CN101516721A - 浮式结构运动抑制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系统，该系统包括浮式结构，该浮式结构受波浪或水流的影响；和至少一个附接到该浮式结构上的运动抑制系统；该运动抑制系统包括调谐成第一频率的第一振荡水柱和调谐成第二频率的第二振荡水柱。

Description

浮式结构运动抑制系统和方法

技术领域

本发明涉及可附接到浮式结构上以减少升沉、俯仰和/或摇摆的运动抑制系统。

背景技术

水体中的浮式结构可能经受由波浪或水流所引起的运动，比如升沉、俯仰和/或摇摆。对于载人船而言，例如游船，由于要考虑乘客的晕船和舒适感，希望使这些运动最小化。对于载货船来说，需要减少这些运动以保护货物。对海上钻井和/或生产平台而言，由于要考虑船员的安全和管线与船的连接和疲劳老化，希望使这些运动最小化，所述管线有诸如钻杆、输入和输出管线、链条束、控制管缆和其它管线。

对船而言，主动和被动的运动抑制系统(例如陀螺仪，特别设计的船体、储罐、可动重物、锚缆索和翼舱等)已被用来抑制运动。这些装置大多在船运动时工作。通常它们很难抑制静止船的运动。

美国专利No.6,910,438公开了一种振荡抑制系统，它能抑制浮式平台的竖直共振和旋转共振。该振荡抑制系统包括安装在浮式平台的船体中或周围的能量吸收室。能量吸收室可单独附接到结构上或作为结构的一部分与结构一体形成。能量吸收室包括位于上部的气体和位于下部的水团(water mass)。能量吸收室在上端部关闭或部分通风而其下端部开放。室上部所封装的气体用作一种用于抵抗浮式平台和水团的气弹簧。对浮式平台系统共振的抑制可通过与外力反相的、作用在浮式平台系统上的气弹簧压力变化来实现。在此将美国专利No.6,910,438的全部内容并入本文以作参考。

在本领域中，需要提供用于抑制浮式结构运动的改进的系统和方法。

在本领域中，需要提供不具有现有技术缺点的、用于抑制浮式结构运动的系统和方法。

在本领域中，需要提供以不同的激发频率来抑制浮式结构运动的系统和方法。

在本领域中，需要提供以多个激发频率来抑制浮式结构运动的系统和方法。

对本领域技术人员来说，通过阅读此说明书及其附图和权利要求书，这些和其他的需求将变得显而易见。

发明内容

一方面，本发明提供了一种系统，该系统包括浮式结构，该结构受波浪和水流影响；和至少一个附接到该浮式结构上的运动抑制系统；该运动抑制系统包括调谐成第一频率的第一振荡水柱和调谐成第二频率的第二振荡水柱。

另一方面，本发明提供了一种方法，包括：将浮式结构置于水体中，该水体包括波浪和/或水流；将调谐成第一频率的第一振荡水柱附接至浮式结构，该第一振荡水柱的至少一部分位于水体中；并且将调谐成第二频率的第二振荡水柱附接至浮式结构，该第二振荡水柱的至少一部分位于水体中。

本发明的优点可包括下述优点中的一个或多个：

用于抑制浮式结构运动的改进的系统和方法；

不具有现有技术缺点的、用于抑制浮式结构运动的系统和方法；

以不同激发频率来抑制浮式结构运动的系统和方法；和/或

以多个激发频率来抑制浮式结构运动的系统和方法。

附图说明

图1示出了位于水体中的浮式结构的侧视图。

图2示出了位于水体中的浮式结构的俯视图。

图3示出了带有运动抑制系统的、位于水体中的浮式结构的侧视图。

图4示出了带有运动抑制系统的、位于水体中的浮式结构的俯视图。

图5示出了运动抑制系统的侧视图。

图6示出了运动抑制系统的侧视图。

图7示出了带有和不带有运动抑制系统的系统的响应。

具体实施方式

在一个实施例中，公开了一种系统，该系统包括浮式结构，该浮式结构受波浪和/或水流影响；和至少一个附接到该浮式结构上的运动抑制系统；该运动抑制系统包括调谐成第一频率的第一振荡水柱和调谐成第二频率的第二振荡水柱。在一些实施例中，该系统还包括附接到浮式结构上并且附接到水下结构上的连接件。在一些实施例中，连接件选自控制管缆、隔水管和链条束。在一些实施例中，至少一个运动抑制系统包括适于抑制浮式结构升沉的运动抑制系统。在一些实施例中，至少一个运动抑制系统包括适于抑制浮式结构俯仰的运动抑制系统。在一些实施例中，至少一个运动抑制系统包括适于抑制浮式结构摇摆的运动抑制系统。在一些实施例中，至少一个运动抑制系统包括适于抑制浮式结构摇摆的第一运动抑制系统、适于抑制浮式结构俯仰的第二运动抑制系统和适于抑制浮式结构升沉的第三运动抑制系统。在一些实施例中，第一频率和第二频率为每分钟2至30个周期。在一些实施例中，第一频率和第二频率为每分钟3至20个周期。在一些实施例中，第一频率和第二频率为每分钟5至15个周期。

在一个实施例中，公开了一种方法，其包括：将浮式结构置于水体中，该水体包括波浪和/或水流；将调谐成第一频率第一振荡水柱附接到浮式结构上，该第一振荡水柱的至少一部分位于水体中；将调谐成第二频率的第二振荡水柱附接到浮式结构上，该第二振荡水柱的至少一部分位于水体中。在一些实施例中，该方法还包括将连接件附接到浮式结构上和将连接件附接到附接到水下结构上。在一些实施例中，第一频率和第二频率是每分钟2到30个周期。在一些实施例中，第一频率和第二频率是每分钟3到20个周期。在一些实施例中，第一频率和第二频率是每分钟5到15个周期。

现在参照图1，图1示出了海上系统100。系统100包括在水表面附近漂浮于水体110中的浮式结构102，该浮式结构附接到连接件104上，该连接件104附接到靠近海底108的水下结构106上。

在水体110中的波浪和/或水流112可引起浮式结构102的升沉120、俯仰122和/或摇摆124。

现在参照图2，图2示出了浮式结构102的俯视图。俯仰122定义为绕轴132的旋转运动。摇摆124定义为绕轴134的旋转运动。

在一些实施例中，浮式结构102可以是浮式海上平台、张力支腿平台、半潜式平台、钻井船、生产平台、FPSO、船、或小船、或本领域中所已知的其他类型的浮式结构。在一些实施例中，连接件104可以是绳子、缆索、系泊索、隔水管、输入管线、输出管线、钻杆、或控制管缆、或本领域中所已知的其他类型的连接件。在一些实施例中，水下结构106可以是锚固件、井口装置、水下流送管线、采油树、泵、分离器、或本领域中所已知的其他类型的水下结构。

现在参照图3，图3示出了一种海上系统100。系统100包括在水表面附近漂浮于水体102中的浮式结构102，该浮式结构附接到连接件104上。连接件104附接到靠近海底108的水下结构106上。

运动抑制系统202已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或摇摆。运动抑制系统204已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或俯仰。运动抑制系统206已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或俯仰。

在一些实施例中，运动抑制系统202包括2个或更多个振荡水柱结构，例如从约2个到约10个、或从约3个到约5个。每一个振荡水柱结构可被调谐以抑制一个频率或一个频率范围。在一些实施例中，合适的频率范围包括每分钟约2个周期到约30个周期，例如从每分钟约3个周期到约20个周期，或从每分钟约5个周期到约15个周期，或每分钟约12个周期。在一些实施例中，对于一个具有3个振荡水柱结构的运动抑制系统来说，第一振荡水柱结构可具有每分钟约2个周期的频率，第二振荡水柱结构可具有约每分钟12个周期的频率，而第三振荡水柱结构可具有每分钟约30个周期的频率。

现在参照图4，图4示出了浮式结构102。振荡水柱结构202a、振荡水柱结构202b和振荡水柱结构202c均已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或摇摆。振荡水柱结构204a、振荡水柱结构204b和振荡水柱结构204c均已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或俯仰。振荡水柱结构206a、振荡水柱结构206b和振荡水柱结构206c均已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或俯仰。振荡水柱结构208a、振荡水柱结构208b和振荡水柱结构208c均已经附接到浮式结构102上以抑制升沉。振荡水柱结构210a、振荡水柱结构210b和振荡水柱结构210c均已经附接到浮式结构102上以抑制升沉和/或摇摆。

现参照图5，图5示出了位于水体110中的运动抑制系统300，该运动抑制系统包括振荡水柱结构302a、振荡水柱结构302b和振荡水柱结构302c。振荡水柱结构302a具有高度304a、通风装置306a、水部分308a和空气部分310a。振荡水柱结构302b具有高度304b、通风装置306b、水部分308b和空气部分310b。振荡水柱结构302c具有高度304c、通风装置306c、水部分308c和空气部分310c。

通常来说，振荡水柱结构的高度越高，它被调谐成的频率就越低。同样地，通风装置中的开口越小，它被调谐成的频率就越低。高度和/或通风装置的开口可根据需要进行修改以获得振荡水柱结构所需的频率响应。

在一些实施例中，通风装置306a、306b、306c均为大约相同尺寸，而振荡水柱结构302a由于其长度304a短而具有最高频率，振荡水柱结构302c由于其长度304c长而具有最低频率，振荡水柱结构302b的频率则居于其间。

当向上的力330作用于运动抑制系统300时，水部分308a、308b、和308c被举升到水体110之外，并且由于重力产生反向作用的恢复力332。如果运动抑制系统300被保持在水体之外，则空气流入通风装置306a、306b、306c中而且水从振荡水柱结构302a、302b和302c的底部流出，使得振荡水柱结构中的水位最终与水体110的水位相匹配。该复位速度可通过通风装置的大小和/或水柱的长度进行调节。

当向下的力340作用于运动抑制系统300时，空气部分310a、310b、310c被推入水体110中，并且由于浮力产生反向作用的恢复力342。如果运动抑制系统300被保持在水下，则空气从通风装置306a、306b、306c中流出，并且水流入振荡水柱结构302a、302b、302c的底部，使得振荡水柱结构中的水位最终与水体110的水位相匹配。该复位速度可通过通风装置的大小和/或水柱的长度进行调节。

现在参照图6，图6示出了位于水体110中的运动抑制系统400，该运动抑制系统包括振荡水柱结构402a、振荡水柱结构402b和振荡水柱结构402c。振荡水柱结构402a具有高度404a、通风装置406a、水部分408a和空气部分410a。振荡水柱结构402b具有高度404b、通风装置406b、水部分408b和空气部分410b。振荡水柱结构402c具有高度404c、通风装置406c和水部分408c、空气部分410c。

通常来说，振荡水柱结构的高度越高，它被调谐成的频率就越低。同样地，通风装置中的开口越小，它被调谐成的频率就越低。高度和/或通风装置的开口可根据需要被修改以获得振荡水柱结构所需的频率响应。

在一些实施例中，高度404a、404b、404c均为大约相同高度，而振荡水柱结构402a因为其通风装置406a大而具有最高频率，而振荡水柱结构402c因为其通风装置406c小而具有最低频率，振荡水柱结构402b的频率则居于其间。

当向上的力430作用于运动抑制系统400时，水部分408a、408b、408c被举升到水体110之外，并且由于重力产生反向作用的恢复力432。如果运动抑制系统300被保持在水体之外，则空气流入通风装置406a、406b、406c中，并且水从振荡水柱结构402a、402b、402c的底部流出，使得振荡水柱结构中的水位最终与水体110的水位相匹配。该复位速度可通过通风装置的大小和/或水柱的长度进行调节。

当向下的力440作用于运动抑制系统400时，空气部分410a、410b、410c被推入水体110中，并且由于浮力产生一个反向作用的恢复力442。如果运动抑制系统400被保持在水下，空气将从通风装置406a、406b、406c中流出，并且水流入到振荡水柱结构402a、402b、402c的底部，使得振荡水柱结构的水位最终与水体110的水位相匹配。该复位速度可通过通风装置的大小和/或水柱的长度进行调节。

在一些实施例中，振荡水柱可在底部对水开放，在顶部对空气关闭，在其顶部设有一个小通风装置用于空气流入和流出。在一些实施例中，振荡水柱底部可在底部对水体关闭，在顶部对空气开放，在其底部设有一个小通风装置用于水流入和流出。在一些实施例中，振荡水柱可在底部对水体开放，在顶部对空气开放，在中部设有有限大小的开口用于水和/或空气流入和流出，诸如滤网、格栅或一个直径缩减部分。

现在参照图7，图7示出了带有和不带有与浮式系统连接的运动抑制系统的浮式系统对波浪的标准化频率的响应曲线。当在此使用时，术语标准化频率指浮式结构的激发频率与固有频率的频率比。线500表示最差的响应，其对应于没有附接任何运动抑制系统的浮式系统。线502表示第二差的响应，其对应于附接了具有单一振荡水柱的运动抑制系统的浮式系统。线504表示最好的响应，其对应于附接了具有多个调谐成不同频率的振荡水柱的运动抑制系统的浮式系统。

在一些实施例中，如下所示的方程1a和1b建立了带有抑制系统的浮式结构的运动的控制方程：

$M\frac{d^{2}X}{{\mathrm{dt}}^2}+C\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{KX}+f_1(X,x_i)+g_1(X,x_i)=F_1---\left(1a\right)$

$m_i\frac{d^2{x}_i}{{\mathrm{dt}}^2}+c_i\frac{{\mathrm{dx}}_i}{\mathrm{dt}}+k_i{x}_i+f_2(X,x_i)+g_2(X,x_i)=F_2,i=\mathrm{1,2},...n---\left(1b\right)$

其中：M＝包括附加质量的浮式结构的质量；

C＝浮式结构的阻尼系数；

K＝浮式结构的刚度；

X＝升沉、俯仰和摇摆中的浮式结构的响应；

m_i＝振荡水柱内的水的惯性；

c_i＝振荡水柱的阻尼系数；

k_i＝振荡水柱的刚度；

x_i＝水柱内水的响应；

f₁和f₂＝浮式结构和振荡水柱之间的耦合项，其为浮式结构响应和在水柱中的振动水响应的函数；

g₁和g₂＝非线性项；

F₁和F₂＝由于外部载荷而引起的激发作用力；

方程(1a)表示浮式结构的升沉、俯仰和/或摇摆运动。方程(1b)描述了振荡水柱响应。下标“i”表示进行了不同调谐的振荡水柱。

在一些实施例中，对抑制系统进行调谐的系统和方法可通过使用具有不同长度的振荡水柱结构以使得每个振荡水柱结构具有不同的固有频率(进行了不同调谐)来实现。振荡水柱结构中所捕获的空气可作为弹簧起作用，而水可作为质量团起作用。一些振荡水柱结构可具有关闭的顶部(没有通风装置)和开放的底部。通过调节水柱的高度以及空气的高度，每一个振荡水柱结构可被不同地调谐至不同激发频率。振荡水柱结构的固有频率是水的高度和空气高度(或捕获的空气量)的函数。例如，如果没有浮式结构的运动，振荡水柱的固有频率f_n可从如下的方程(1c)中得出(对于恒定的管道半径)：

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{(g+P_1\mathrm{\γ}/\mathrm{\ρZ})}{H}}---\left(1c\right)$

其中，Z为空气高度，H为管内水的高度。

在一些实施例中，为了调谐抑制结构的不同频率，可调节水高度和/或空气高度。

在一些实施例中，振荡水柱结构的阻尼可通过在水柱内具有横截面变化(例如直径缩减部分)来实现。这可在水柱内的横截面变化处引起涡旋流泄。随着水的起伏，涡旋会形成能量和消散能量。

在一些实施例中，振荡水柱结构的阻尼可通过使用滤网或挡板来控制水流而实现。通过使用不同大小的滤网筛孔，可以获得不同的阻尼量。

在一些实施例中，振荡水柱结构的阻尼可通过在水柱顶部附近具有开孔来实现，其利用水起伏时由于空气通风而产生的时间延迟。这可用于通过不同大小的通风装置来调谐抑制系统。

本领域的技术人员可理解，所公开的实施例、构造、材料和方法，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可进行许多修改和变型。因此，其后所附的权利要求书及其功能等效物不应受限于在此所描述和示出的特定实施例，因为这些特定实施例只是示例性的。

Claims (15)

1.一种系统，包括：

受波浪或水流影响的浮式结构；和

附接到所述浮式结构上的至少一个运动抑制系统；

所述运动抑制系统包括调谐成第一频率的第一振荡水柱和调谐成第二频率的第二振荡水柱。

2.如权利1要求所述的系统，其特征在于：还包括附接到浮式结构上并且附接到水下结构上的连接件。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述连接件选自控制管缆、隔水管和链条束。

4.如权利要求1至3中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述至少一个运动抑制系统包括适于抑制所述浮式结构升沉的运动抑制系统。

5.如权利要求1至4中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述至少一个运动抑制系统包括适于抑制所述浮式结构俯仰的运动抑制系统。

6.如权利要求1至5中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述至少一个运动抑制系统包括适于抑制所述浮式结构摇摆的运动抑制系统。

7.如权利要求1至6中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述至少一个运动抑制系统包括适于抑制所述浮式结构摇摆的第一运动抑制系统、适于抑制所述浮式结构俯仰的第二运动抑制系统、和适于抑制所述浮式结构升沉的第三运动抑制系统。

8.如权利要求1至7中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述第一频率和所述第二频率为每分钟2至30个周期。

9.如权利要求1至8中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述第一频率和所述第二频率为每分钟3至20个周期。

10.如权利要求1至9中任一项或多项所述的系统，其特征在于：所述第一频率和所述第二频率为每分钟5至15个周期。

11.一种方法，包括：

将浮式结构置于水体中，所述水体包括波浪和/或水流；

将调谐到第一频率的第一振荡水柱附接到所述浮式结构上，所述第一振荡水柱的至少一部分位于水体中；

将调谐到第二频率的第二振荡水柱附接到所述浮式结构上，所述第二振荡水柱的至少一部分位于水体中。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：还包括将连接件附接到所述浮式结构上并且附接到水下结构上。

13.如权利要求11至12中任一项或多项所述的方法，其特征在于：所述第一频率和所述第二频率为每分钟2至30个周期。

14.如权利要求11至13中任一项或多项所述的方法，其特征在于：所述第一频率和所述第二频率为每分钟3至20个周期。

15.如权利要求11至14中任一项或多项所述的方法，其特征在于：所述第一频率和所述第二频率为每分钟5至15个周期。

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