现代船海技术讲座-海洋平台总体性能分析

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工程上描述波浪的常用方法



工程上描述波浪最为基本，最为简单的方法是假设波 高比水深和波长要小，这样得到的波浪称为线性波浪 （艾瑞波或者一阶斯托克斯波）。 线性波浪理论是描述波浪运动的一阶近似，势流理论 经常用来计算波浪运动。 势流理论方法描述波浪运动时，认为流体连续，不可 压缩，流动时无旋涡产生。这样波浪的运动的求解转 化为以势函数构造的偏微分方程的定解问题。
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二阶波浪力效应成因示意图
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风的特性和风载荷
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描述风的统计特性参数包括： 风向 平均风速
风谱函数：工程上，根据风场的统计观测，提出了一 些风谱来经验性的来描述风速的脉动性质。
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风谱曲线示意图
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数值分析方法

频域分析方法： 时域分析方法： 1）仅求解平台运动，锚泊恢复力采用解析法近似。 （解耦方法1） 2）仅求解平台运动，锚泊线上受到的惯性力和粘性 阻尼力对平台运动的影响近似考虑，锚泊系统的静回 复力可较好的考虑。（解耦方法2） 3）准确考虑锚泊线和海洋立管的动力响应，细长杆 件的运动和平台运动同时求解。称为耦合分析方法。 该种方法计算时间较长，但对于验证锚泊系统的极限 承载，辅助模型试验，模拟平台、锚线、立管间碰撞， 破损过程较为有效。
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总体性能分析的目的
1）预报浮式平台结构的运动（耐波性）
2）得到作用在平台结构上的静力和动力载荷，用于平 台结构的设计（包括屈服强度，疲劳强度，稳定性校 核等） 3）得到作用到平台结构上的动力载荷和运动，用于平 台定位系统的设计（常规的锚泊系统，基于控制理论 的动力定位技术） 4）得到平台的偏移和运动，用来进行海洋立管的设计 分析
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浮式平台运动性能分析的应用
平台运动性能的好坏是决定平台形式，平台尺度 大小的一个重要方面。 运动性能的好坏直接关系到平台作业效率，好的 平台性能可提高平台作业时间，为海洋立管的设计带 来极大的便利。 浮体和波浪相互作用分析是平台结构强度分析的 基础，为平台结构的强度，疲劳，屈服分析提供外荷 载。 平台的运输和安装过程需要进行设计环境条件下 的运动和水动力分析，保证运输和安装的安全。
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运动幅值响应算子(RAO)

浮体波频运动六个自由度响应的稳态幅值，成为幅值 运动响应算子(RAO) 。
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各种浮式平台典型的垂荡幅值运动响应的例子
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各种浮式平台典型的纵摇幅值运动响应的例子
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各种浮式平台典型的纵荡幅值运动响应的例子
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二阶非线性流体载荷和运动


当我们考虑流场中与速度平方项等相关的波浪压力、 风压、海流载荷对浮体的贡献时，会出现量级上比一 阶波浪力载荷要小的高阶载荷分量。包括平均漂移力， 慢漂载荷和高频载荷。 其中慢漂激励周期与浮式结构系泊系统的共振周 期接近，引起系泊系统的共振型低频运动（低频慢 漂）。高频载荷可与TLP平台张力腿系泊系统的共振周 期接近，引起张力腿的高频共振响应。这些响应对系 泊和张力腿拉伸和疲劳强度影响较大，必须要考虑。
现有的工程设备能力有限 (运输，安装，吊装作业) 生产建造要求高
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深水开发的技术挑战



海洋立管和张力腿筋腱的涡激振动分析（流固耦合机 理复杂，数值模拟和模型实验都有不少难点） 深水浮体与锚泊系统的耦合分析(锚泊的惯性力，阻尼 力变得重要。风、浪、流的非线性载荷效应，极限海 况的模拟等) 水动力学的非线性效应必须考虑（波浪爬升、 异常大 波、非线性波浪、非线性的波物相互作用、波流相互 作用、慢漂分析、张力腿平台的高阶非线性载荷等）
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深水浮式系统总体性能分析的特点


深水开发系统的浮式平台与柔性系统（锚泊线和立管） 间存在耦合（细长杆件受到的惯性力，曳力，阻尼对 平台运动影响显著） 平台和锚泊/立管间采用耦合分析是深水浮式系统性能 分析的一个特点。
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深水浮式系统总体性能分析的特殊性




深水条件下，锚泊刚度变小，慢漂运动成为锚泊和立 管设计的一个重要因素。 对于TLP平台，高频的垂荡运动与非线性波浪载荷密 切相关，产生机理复杂。 在设计油气卸载系统时，需要考虑多浮体间的水动力 和机械干扰。 柔性杆件在运动过程中具有大变形的显著特点。
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（绕射水动力分析）
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（辐射水动力分析）
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波频运动

波频运动：浮体在一阶波浪力作用下的稳态运动响应。
{ 2 ([M ] [ A]) i[ B] [C]}{} {FDI }

其中： [M] - 物体质量 [A] - 附加质量 [B] - 兴波阻尼 [C] - 静水回复力刚度 [ξ] - 各态运动分量 [FDI] - 波浪激励力
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各种波浪理论的适用性
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海浪特征参数的统计学描述
海浪的波形是随机的，对于充分发展的海浪，可以 看作是各态历经的平稳随机过程。描述波浪的特征参 数通常包括： 波浪传播方向 有义波高 峰值能量周期 波谱函数

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浮式结构上波浪载荷的计算

根据结构物尺寸相对于波长的比例，作用在结构物 上的波浪载荷，可以采用两种基本方法计算。 1）对于小尺度物体，结构物存在对原来波浪场的改变 较小，流体惯性力载荷和粘性力载荷占波浪载荷的主要 成分。可以采用Morison’s公式计算波浪载荷。 作用在深水立管和锚泊线上的载荷可用Morison’s公式 来计算。 2）对于大尺度结构，结构的运动和存在改变了物体附 近海浪的波形，绕射(Diffraction)和辐射(Radiation)理论 用来研究波浪和Biblioteka 体的相互作用。2829
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控制浮体运动的海洋环境

风 浪 海流
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海浪


风生成的波浪可以分为两类：风波(sea)和涌浪(Swell)。
风波：由风场直接和海水相互作用而生成的波浪，波 形不规则，数学上可用很多不同频率，波幅和初相位 的简谐波叠加得到。 涌浪是由远处传来的波浪，波形较为规则，具有较长 的波浪周期。
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研究内容


风载荷计算 流载荷计算 风、浪、流设计环境载荷的确定 浮体和波浪的相互作用 波频运动响应 慢漂运动响应 极限平台运动位移分析 极限锚链载荷 水池模型试验
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总体性能分析涉及到的专业知识






刚体运动学 刚体和柔性杆件动力学 波浪理论 势流理论和水动力学 概率论和数理统计 计算流体力学 结构力学 数学物理方法 数值分析
2 深海浮式结构设计、分析与建造技术 3 深海海洋立管与海底管线的设计技术 4 深海浮式结构模型试验技术
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基本概念

海洋平台总体性能分析：分析各种浮式平台在风、浪、 流环境载荷中的运动及其衍生效应的工作。
刚体运动模式的定义
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浮式结构物的运动可以分解为波频运动，高频运动， 慢漂运动和平均漂移。 波频运动：指浮式平台在波浪激励下的线性激励运动。 高频运动：指张力腿平台受到高频的非线性波浪力或 瞬态的冲击力激励产生的摇荡，固有周期在2～4秒。 慢漂运动：慢漂运动起源于谐摇，系泊结构物的水平 运动（包括纵荡，横荡和艏摇）固有摇摆周期在1～ 2min左右。由于受到来自于波浪、流、风的低频激励， 系泊结构会发生低频慢漂运动，对锚泊系统设计和立 管设计影响较大。
现代船海技术讲座
海洋平台总体性能分析
马山 副教授
舶舶工程学院深海工程技术研究中心
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主要讲座内容

背景介绍 总体性能分析的概念，应用，工程分析方法 风、浪、流环境载荷 内转塔系泊FPSO总体性能分析实例
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当今世界海洋油气的发展
1.“能源发展”成为世界关注的焦点 石油、天然气、煤炭、核电, 我国能源长期依赖煤炭 陆上资源的枯竭、能源消耗与日俱增 2. 未来油气产量增长主要来自海洋 3. 深水油气产量所占比重越来越大 4. 技术进步推动深水油气勘探开发 海洋勘探开发始于20世纪初。从那以后，随着技术的进步，深水 的定义在不断的扩大。在1998年以前，只要离开大陆架即水深大于 200米，就认为是深海。1998年以后水深扩大到300米，而现在普 遍认为水深大于500米为深水。当水深大于1500米时，离岸采油工 业界普遍认为是超深水(Ultra Deepwater) 始于20世纪40年代的海上石油工业用了近30年的时间实现了在 100米深水区生产油气，又用了20多年达到近2000米深的海域，而 最近10年油气生产已接触3000米深的水域。 5. 海洋油气开发的旺盛投资，为海洋油气工程装置的发展提供了巨大 机遇 亚太地区的海洋油气开发前景十分看好
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总体性能分析的工程手段

数值计算：随着高速计算机的迅速发展，数值计算
在计算船体和海洋结构物的波浪诱导运动和载荷方面 扮演着重要角色。数值程序需要经过验证，其准确性 和功能取决于水动力学的发展。


模型试验：是平台设计优劣的最终检验 全尺度试验：造价昂贵，难以在可控条件下操作。 实际海洋工程结构的现场检测：提供了现场海
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平台总体性能分析技术的热点问题




深水浮式平台的耦合分析技术 非线性水动力问题：波浪爬升、自由面效应、TLP 的高频载荷、系泊慢漂力 FPSO极限响应的模型试验测试方法、深水平台锚 泊系统模型试验的截断方法 单筒式平台的水平慢漂运动和摇摆慢漂运动引起 平台和立管间的干扰，威胁立管结构的疲劳和强 度。 海流引起的涡激振动诱导的SPAR船体的大幅运动
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深水开发的挑战

钻井成本高
缺乏对当地环境的充分认识 远离海岸线，没有完善的海底管线 海底温度低，油气输送管线长，流动保障问题突出 工程事故会蒙受巨额损失 海底地貌复杂 海洋环境恶劣，为钻井，生产，安装，设计带来了困难