水动力性能分析，DeepC模块进行系泊系统建模以及数值模拟计算系泊缆静态和动态张力和六自由度下平台的耦合运动响应，分析平台与系泊系统的耦合运动响应结果。在系泊系统建模时，按照API RP 2SM规范要求,对系泊系统及半潜式平台进行了水动力建模，通过计算获得了不同工况下风、浪、流共同作用下以及单根系泊破损状态下平台的动力响应，得出了相关结论。关键词：半潜式平台；耦合运动响应；SESAM；系泊系统目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究目的与意义 1
1.2 半潜式海洋平台水动力性能研究现状以及问题 2
1.3 系泊系统计算方法的研究现状 4
1.4 系泊系统与结构物耦合研究现状及问题 5
1.5 研究目标及论文主要内容 8
1.5.1 研究目标 8
1.5.2 论文主要内容 8
1.6 研究方案 8
1.7 小结 9
第二章 半潜式平台及系泊系统简介 10
2.1 采用系泊系统的半潜式平台简介 10
2.2 系泊系统简介 14
2.2.1 系泊系统分类 14
2.2.2 系泊缆材料组成 17
2.2.3 锚泊基础 19
2.2.4 系泊缆的选择 20
2.3 SESAM软件介绍 20
2.3.1 SESAM软件的组成和主要功能 20
2.3.2 SESAM软件分析过程 20
2.4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
2.2 系泊系统简介 14
2.2.1 系泊系统分类 14
2.2.2 系泊缆材料组成 17
2.2.3 锚泊基础 19
2.2.4 系泊缆的选择 20
2.3 SESAM软件介绍 20
2.3.1 SESAM软件的组成和主要功能 20
2.3.2 SESAM软件分析过程 20
2.4 小结 21
第三章 动力响应基本理论 22
3.1 波浪力计算理论 22
3.1.1 粘性效应和势流效应 22
3.1.2 半潜式平台水动力性能研究的方式 22
3.1.3 二阶波浪力问题 23
3.2 动态响应分析理论 24
3.2.1系泊系统动态响应分析方法 24
3.2.2 三维弹性杆理论 26
3.2.3 缆索动力控制方程 27
3.2.4 边界条件 27
3.3 小结 27
第四章 利用SESAM进行半潜平台模型建模 28
4.1 概述 28
4.2 模型建立 28
4.2.1 半潜式平台主要参数 28
4.2.2 建立半潜平台模型 29
4.2.3 系泊缆选取 33
4.2.4 系泊缆布置和参数决定 33
4.2.5 利用DeepC模块建立系泊系统模型 35
4.3 小结 37
第五章 系泊系统与半潜平台动态响应分析 38
5.1 概述 38
5.2 工况选择 38
5.3 计算结果分析 39
5.3.1 工况1计算结果及分析 39
5.3.2 工况2计算结果及分析 43
5.3.3 工况3计算结果及分析 48
5.3.4 工况4计算结果及分析 53
5.3.5 各工况下结果对比分析 58
5.4 小结 61
第六章 单根系泊缆索破损时系泊响应分析 61
6.1 概述 62
6.2 工况的选择 62
6.3 计算结果分析 65
6.3.1 工况5计算结果及分析 65
6.3.2 工况6计算结果及分析 70
6.3.3 工况7计算结果及分析 75
6.3.4 工况8计算结果及分析 80
6.3.5 各工况下结果的比较 85
6.4 小结 88
结 论 89
致 谢 92
参考文献 93
第一章 绪论
1.1 研究目的与意义
国内资源消费加速增长，但是资源保障却不足，导致资源供应形势日趋严峻。渤海的胜利油田储量所剩不多，大庆油田已近掏空，种种事实表明，陆上的油气资源的开采已近瓶颈，人们应当将越来越多的注意力转移到开发海洋资源的领域中来。地球表面积为5.1亿平方公里，海洋囊括了七成以上的地球表面积，蕴含了无比丰富的资源。因此，如何更合理正确地使用海洋资源将很大程度上影响我国未来能源问题，甚至会影响经济发展以及国家安全。
我国是世界第二大石油进口国和消费国，2014年我国进口石油3亿吨，而全国石油产量为2.1亿吨，对外依存度达到59.6%，始终处于增长状态，情况不容乐观。我国的南海资源富饶，蕴藏着300亿吨以上的原油，其中90%的原油未被开采，但是当开发的水域水深超过1500 m时，开发的难度和危险性大幅度提升。传统的像导管架平台和自升式平台也会因为工作水深太大而需要大量的桩腿材料，导致成本高回报率低，缺乏经济性而失去竞争力，这一切都表明了研究新型的浮式结构物进行深水油气钻采将成为必然的趋势。但目前我国所掌握的深水海洋石油开发技术尚不成熟，与其他海工大国有明显差距，上海外高桥造船厂建造的海洋石油981虽然为第六代最新半潜式平台，完成了中国半潜式平台第二代向第六代的飞跃，工作水深达3000 m，钻井深度达到10000 m，性能卓越，但是一系列钻井设备目前尚无法自主完成导致无法进行石油钻采；加之与菲律宾，越南的南海争端问题，种种严峻问题要求我国迅速提升海洋自主开发技术能力，以应对世界新挑战。
迅速提升深水平台自主开发技术和能力是当前的第一要务。与其他平台相比，半潜式平台有其独有的优势：投资成本低，具有很大的可利用甲板空间和可变载荷，卓越的船体稳定性和风暴自存能力，适应各种水深，全面的作业能力等。因此，半潜式平台成为深海作业的绝佳选择。目前半潜式平台的研究已经发展到了第六代，它们大都配有最先进的钻井系统，具备在超深水环境下钻井作业的能力，采用第六代动力定位系统以及高强度钢结构，性能卓越。新型的半潜式平台已经成为研究新宠儿，它的时代也即将到来。
半潜式海洋平台一般均配有系泊系统保证其固定在一个相对固定的活动范围并且提供恢复力，因此系泊系统的设计在半潜式海洋平台以及其他海洋平台的设计中起到了极
第一章 绪论 1
1.1 研究目的与意义 1
1.2 半潜式海洋平台水动力性能研究现状以及问题 2
1.3 系泊系统计算方法的研究现状 4
1.4 系泊系统与结构物耦合研究现状及问题 5
1.5 研究目标及论文主要内容 8
1.5.1 研究目标 8
1.5.2 论文主要内容 8
1.6 研究方案 8
1.7 小结 9
第二章 半潜式平台及系泊系统简介 10
2.1 采用系泊系统的半潜式平台简介 10
2.2 系泊系统简介 14
2.2.1 系泊系统分类 14
2.2.2 系泊缆材料组成 17
2.2.3 锚泊基础 19
2.2.4 系泊缆的选择 20
2.3 SESAM软件介绍 20
2.3.1 SESAM软件的组成和主要功能 20
2.3.2 SESAM软件分析过程 20
2.4
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2.2 系泊系统简介 14
2.2.1 系泊系统分类 14
2.2.2 系泊缆材料组成 17
2.2.3 锚泊基础 19
2.2.4 系泊缆的选择 20
2.3 SESAM软件介绍 20
2.3.1 SESAM软件的组成和主要功能 20
2.3.2 SESAM软件分析过程 20
2.4 小结 21
第三章 动力响应基本理论 22
3.1 波浪力计算理论 22
3.1.1 粘性效应和势流效应 22
3.1.2 半潜式平台水动力性能研究的方式 22
3.1.3 二阶波浪力问题 23
3.2 动态响应分析理论 24
3.2.1系泊系统动态响应分析方法 24
3.2.2 三维弹性杆理论 26
3.2.3 缆索动力控制方程 27
3.2.4 边界条件 27
3.3 小结 27
第四章 利用SESAM进行半潜平台模型建模 28
4.1 概述 28
4.2 模型建立 28
4.2.1 半潜式平台主要参数 28
4.2.2 建立半潜平台模型 29
4.2.3 系泊缆选取 33
4.2.4 系泊缆布置和参数决定 33
4.2.5 利用DeepC模块建立系泊系统模型 35
4.3 小结 37
第五章 系泊系统与半潜平台动态响应分析 38
5.1 概述 38
5.2 工况选择 38
5.3 计算结果分析 39
5.3.1 工况1计算结果及分析 39
5.3.2 工况2计算结果及分析 43
5.3.3 工况3计算结果及分析 48
5.3.4 工况4计算结果及分析 53
5.3.5 各工况下结果对比分析 58
5.4 小结 61
第六章 单根系泊缆索破损时系泊响应分析 61
6.1 概述 62
6.2 工况的选择 62
6.3 计算结果分析 65
6.3.1 工况5计算结果及分析 65
6.3.2 工况6计算结果及分析 70
6.3.3 工况7计算结果及分析 75
6.3.4 工况8计算结果及分析 80
6.3.5 各工况下结果的比较 85
6.4 小结 88
结 论 89
致 谢 92
参考文献 93
第一章 绪论
1.1 研究目的与意义
国内资源消费加速增长，但是资源保障却不足，导致资源供应形势日趋严峻。渤海的胜利油田储量所剩不多，大庆油田已近掏空，种种事实表明，陆上的油气资源的开采已近瓶颈，人们应当将越来越多的注意力转移到开发海洋资源的领域中来。地球表面积为5.1亿平方公里，海洋囊括了七成以上的地球表面积，蕴含了无比丰富的资源。因此，如何更合理正确地使用海洋资源将很大程度上影响我国未来能源问题，甚至会影响经济发展以及国家安全。
我国是世界第二大石油进口国和消费国，2014年我国进口石油3亿吨，而全国石油产量为2.1亿吨，对外依存度达到59.6%，始终处于增长状态，情况不容乐观。我国的南海资源富饶，蕴藏着300亿吨以上的原油，其中90%的原油未被开采，但是当开发的水域水深超过1500 m时，开发的难度和危险性大幅度提升。传统的像导管架平台和自升式平台也会因为工作水深太大而需要大量的桩腿材料，导致成本高回报率低，缺乏经济性而失去竞争力，这一切都表明了研究新型的浮式结构物进行深水油气钻采将成为必然的趋势。但目前我国所掌握的深水海洋石油开发技术尚不成熟，与其他海工大国有明显差距，上海外高桥造船厂建造的海洋石油981虽然为第六代最新半潜式平台，完成了中国半潜式平台第二代向第六代的飞跃，工作水深达3000 m，钻井深度达到10000 m，性能卓越，但是一系列钻井设备目前尚无法自主完成导致无法进行石油钻采；加之与菲律宾，越南的南海争端问题，种种严峻问题要求我国迅速提升海洋自主开发技术能力，以应对世界新挑战。
迅速提升深水平台自主开发技术和能力是当前的第一要务。与其他平台相比，半潜式平台有其独有的优势：投资成本低，具有很大的可利用甲板空间和可变载荷，卓越的船体稳定性和风暴自存能力，适应各种水深，全面的作业能力等。因此，半潜式平台成为深海作业的绝佳选择。目前半潜式平台的研究已经发展到了第六代，它们大都配有最先进的钻井系统，具备在超深水环境下钻井作业的能力，采用第六代动力定位系统以及高强度钢结构，性能卓越。新型的半潜式平台已经成为研究新宠儿，它的时代也即将到来。
半潜式海洋平台一般均配有系泊系统保证其固定在一个相对固定的活动范围并且提供恢复力，因此系泊系统的设计在半潜式海洋平台以及其他海洋平台的设计中起到了极
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