深水s-Spar平台水动力响应分析
近年来，海洋油气的勘探开发不断走向深水，因此涌现许多适用于深水作业的新型结构，如浮式生产储油卸油装置(FPSO)、半潜式钻井平台(Semi-Submersible Platform)、张力腿平台(TLP)和圆柱型平台(Spar)等。Spar平台因为其良好的运动性能而受到工程界和学术界的极大关注，与其相关的各研究领域不断发展，特别是Spar平台的动力响应研究。本文主要研究带螺旋板的S-Spar平台的动力响应问题，力求得到计及螺旋板影响、尽可能准确描述S-Spar平台总体运动响应的分析结果。主要工作如下：
1、系统介绍了Spar平台的产生和发展的历史，总结了三代Spar平台的总体结构特点、优缺点、经济性以及发展前景；详细介绍了S-Spar的概念和结构特点，给出了S-Spar平台的主要尺度和系泊系统的参数。
2、建立了带有不同垂荡板厚度和螺旋板导程的S-Spar平台主体的ANSYS/AQWA有限元模型，采用AQWA-LINE模块，基于三维势流理论和波浪的绕射/辐射理论，在频域内计算了作用在平台主体上的波浪力、附加质量、附加阻尼以及运动响应RAO等水动力学参数。计算结果表明，S-Spar。平台的附加质量和附加阻尼均达到可以有效控制平台运动响应的良好量级。平台纵荡、横荡、横摇和纵摇方向上的附加质量和阻尼随着垂荡板厚度的增加没有发生明显变化，垂荡方向的附加质量和阻尼随着垂荡板厚度的增加而减小，垂荡板厚度1m时首摇方向的附加质量最小，首摇方向附加阻尼基本不受垂荡板厚度变化的影响。螺旋板导程增大将导致平台纵荡、横荡、横摇和纵摇方向上的附加质量增大，平台纵荡、横荡、横摇和纵摇方向上的附加阻尼没有明显变化，螺旋板导程为90m和60m的平台在垂荡和首摇方向上的附加阻尼均有出现负值的频段。不同螺旋板导程平台的纵荡、垂荡和纵摇运动响应RAO曲线峰值频率没有随螺旋板导程的变化发生明显改变，并且当波浪长周期接近平台的固有周期时，响应幅值也得到了很好的控制。
3、基于频域分析结果，采用AQWA-DRIFT模块建立了螺旋板导程和垂荡板厚度分别为120m和1m的S-Spar平台及其系泊系统的耦合分析模型，考虑不同入射方向的随机波浪荷载及风、流的共同作用和系泊系统的非线性影响，进行时域耦合分析。得到S-Spar平台的波浪力时程、位移时程、系泊缆的张力时程和张力极值等，并与不带螺旋板的S-Spar平台的计算结果进行了对比，分析了螺旋板对平台的时域计算结果的影响。分析结果表明，在完整系泊和单缆破断的情况下，平台的运动响应和系泊缆安全系数均符合规范要求。通过与不带螺旋板的平台的计算结果对比发现，螺旋板存在时会显著增加平台的首摇运动幅值，在极端海况下，忽略螺旋板可能会高估平台的首摇运动性能；不带螺旋板的平台的系泊缆张力幅值偏大，忽略螺旋板会高估系泊缆的极限张力。最后，分析计算了百年一遇环境条件下带螺旋板的S-Spar平台破舱进水后的动力响应，计算结果表明，平台破舱充水仍然具有良好的运动性能，满足规范要求。
深水S-Spar平台;水动力响应;螺旋板;系泊系统;耦合分析
中国海洋大学
硕士
水利工程
黄维平
2012
中文
TE951
67
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）