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原文传递深水多功能半潜式平台系泊系统设计的若干问题研究

论文题名：	深水多功能半潜式平台系泊系统设计的若干问题研究
关键词：	深海平台技术;固定式平台;移动式平台;系泊定位;悬链线理论
摘要：	海洋蕴藏着极为丰富的资源。美国的墨西哥湾、欧洲的北海、西亚的波斯湾、北非海域以及南中国海域，都是世界各国开发海洋石油资源的重要活动场所。目前，海洋石油工业正在逐步向更深的水域发展，比如墨西哥湾、巴西、非洲西部、北大西洋与挪威海，水深都在1000～3000m范围内。我国拥有广阔的大陆架，现已探明有工业价值的海上油气田就包括渤海、黄海、东海和南海的所有中国海域，已形成了年产1000万吨原油的生产能力，海洋石油已成为我国重要的原油生产基地。目前我国油气资源开发主要是在200米水深以下的海域，深海平台技术的研究尚处于起步阶段，在面临世界各国对人类共同拥有的深海资源激烈竞争的形势下，须高度重视对深海平台技术的研究。用于油气开采工作的平台有固定式平台和移动式平台两大类，移动式钻井平台克服了固定式平台不能重复使用的缺点，并大大增加了工作水深。移动式海洋石油钻井设备拥有自己的浮力结构，可以由拖船拖着移动。有的还拥有自己的动力设备，可以自航。移动式海洋钻井设备包括：坐底式平台、自升式平台、半潜式平台和钻井船。其中半潜式平台是目前适合于较深水域作业的先进平台，它既能克服钻井船的不稳定性又能在较深水域中作业。系泊定位系统是半潜式平台的重要组成部分，系泊系统包括动力定位和传统锚泊定位，其中传统锚泊方式在深水应用也非常广泛，特别是多种成分锚泊线构成的锚泊系统。本论文针对多成分悬链线锚泊系统的设计，特别是新的材料和新的方式的应用所带来的发展，对深水半潜式平台系泊系统的设计的相关问题进行研究。对于多成分锚泊系统的设计问题作了以下工作。 1.多成分锚泊线的悬链线理论的研究锚泊线在水中是大变形柔性结构，其力和位移的求解依赖于沿线方向积分和求解非线性方程组。本论文推导了多成分悬链线方程组和多成分锚泊线的组合刚度系数矩阵，为多成分锚泊线的计算和分析进行理论的研究和准备。本论文还对有弹性锚泊线的悬链线方程进行推导，并对弹性的处理给出适当的分析方法。对刚度较大的锚链、锚索或弹性较大的纤维绳等都适用这一方法。 2.多成分锚泊线的优化设计模型及方法的研究锚泊系统在深水中通常采用锚索或锚链等多种成分合成的锚泊线来降低锚泊系统的重量，因而涉及参数较多给锚泊系统设计分析带来不便。针对这一问题，本论文基于准静定分析和所推导的一定水深下多成分锚泊线悬链线方程组，并考虑锚泊线组成成分的特征参数对锚泊系统回复力的影响，建立了一种深水多成分锚泊线的优化设计分析新模型。研究多目标函数模型的求解方法，分别采用多目标优化和遗传算法优化方法选择出最佳模型参数，将之应用于设计实例。最后，将这一模型与锚泊系统设计过程结合，引入图谱设计方法提高求解效率，对南海2号半潜式平台的锚泊系统的深水改造进行分析求解，得到有益结论。此方法已经申请国家发明专利，申请号为：200410024881.7，公开号为：1583504。 3.锚泊线与海底接触的有限元建模及求解针对锚泊线与海底接触的非线性问题，本论文建立了锚泊线与海底接触的有限元模型，求解非线性方程得到水中锚泊线的空间形态和应力分布数值，并分析了导缆孔的应力随时间的变化。对于单一成分和多成分锚泊线进行比较和分析，分别采用弹塑性或弹性的土体本构模型对海底基础建立了有限元分析模型。通过加入动态环境力，分析和比较海底的摩擦、海底弹性模型和弹塑性模型对锚泊线动力、位移的影响。全面的分析锚泊线横、纵剖面方向锚泊线与海底接触引起的应力和变形，为锚泊线的设计提供有益的分析方法和结论。 4.锚泊线的动力分析单根锚泊线和锚泊系统的整体动力响应是锚泊系统设计的重要分析内容。忽略海底摩擦的影响，本论文根据设计波方法提出了一种进行锚泊线动力分析的时域方法。用于对称式布置的锚泊线的动张力和空间位移的计算，并对其结果进行分析。对多成分锚泊线和单一成分锚泊线的动张力和导缆孔的位移进行分析和比较，为多成分锚泊线的动张力分析提供一种效率较高的实用方法。 5.考虑平台运动的锚泊系统动力分析海洋平台在外载荷作用下的运动对锚泊系统的张力和位移的影响分析是一个相当复杂的非线性问题。本文考虑锚泊系统导缆孔处半潜式平台的运动，根据锚泊系统设计的需要，忽略阻尼和粘性，考虑锚泊系统和浮体受海浪和海流作用时锚泊系统的张力和位移。对迎浪和浪后的锚泊线的张力和位移作详细的分析。 6.多成分锚泊系统分析策略的建立总结论文中对多成分锚泊系统设计中的几个关键设计问题，比如初步设计阶段的多成分锚泊线的优化设计研究；对锚泊线与海底接触的非线性问题分析；以及考虑平台运动后的锚泊线动力计算研究成果，借鉴传统锚泊系统设计的过程，本论文将这些研究成果应用于实际的系泊项目——“南海2号”半潜式平台系泊系统的深水改造设计，综合整理提出深水多成分锚泊系统的系统分析和计算的过程。锚泊系统的设计目标是根据任务书的要求，在满足规范要求的前提下，结合锚泊系统静动力分析的结果，确定最合适的锚泊系统的相关设备和锚泊线的组成成分。多成分锚泊线组成的锚泊系统的研究是一个新的领域。本论文立足于实际工作，从设计任务要求出发，针对锚泊系统设计中的非线性问题，进行了一系列的研究：研究了初步设计阶段，锚泊系统的组成成分相关参数的优化选择方法；研究了海底与锚泊线接触的交互作用，以及不同的海底模型对锚泊线张力和位移的影响；研究并建立了一种求解锚泊线动力的时域方法，并考虑了平台运动的影响。本论文最后将这些研究成果应用于实际深水半潜式平台系泊系统的设计，整理了相关的设计过程。本文为我国深水平台定位的相关研究提供了借鉴，具有一定的参考价值，也为将来的更进一步的研究作出了有益的探索。
作者：	余龙
专业：	船舶与海洋结构物设计、制造
导师：	谭家华
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文