CN107323618A - 一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合系泊定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合系泊定位系统，包括在不同水深位置刚性张力筋腱上串联浮筒，同一水深位置相邻浮筒之间采用横撑相连。张力筋腱顶端紧固连接上层平台，最下层浮筒底端通过斜向张紧式系泊连接在海底基础。浮筒为空心密闭环形圆柱体结构，浮筒外部设有可开关阀门用于调节单个浮筒排水量大小。本发明在刚性张力筋腱上串联多层浮筒，提高平台水平方向系泊刚度，增大垂向阻尼及附加质量力，因此可有效改善传统张力腿平台的运动性能，减小平台的纵横荡及垂荡响应幅度；同时可以抑制张力筋腱的涡激振动，使得平台可以在更深的勘探开采水域和更恶劣海况下工作。

Description

一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合 系泊定位系统

技术领域

本发明属于深海工程装备制造领域，具体为张力腿平台(TLP)串联多浮筒式混合系泊定位系统及其安装方法。

背景技术

随着全球能源需求量的不断增加，越来越多的深水以及超深水油气资源被勘探和开发，采用的钻采设备主要是不同类型的浮式平台，其中以张力腿平台、半潜式平台、浮式生产储油轮和柱式平台这四种最为常用。张力腿平台由甲板、立柱、下浮体、张力腿、立管和基础等几部分组成，是一种已经被广泛应用于世界深海油气工程中的半固定半顺应式平台。它通过平行且张紧的竖向张力腿系统与海底相连，保证了平台在纵、横摇和垂荡方向上的良好性能。而平台在纵、横荡和首摇方向上则具有顺应式平台的特征，以很大的惯性力来平衡外荷载，具有较好的运动响应效果。目前的在役张力腿平台就位水深大多为1000米以内，当平台就位水深更深、环境条件更恶劣时，平台纵、横荡及垂荡方向的运动就很难再满足生产的要求，这在很大程度上限制了张力腿平台在更深海域的应用。

张力筋腱系统是张力腿平台中最重要的子结构，其作用是为平台主体提供半刚性的顺应式约束，并最终将平台整体承受的荷载传递至海底锚固基础。同时，张力筋腱也是在张力腿平台生产过程中最易出现损伤和异常的子结构，疲劳、过载、导流罩破裂、锈蚀、应力松弛及锚头损坏等原因都将导致张力筋腱系统的损伤或异常。此外，随着工作水深的不断增加，上述原因引起的损伤会不断积累，并有可能对平台安全造成不可逆转的破坏，从而引发灾难性事故。

现有张力腿平台的张力筋腱系统主要有依据中性浮力理论设计的刚性钢管张力筋腱和多浮子式柔性钢缆张力筋腱两种，它们在超深水域均存在偏移量过大等不利现象，使得其就位水深一般需控制在1000米以下；如何应对更深海域的需求，设计更加安全可靠、经济合理的约束定位系统是张力腿平台走向超深水勘探开发遇到的主要问题。

发明内容

本发明针对张力腿平台的上述问题，提供一种水动力性能良好、可适应超深水域及恶劣海况条件的串联多浮筒式混合系泊定位系统。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合系泊定位系统，包括平台主体1、张力筋腱2、浮筒3、横撑4、海底基础5、排水阀门6、斜向张紧系泊7。

所述的平台主体1外壁的四个角点处布置四个紧固铰接支座与刚性钢管张力筋腱2的上端铰接，铰接方式可以释放浮筒在海流作用下对张力筋腱端部产生的弯曲应力，张力筋腱2的下端铰接在海底基础5上；张力筋腱2为刚性钢管。

所述的张力筋腱2上串联多层浮筒3，单根张力筋腱2沿浮筒3中轴线贯穿，并于浮筒3上下表面设置锚固装置固定浮筒相对于张力筋腱的位置，四根张力筋腱上共有4×n个浮筒，每层浮筒对应的水深相同；同层相邻浮筒3之间通过横撑4连接，横撑4为密闭的浮箱。张力筋腱上最下层浮筒3的底端与多根斜向张紧系泊7的上端相连，斜向系泊7的下端固定于海底基础5上，每个浮筒分配三根对称分布的斜向系泊，配置俯视图4如下所示。

所述的浮筒3为环形圆柱体结构，其顶部设有排水阀门6，用于调节浮筒3的排水量。浮筒3轴线处的钢管为张力筋腱，通过焊接的方式与浮筒3连接，起到传递荷载的作用。

该用于超深水作业的串联多浮筒式混合系泊定位系统能够保证平台主体1的水平位移小于水深的5％。

本发明的有益效果为：1)在刚性张力筋腱上避开波浪能量集中区域串联多层浮筒，因此可有效改善传统张力腿平台的运动性能，减小平台的纵横荡及垂荡响应幅度，使得平台可以在更深的勘探开采水域和更恶劣海况下工作；2)由于其浮筒、连接装置等构件结构简单，同时可根据需要进行拆卸和重复利用，较好地控制了张力筋腱结构的建造成本；3)考虑到张力筋腱与浮筒上下表面的连接问题，浮筒宜采用空心密闭环形圆柱体；相比直接采用空心圆柱体在连接处进行焊接或栓接(连接处可能由于疲劳效应造成破坏而漏水)具有安装方便、密闭防水性好等优点；4)分层布置浮筒可提高张力筋腱定位系统的回复刚度，同时减小张力筋腱的涡激振动问题。5)横撑采用密闭的浮箱构成，可以提供一定的浮力，同时浮箱还可以起到稳定各张力筋腱的相对空间位置，抑制平台主体垂向运动的作用。6)斜向张紧式系泊能够有效地提供水平回复荷载，有效地控制下部串联浮筒的运动。

附图说明

图1是本发明的串联多浮筒式混合系泊定位系统的示意图；

图2是本发明的浮筒与张力筋腱、横撑连接的侧视示意图；

图3是本发明的浮筒与张力筋腱、横撑连接的俯视示意图；

图4是本发明斜向张紧系泊的布置示意图

图中：1平台主体；2张力筋腱；3浮筒；4横撑；5海底基础；6排水阀门；7斜向张紧系泊。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

如图1、2所示，平台主体1外壁的四个角点处布置四个紧固铰接支座与刚性钢管张力筋腱2的上端铰接，张力筋腱2的下端铰接在海底基础5上；在张力筋腱上串联多层浮筒3，四根张力筋腱上共有4×n个浮筒，每层浮筒对应的水深相同；同层相邻浮筒3之间以密闭的浮箱相连，密闭的浮箱也即横撑4；浮筒3采用环形圆柱体结构，在其顶部设有排水阀门6，用于调节浮筒的排水量，浮筒轴线处的钢管为一小段张力筋腱，通过焊接的方式与浮筒连接，起到传递荷载的作用；最下层浮筒底端与多根斜向张紧系泊7的上端相连，斜向系泊7的下端固定于海底基础5上。浮筒形状采用水动力性能良好的空心密闭环形圆柱体结构，采用优质钢板焊接而成，并在浮筒外部设有可开关阀门用于调节单个浮筒排水量大小。

某张力腿平台串联浮筒混合系泊后的水动力模型基于ANSYS和AQWA软件建立，平台立柱直径16m，立柱间中心距50m，下浮体长宽高分别为34m×7m×8m，张力筋腱直径1m，平台整体排水1.87万吨，工作水深1000m，用来说明本发明的使用方法及步骤，在风、浪、流联合作用下经过多次模拟，发现串联浮筒后的张力筋腱结构可以有效的改良张力腿平台的性能，纵荡、垂荡以及纵摇响应有了明显的减小。

串联多浮筒式混合系泊定位系统的具体安装步骤如下：

步骤1.在海面上设有一艘安装船，所述安装船上堆放有分段预留的钢管张力筋腱；

步骤2.同时安装四根张力筋腱，当所有张力筋腱安装深度达到指定要求时安装套有浮筒的张力筋腱段，其中横撑和浮筒的连接工作在水面上完成；在浮筒上下表面与张力筋腱结合处设置锚固装置用于约束浮筒位置；

步骤3.继续进行剩余张力筋腱段的安装工作；完成所有张力筋腱的安装工作后，在其水面处安装浮块及分离锁；

步骤4.当所有张力筋腱安装完毕后，增添斜向张紧式系泊，并将平台主体牵拉至指定位置，逐一拆除浮块，将张力筋腱上端与浮箱下端铰接，通过张紧器逐渐收紧张力筋腱，使平台下沉至所需的工作水深。

从下表可以看出：附加浮筒前后，平台纵荡响应极值从101.15m减小到79.32m，垂荡响应极值从4.878m，减小到3.24m，纵摇从0.402°略增加到0.452°，这表明附加浮筒能够明显减小平台的纵荡(减小21.58％)和垂荡(减小33.58％)的极值响应，而平台的纵摇会略有增加。同时也表明张力腿平台在满足偏移量要求的工况下，可以在更深水域开展油气资源勘探开采工作。

表1平台运动响应统计值

上述各项实施例仅用于本发明，其中刚性钢管串联浮筒的结构形式，串联浮筒的组数、斜向系泊位置等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合系泊定位系统，其特征在于，所述的串联多浮筒式混合系泊定位系统包括平台主体(1)、张力筋腱(2)、浮筒(3)、横撑(4)、海底基础(5)、排水阀门(6)、斜向张紧系泊7；

所述的平台主体(1)外壁的四个角点处布置四个紧固铰接支座与张力筋腱(2)的上端铰接，张力筋腱(2)的下端铰接在海底基础(5)上；

所述的张力筋腱(2)上串联多层浮筒(3)，每层浮筒对应的水深相同，同层相邻浮筒(3)之间通过横撑(4)连接，张力筋腱(2)沿浮筒(3)中轴线贯穿，通过焊接方式固接；张力筋腱上最下层浮筒(3)的底端与三根对称分布的斜向张紧系泊7的上端相连，斜向系泊7的下端固定于海底基础(5)上；

所述的浮筒(3)为环形圆柱体结构，其顶部设有排水阀门(6)，用于调节浮筒(3)的排水量。

2.根据权利要求1所述的一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合系泊定位系统，其特征在于，所述的张力筋腱(2)为刚性钢管。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于超深水作业的新型张力腿平台的串联多浮筒式混合系泊定位系统，其特征在于，所述的横撑(4)为密闭的浮箱。