CN103439082A

CN103439082A - 新型浮式海上多功能试验平台

Info

Publication number: CN103439082A
Application number: CN2013103790981A
Authority: CN
Inventors: 王立忠; 白勇; 沈侃敏; 曹宇; 钱淼华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: CN103439082B

Abstract

本发明提供了一个新型的浮式海上试验平台。包括浮式平台和配套的海洋系泊系统，浮式平台包括浮体结构、立柱、干舷甲板、下甲板和上甲板，试验平台中部设有矩形月池，月池上方布置有井架和设置在井架上的电动葫芦，所述海洋锚泊系统包括海军用单侧锚机和锚链，所述上甲板上设置有甲板室，所述上甲板右舷处安装有液压回转起重机，所述试验平台还设置了流速流向仪，所述甲板室内又设置有主控室，主控室内安装有数据采集装置、3G无线传输设备、压载舱控制面板及计算机。本发明能够为各类海洋科学试验提供一个位于自然海域的试验平台，能够为海洋工程各个领域的发展提供珍贵的现场试验数据，对于发展海洋工程有巨大的促进与推动作用。

Description

新型浮式海上多功能试验平台

技术领域

本发明涉及海上浮式平台试验设备技术领域，特别涉及海上多功能试验平台。

背景技术

二十一世纪全球油气资源勘探开发的重点目标在海洋，而未来油气总储量的44%将来自海洋的深水区。我国沿海海域面积辽阔，海岸线较长，大陆架面积广阔，蕴藏着丰富的海洋油气资源，渤海、黄海、东海及南海都为大面积沉积盆地，石油资源达400亿吨以上，天然气15万亿立方米，尤其是南海，探明储量约70亿吨，与波斯湾、墨西哥湾、北海并称世界四大海洋油气聚焦中心，是我国当前油气开发的重要前沿阵地，是深海资源开发的热点。

作为海上油气田开发的重要设施，浮式海洋平台起着举足轻重的作用。浮式平台长期作业于海上，受到复杂的海洋环境作用，如海风、波浪、洋流、地震等环境动力荷载与作用，其运动响应大小直接影响平台钻井、生产安全，因此浮式平台运动响应是浮式平台研究和设计的重点。传统的模型试验在室内水池进行，只能模拟短期内海洋的波浪载荷或者水流载荷，不能替代海洋中真实的长期风浪流共同作用。并且传统的海洋平台室内模型试验的缩尺比约为1/60-1/70，无法在相近比尺内模拟环境荷载下的真实海洋平台的动力响应。另外，因为平台的动力特性与其自身的锚泊方式、平台负载以及环境特征有很大的关联，目前世界上尚无有效的方法可以在复杂的海洋环境下同时改变几个影响因素来取得实时的动力响应。

海底管线的安全铺设也是海洋油气工程中的重要环节之一。深海中管道的铺设受到复杂的风、浪、流等环境因素的影响，管道与海床的相互作用也更加复杂，管道表现出强烈的非线性动力特性。因此，深海复杂荷载环境下管道的动力响应是当前国内外研究的重点与未来的发展方向。相关的理论研究与数值模型的建立需要大量可靠而详尽的试验数据来加以验证和优化。相比于室内模型试验，在自然海域当中进行的现场原型试验不受模型比尺造成的误差影响，有着准确而可靠的优势。

同时，水下生产系统以及海底观测网络、海洋生物科学也是海洋工程发展的重要方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一个新型的浮式海上试验平台。在该试验平台上可以开展原型的、真实条件下、无比尺效应的试验研究，得到工程中可以直接应用的试验结果。可以开展的试验包括：(1) 自然海域中风浪流的测定；(2) 浮式平台和系泊系统的动力响应测试；(3)海底管道安装试验；(4)水下生产系统安装试验；(5)海底土质勘探、海洋环境测试等。其中动力响应与安装试验功能需要以风浪流等环境数据的测量为基础，才能得到切实有效的试验数据。而锚泊方式、平台负载、海洋环境等因素的耦合是世界上其他的试验设备都无法做到的。

为此，本发明采用以下技术方案：包括浮式平台和配套的海洋系泊系统，所述浮式平台包括浮体结构、立柱、干舷甲板、下甲板和上甲板，所述浮体结构包括压载舱和空舱，平台结构各部分之间采用高强度、高防水要求的焊接技术进行连接，

所述试验平台中部设有矩形月池，月池上方布置有井架和设置在井架上的电动葫芦，电动葫芦上长期吊装有试验管道和水下生产系统，其特征在于管道及水下生产系统穿过浮式平台的月池进入下方的自然海域进行长期试验，

所述海洋锚泊系统包括海军用单侧锚机和锚链，其中锚链上设置有角度传感器和张力传感器，角度传感器用于采集锚链在导缆孔处的角度变化数据，张力传感器用于采集锚链顶端的张力；

所述上甲板上设置有甲板室，所述甲板室顶板上还设置有风速风向仪，上甲板四个角位置设置了加速度传感器，风速风向仪以螺栓或焊接方式与甲板室顶板相连接，所述风速风向仪距离甲板室顶1.22m以上，用于采集试验平台所处的水域的实时风速、风向数据；上甲板的四个角上通过高强度胶水或者焊接的形式还设置有加速度传感器，用于采集试验平台所处水域实时的平台动力响应数据；

所述上甲板右舷处安装有液压回转起重机，起重机基座穿过下甲板与平台主结构相连，起重臂长度与上甲板长度相当，起重臂可以再0°~75°范围内俯仰，进行试验设备的吊装；

所述试验平台还设置了流速流向仪，流速流向仪的基座以焊接形式连接在平台干舷甲板以下，并通过缆线连接吊装至平台基线以下放置于自然海域当中，用于采集实验平台所处水域的水流速度及流向数据；

所述甲板室内又设置有主控室，主控室内安装有数据采集装置、3G无线传输设备、压载舱控制面板及计算机，所述数据采集装置采集自加速度传感器、角度传感器、张力传感器、风速风向仪、流速流向仪所传来的实时数据，并汇集传输到计算机上，计算机通过3G无线传输设备可将所有的数据传输到岸上的接收设备，从而实现远距离的数据采集工作。

在采用以上技术方案的基础上，本发明还可以采用以下进一步方案：

上甲板面积超过100㎡，与真实半潜式平台的比尺为1/5，并放置于自然海域进行试验。

井架上的电动葫芦可以沿着井架水平移动，上甲板于井架下方位置设置有垂直于井架轴向的轨道，井架可沿着轨道水平移动，并配合电动葫芦的吊钩的上下移动，完成吊装的试验设备的三向自由移动并固定。

液压回转起重机的起重臂长度等于所述试验平台长度，并且可以上下俯仰和左右旋转，从平台上甲板面的任意位置吊装试验设备。

吊装的管道于自然海域当中进行长期的动力荷载响应试验，电动葫芦吊钩下方连接管道处设置力传感器采集管道顶端荷载，管道内外壁分别设置应变和温度传感器采集管道的变形和温度。

所述海洋锚泊系统还包括导链轮、制链器及独立动力刹车装置，通过收放锚链可以控制锚泊半径及锚链张力。

所述每根锚链于导缆孔位置均设置了角度传感器和张力传感器，角度传感器用于采集锚链伸出平台的角度，张力传感器用于采集锚链顶部的张力。

所述压载舱位于最下层浮体内，相应的压载水泵位于压载舱与干舷甲板之间，压载舱配备有压载水舱液位测量系统和压载控制系统，压载水舱液位测量系统采用压力式液位传感器，将压载舱底部的水压力数据通过控制模块处理转化成压载舱内液位水深数据以后，可以在主控室内的压载舱控制面板上读取每个压载水舱的液位参数；压载控制系统主要依靠驱动软件来对每个阀和泵分别遥控，对压载泵控制其开闭来确定抽水还是压水进舱，对流量调节阀可控制其开度来调节压载泵抽水的流量，通过控制模块和计算机可以保持或调整压载舱的液位，从而改变浮式平台整体的吃水和倾斜。

所述试验平台在上主控室外壁上设置了基于彩色日用摄像头和3G无线网络的远程视频监控系统及视频监控系统无线传输设备，在无人值守情况下可以在岸上进行远距离监控，保证浮式平台上试验设备和平台自身的安全。

所述主控室内还包括电源装置及配电系统，所述配电系统包括发电机组、UPS不间断电源和电控台，为数据采集器、计算机、3G无线传输设备和视频监控设备运行提供电源。

本发明通过试验平台上甲板室顶布置的风速风向仪、基线以下布置的流速流向仪获得自然海域当中的风浪流数据，并通过数据采集仪传输到控制台；通过平台甲板四个角上的加速度传感器，获得平台受到风浪流荷载时的动力响应，并通过数据采集仪传输到控制台；通过平台锚链上布置的角度传感器和张力传感器，获得锚链的顶端倾角和张力，获得系泊系统受到风浪流荷载时的动力响应，并通过数据采集仪传输到控制台；通过控制锚机收放锚链改变平台的锚泊半径和锚链张力，通过遥控压载泵调整平台的吃水和倾斜，从而改变平台的水动力学特性得到不同情况下的动力响应；在进行海底管道安装试验和水下安装系统试验时，将管道或水下安装系统用起重机吊到井架下方，然后用电动葫芦吊装后沿井架移动到月池上方进行固定，并配置相应的传感器，通过电动葫芦吊钩下面安装的力传感器和管道内外壁安装的应变、温度传感器，获得管道顶端力、应变和温度，并通过数据采集仪传输到控制台。以上试验数据均能通过无线传输设备传送到岸上的接收设备，完成数据的采集和处理工作。

由于采用本发明的技术方案，本发明具备以下功能：(1) 自然海域中风浪流的测定；(2) 不同荷载、锚泊和吃水情况下浮式平台动力响应测试；(3)海底管道安装试验；(4)水下生产系统安装试验。本发明能够为各类海洋科学试验提供一个位于自然海域的试验平台，能够为海洋工程各个领域的发展提供珍贵的现场试验数据，对于发展海洋工程有巨大的促进与推动作用。

附图说明

图1 是本发明的总布置侧视图。

图2是本发明的总布置尾视图。

图3是本发明的甲板室顶布置图。

图4是本发明的甲板平面布置图。

图5是本发明管道安装试验示意图。

图6是本发明锚设备示意图。

图7是本发明压载泵设备示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明包括浮式平台和配套的海洋系泊系统，所述浮式平台包括浮体结构、干舷甲板20、下甲板21、上甲板22以及上甲板上的甲板室，上甲板面积超过100㎡，与真实半潜式平台的比尺为1/5，并放置于自然海域进行试验。

所述浮体结构包括压载舱200和空舱，上甲板22和下甲板21为矩形，所述平台中部设有矩形月池50，上甲板22上设置有液压回转起重机1。液压回转起重机的起重臂101长度等于所述试验平台长度，并且可以上下俯仰和左右旋转，从平台上甲板面的任意位置吊装试验设备。

月池50上方设置有井架2，所述井架2顶部配设有可沿井架移动的电动葫芦3，井架2的底部配设有可供井架2滑动和固定的轨道4，井架上的电动葫芦可以沿着井架水平移动，上甲板于井架下方位置设置有垂直于井架轴向的轨道，井架可沿着轨道水平移动，并配合电动葫芦的吊钩的上下移动，完成吊装的试验设备的三向自由移动并固定。电动葫芦3连接有管道吊装装置31，管道吊装装置连接有管道102；吊装的管道于自然海域当中进行长期的动力荷载响应试验，电动葫芦的吊钩下方连接管道处设置力传感器采集管道顶端荷载，管道内外壁分别设置应变和温度传感器采集管道的变形和温度。

图1、图2和图5中附图标记30为水位线。所述压载舱200内配置有压载泵及相应的液位遥测和压载控制系统，压载舱200位于最下层浮体内，相应的压载水泵位于压载舱与干舷甲板之间，通过计算机和压载控制系统的控制模块可以控制压载舱内的液位变化从而改变平台整体的吃水和倾斜，改变平台的水动力学特性；

所述甲板室顶板上还设置有风速风向仪10，上甲板四个角位置设置了加速度传感器，风速风向仪以螺栓或焊接方式与甲板室顶板相连接，上甲板的四个角上通过高强度胶水或者焊接的形式还设置有加速度传感器，所述风速风向仪距离甲板室顶1.22m以上。

所述甲板室内又设置有主控室100，主控室100内安装有数据采集装置、3G无线传输设备、压载舱控制面板及计算机，所述数据采集装置采集自加速度传感器、角度传感器、张力传感器、风速风向仪10、流速流向仪9所传来的实时数据，并汇集传输到计算机上，计算机通过3G无线传输设备可将所有的数据传输到岸上的接收设备，从而实现远距离的数据采集工作。进一步的，主控室100外壁上设置了基于彩色日用摄像头和3G无线网络的远程视频监控系统及视频监控系统无线传输设备，在无人值守情况下可以在岸上进行远距离监控，保证浮式平台上试验设备和平台自身的安全。所述主控室100内还包括电源装置及配电系统，所述配电系统包括发电机组、UPS不间断电源和电控台，为数据采集器、计算机、3G无线传输设备和视频监控设备运行提供电源。

所述上甲板右舷处安装有液压回转起重机1，起重机基座穿过下甲板21与平台主结构相连，起重臂101长度与上甲板长度相当，起重臂可以再0°~75°范围内俯仰，进行试验设备的吊装；平台干舷甲板下以焊接形式设置有流速流向仪9，它通过缆线吊装至平台基线以下，并置于自然海域中采集所处水域的水流速度和流向数据。

所述海洋系泊系统包括海工用单侧锚机、锚链、导链轮、制链器及独立动力刹车装置，通过收放锚链可以完成锚链的预张工作、改变试验平台的锚泊半径及锚链张力。海洋系泊系统的锚体可采用吸力锚或抓力锚，锚链可采用船用无挡锚链。

通过本发明的技术设备，本发明可以完成以下试验：

1) 风浪流的测定试验。通过安装在于基线以下的流速流向仪9和安装在平台甲板室顶板位置的风速风向仪10获得平台所处的自然水域的实时风速、风向、流速、流向数据，并通过数据采集仪传输到主控室内的计算机14。

2) 平台和系泊系统动力响应测试。安装在平台甲板上的四个加速度传感器11可以采集实时的平台动力响应数据，在每根锚链上安装的角度传感器12和张力传感器13可以采集运动过程中系泊系统每根锚链的动力响应，并通过数据采集仪传输到主控室内的计算机14上。所有的运动响应数据必须对应实时的风浪流环境数据和平台的锚泊情况和荷载情况，才能进行分析。

3) 压载舱内配置有压载泵7及相应的远距离压载水舱液位测量和压载控制系统，如图7所示，可以通过主控室内的电脑监测压载舱内液位变化，并根据平台吃水深度要求控制压载泵抽水或者压水，调节压载舱内的液位，以满足动力响应试验或者管道安装试验所要求的不同平台吃水深度和倾斜度，进行相应的试验。

4) 试验平台的系泊系统配备了海工用单侧电动锚机5并配四套独立动力刹车装置以及导缆孔与导链轮6，锚链及导缆孔处的布置见图6。通过收放锚链可以完成锚链的预张工作，也可以在动力响应试验当中根据试验要求改变平台每根锚链的锚泊半径和锚链张力，以满足不同的试验要求。

5) 所述锚链上于导链轮6处设置有角度传感器12和张力传感器13，角度传感器12用于采集锚链的锚链伸出平台的角度变化数据，张力传感器13用于采集锚链的顶端张力变化数据，再传输到主控室的数据采集仪，由数据采集仪传输到计算机14。

6) 液压回转起重机1安装于平台上甲板右舷处，其基座穿过下甲板与平台主结构相连，起重臂101长度与上甲板长度相等，可以用于吊装管道、水下安装设备。通过液压回转起重机1的起重臂的俯仰和旋转，起重机的作业范围可以覆盖平台的整个甲板面，如图3所示。在进行管道安装试验时，用起重机将管道吊起，吊装至月池上方，然后固定在井架2的电动葫芦3上。

7) 月池50上方的井架2可以沿轨道滑动，如图4所示，当移动到需要的位置时，利用轨道上的固定装置进行固定，确保井架在试验过程当中不发生移动。

8) 井架2上的电动葫芦可以沿井架移动，如图4所示，通过井架自身的滑动和电动葫芦的移动，达到沿着甲板平面进行二维移动的效果。配合电动葫芦的吊钩上下移动，可以完成吊装试验设备的三维移动。

9) 在试验进行时，电动葫芦3上吊装的管道通过月池50放置到下方的自然海域当中，如图5所示，使其长期遭受到与工程实践中完全相同海况，并安装有相应的测量设备，电动葫芦吊钩下面安装的力传感器8，管道内外壁安装的应变传感器9和温度传感器10，来测量顶端的荷载变化以及海底管道实际安装使用时的变形和温度，从而得到真实可靠的实时数据，并由数据采集仪14收集。

10) 所述上甲板上又设置有主控室100，主控室100内安装有数据采集装置、无线传输设备、压载舱控制面板及计算机14，所述数据采集装置采集自力传感器、应变传感器、温度传感器、加速度传感器11、风速风向仪10、流速流向仪9所传来的实时数据，并汇集传输到计算机上；压载舱控制面板用于监测并调节压载舱内的液位。试验测得的所有数据都可以由数据采集仪和计算机14经过无线传输设备15传输到岸上的接收设备上，以满足试验平台无人值守状态下长期的试验要求。

试验平台在上主控室外壁上设置了远程视频监控系统及视频监控系统无线传输设备，在无人值守的情况下，岸上人员可以通过远程视频监控系统9和无线传输设备15获得平台的位置和运动情况，能够满足日常监控和记录数据的要求，并且在风暴情况下保证平台的安全。

Claims

1.新型浮式海上试验平台，包括浮式平台和配套的海洋系泊系统，所述浮式平台包括浮体结构、立柱、干舷甲板、下甲板和上甲板，所述浮体结构包括压载舱和空舱，平台结构各部分之间采用高强度、高防水要求的焊接技术进行连接，

2.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于上甲板面积超过100㎡，与真实半潜式平台的比尺为1/5，并放置于自然海域进行试验。

3.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于井架上的电动葫芦可以沿着井架水平移动，上甲板于井架下方位置设置有垂直于井架轴向的轨道，井架可沿着轨道水平移动，并配合电动葫芦的吊钩的上下移动，完成吊装的试验设备的三向自由移动并固定。

4.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于液压回转起重机的起重臂长度等于所述试验平台长度，并且可以上下俯仰和左右旋转，从平台上甲板面的任意位置吊装试验设备。

5.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于吊装的管道于自然海域当中进行长期的动力荷载响应试验，电动葫芦吊钩下方连接管道处设置力传感器采集管道顶端荷载，管道内外壁分别设置应变和温度传感器采集管道的变形和温度。

6.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于所述海洋锚泊系统还包括导链轮、制链器及独立动力刹车装置，通过收放锚链可以控制锚泊半径及锚链张力。

7.根据权利要求1或6所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于所述每根锚链于导缆孔位置均设置了角度传感器和张力传感器，角度传感器用于采集锚链伸出平台的角度，张力传感器用于采集锚链顶部的张力。

8.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于所述压载舱位于最下层浮体内，相应的压载水泵位于压载舱与干舷甲板之间，压载舱配备有压载水舱液位测量系统和压载控制系统，压载水舱液位测量系统采用压力式液位传感器，将压载舱底部的水压力数据通过控制模块处理转化成压载舱内液位水深数据以后，可以主控室内的压载舱控制面板上读取每个压载水舱的液位参数；压载控制系统主要依靠驱动软件来对每个阀和泵分别遥控，对压载泵控制其开闭来确定抽水还是压水进舱，对流量调节阀可控制其开度来调节压载泵抽水的流量，通过控制模块和计算机可以保持或调整压载舱的液位，从而改变浮式平台整体的吃水和倾斜。

9.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于所述试验平台在上主控室外壁上设置了基于彩色日用摄像头和3G无线网络的远程视频监控系统及视频监控系统无线传输设备，在无人值守情况下可以在岸上进行远距离监控，保证浮式平台上试验设备和平台自身的安全。

10.根据权利要求1所述的新型浮式海上试验平台，其特征在于所述主控室内还包括电源装置及配电系统，所述配电系统包括发电机组、UPS不间断电源和电控台，为数据采集器、计算机、3G无线传输设备和视频监控设备运行提供电源。