CN110422297B

CN110422297B - 一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置

Info

Publication number: CN110422297B
Application number: CN201910735648.6A
Authority: CN
Inventors: 魏东泽; 徐欣霞; 顾恩凯; 林斐; 陈鹏宇
Original assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Current assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: CN110422297A

Abstract

一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，包括上部平台结构，所述上部平台结构下方通过立柱连接有下部浮体，其特征为，所述立柱上设有通过改变周边的流场来降低平台发生垂荡运动的垂荡抑制机构。本发明的一种垂荡抑制机构，该垂荡抑制机构为设在立柱且与立柱形成一定夹角的可伸展环形垂荡板和电动绞绳机，所述电动绞绳机上设有钢丝绳与可伸展环形垂荡板连接。具有主动控制功能，通过调整质量体的振动频率，使其振动频率始终保持在半潜式平台结构频率附近，达到更好的抑振作用。

Description

一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置

技术领域

本发明涉及一种半潜式平台垂荡运动的抑制控制装置，属于海洋技术装备技术领域。

背景技术

随着海上石油开发不断向深水迈进，半潜式平台凭借其机动性能好、工作水深大、恶劣海况适应性强等优势，已成为海洋油气开发的主力平台型式。它的主要构造包括平台本体、立柱和下体(或浮箱)，平台和立柱之间设有支撑构件增加整体刚性。它的结构固有振动周期较大，各个方向的运动周期也较大，横摇和纵摇周期约为30-60秒，纵荡、横荡及艏摇周期也普遍大于100秒，能够有效防止与波浪频率发生共振。但是，由于吃水较浅，半潜式平台的垂荡运动响应较大，对立管的疲劳损伤较大，同时垂荡响应运动固有周期靠近波浪的能量周期，所以垂荡运动较其他自由度响应在常规海况下更容易发生共振，这对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出了更高要求，增大了作业和维护成本。

目前对于半潜式平台的垂荡控制技术和装置应用成果不多，部分研究者探索用固定式垂荡板来抑制垂荡运动，这种方法能在一定程度上得到抑制效果，但对不同海域的适应能力较差，而且增加的附加质量较小，抑制效果有限。研究半潜式平台垂荡运动控制技术有较高的应用价值，是目前各界研究的热点之一。

发明内容

本发明针对上述问题提出了一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，本申请通过采用改变平台垂荡固有周期和周边流场来降低平台发生垂荡运动，来达到更好地抑振效果。

具体的技术方案如下：

一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，包括上部平台结构(100)，所述上部平台结构(100)下方通过立柱(200)连接有下部浮体(400)，其特征为，所述立柱(200)上设有通过改变平台垂荡固有周期和立柱(200)周边流场来降低平台发生垂荡运动的垂荡抑制机构。

本发明的一种垂荡抑制机构，该垂荡抑制机构为设在立柱(200)上且与立柱形成一定夹角的可伸展环形垂荡板(300)和电动绞绳机，所述电动绞绳机上设有钢丝绳(305)与可伸展环形垂荡板(300)连接。

优先地，所述可伸展环形垂荡板(300)包括多个互相连接的环形抑制圈(304)，其中：环形抑制圈(304)的内表面均布设有筋条(308)，环形抑制圈(304)的外部设有供对应得筋条(308)插入使环形抑制圈(304)之间相互连接的插入槽道(307)。

优先地，所述插入槽道(307)设有滚珠。

优先地，所述环形抑制圈(304)的上端设有上限位块(301)、下端设有下限位块(306)。

优先地，所述可伸展环形垂荡板(300)底部与立柱(200)的连接方式为铰接。

本发明的另一种垂荡抑制机构，该所述主动调谐质量阻尼器控制结构包括动力系统、调谐控制系统(500)、阻尼系统、弹簧系统(600)、可变质量浮体(700)，其中：阻尼系统通过利用可变质量浮体周围的水体形成，可变质量浮体(700)套在立柱(200)上，所述可变质量浮体(700)通过弹簧系统(600)与上部平台结构(100)连接，上部平台结构(100)上设有调谐控制系统(500)。

优先地，所述可变质量浮体(700)上安装有连接口(701)，所述连接口(701)上连接出入水管道与上部平台结构(100)的水泵连接。

本发明的有益效果为：

采用第一种实施方式优点如下：1)垂荡板可根据平台作业海况调节伸展长度，更好的破坏柱体后方的涡旋发放，达到更好的抑振作用；2)垂荡板倾角可调整，垂荡板与主体保持小于90°的夹角，这个角度也可以根据需要进行机械调整，在平台垂荡运动时，垂荡板包裹的水体相当于增加了平台附加质量，从而改变平台垂荡固有周期和流场，使其更加有效地避开波浪能量集中的周期范围；3)垂荡板可以根据需要设置多层，更好地达到抑振效果。

采用第二种实施方式优点如下：1)具有主动控制功能，通过调整质量体的振动频率，使其振动频率始终保持在半潜式平台结构频率附近，达到更好的抑振作用；2)质量体采用可变质量的浮体结构，可以根据半潜式平台作业水域的外部荷载情况调节浮体质量，从而改变平台垂荡固有周期，使其更加有效地避开波浪能量集中的周期范围；3)可变质量浮体附于平台柱体，通过上下简谐振动可以切割周边水体，改变柱体周围流场状态，破坏柱体后方的涡旋发放，进而减少平台的涡激运动。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构图；

图2为可伸展环形垂荡板放大图；

图3为可伸展环形垂荡板截面图；

图4为实施例2的结构图；

图5为实施例2立柱的结构图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。

实施例1

如图1-3所示，一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，包括上部平台结构(100)，所述上部平台结构(100)下方通过立柱(200)连接有下部浮体(400)，所述立柱(200)上设有通过改变平台垂荡固有周期和立柱(200)周边流场来降低平台发生垂荡运动的垂荡抑制机构。

该垂荡抑制机构为设在立柱(200)上且与立柱形成一定夹角的可伸展环形垂荡板(300)和电动绞绳机，所述电动绞绳机上设有钢丝绳(305)与可伸展环形垂荡板(300)连接。电动绞绳机是安装在上部平台结构(100)上面的。上述可伸展变倾角的垂荡板结构，它的主要功能是破坏柱体周边流场，减少平台流致涡激运动，特别是垂荡运动。

同时，可伸展环形垂荡板(300)底部与立柱(200)的连接方式为铰接，这样通过平台的控制系统控制电动绞绳机带动钢丝绳(305)上下运动根据需要调节可伸展环形垂荡板(300)的伸展长度和倾斜角度，以此控制平台周边流场状态和附加质量，使半潜式平台垂荡运动频率脱离常见波浪频率，达到降低平台振动的作用。

通过控制可伸展环形垂荡板(300)的伸展长度适应不同的工作环境，改变主体周围的流场，减少涡旋发放引起的垂荡运动。同时，还能利用垂荡板包裹空间内的水体质量变相增加平台的附加质量，提高附加阻尼，以此降低垂荡运动响应。

垂荡板采用环状结构，但是并不与柱体(200)完全垂直，而是保持一定的夹角，夹角也可以通过控制系统进行调整，这个夹角可以根据需要设置成45°、60°或其他角度，主要是为了形成一个碗状，包裹周边水体。当整个平台上下做垂荡运动时，垂荡板包裹的水体一起运动，相当于增加了平台的质量，增大了垂荡方向上的阻尼，以此调节整个系统的振动频率，使平台系统垂荡周期远离波浪周期。

可伸展环形垂荡板(300)包括多个互相连接的环形抑制圈(304)，其中：环形抑制圈(304)的内表面均布设有筋条(308)，环形抑制圈(304)的外部设有供对应得筋条(308)插入使环形抑制圈(304)之间相互连接的插入槽道(307)。环形抑制圈(304)的个数或者间距可以根据需要确定，综合考虑抑制作用的效果和成本。垂荡板伸展的幅度不同，对周边流场的干扰能力也不同，可以根据平台作业环境，特别是水流特点确定伸展长度，能够使半潜式平台适应更多的作业环境。

为了便于在调节时多个环形抑制圈(304)自由运动不卡顿，插入槽道(307)设有滚珠来减少摩擦系数，使筋条(308)在插入槽道(307)快速运动来完成收张。

环形抑制圈(304)的上端设有上限位块(301)、下端设有下限位块(306)，上下限位块的目的是为了限定筋条(308)在插入槽道(307)的位移距离，防止筋条(308)脱离插入槽道(307)。

实施例2

如图4-5所示，一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，包括上部平台结构(100)，所述上部平台结构(100)下方通过立柱(200)连接有下部浮体(400)，所述立柱(200)上设有通过改变平台垂荡固有周期和立柱(200)周边流场来降低平台发生垂荡运动的垂荡抑制机构。

所述垂荡抑制机构为主动调谐质量阻尼器，该所述主动调谐质量阻尼器包括动力系统、调谐控制系统(500)、阻尼系统、弹簧系统(600)、可变质量浮体(700)，其中：阻尼系统通过利用可变质量浮体周围的水体形成，可变质量浮体(700)套在立柱(200)上，可变质量浮体(700)的内径大于立柱(200)外径，使两者之间存在间隙。所述可变质量浮体(700)通过弹簧系统(600)与上部平台结构(100)连接，上部平台结构(100)上设有调谐控制系统(500)。

调谐控制系统(500)可变质量浮体(700)上安装有连接口(701)，所述连接口(701)上连接出入水管道与上部平台结构(100)的水泵连接。

调谐控制系统(500)控制水泵为可变质量浮体(700)冲水和吸水，来调节可变质量浮体(700)的质量，可变质量浮体(700)在水下通过周边水流的带动进行晃动，质量不同晃动的频率不同，通过振动频率调整至半潜式平台结构频率附近，改变周边的流场，改变平台结构共振特性，以达到减震作用。

上述动力系统主要是为主动调谐质量阻尼器提供动力，以此控制ATMD的振动频率，使阻尼系统的振动频率始终与半潜式平台固有频率保持一致，达到降低平台振动的作用。动力系统可以利用半潜式平台日常工作动力提供，如柴油动力系统或液压动力系统等。

上述调谐控制系统主要包括一套自动控制系统，由监测系统、传输系统、反馈系统等组成，主要功能是自动控制ATMD系统的振动频率。此处为现有技术，在此不再赘述。

上述阻尼系统主要是利用可变质量浮体周围的水体组成，当可变质量浮体在动力系统的控制下作简谐运动时，周围水体会对浮体产生阻尼力，消耗浮体的能量，以此达到吸振的功能。

上述弹簧系统主要由多个弹簧组成，它的主要作用是连接平台上部结构和可变质量浮体，使整个系统形成质量-弹簧-阻尼系统。

上述可变质量浮体采用可充水浮体结构，浮体上设有连接口(701)，当需要充水和吸水时可以通过平台上部的水泵进行冲水和吸水。通过冲水和吸水可以改变整个浮体的质量，相当于增加了半潜式平台的附加质量，增大了垂荡方向上的阻尼，以此调节整个系统的振动频率。可变质量的浮体可以使半潜式平台适应不同的外部荷载环境，根据波浪的周期特点调节浮体内的充水量，使整个平台系统垂荡周期远离波浪周期。同时，浮体运动的时候可以切割周边水体，破坏流场状态，来周边的流场，特别是破坏平台柱体后方的涡旋发放，达到减少平台涡激运动的效果。

Claims

1.一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，包括上部平台结构(100)，所述上部平台结构(100)下方通过立柱(200)连接有下部浮体(400)，其特征为，所述立柱(200)上设有通过改变平台垂荡固有周期和立柱(200)周边流场来降低平台发生垂荡运动的垂荡抑制机构；

所述垂荡抑制机构为设在立柱(200)上且与立柱形成一定夹角的可伸展环形垂荡板(300)和电动绞绳机；所述电动绞绳机上设有钢丝绳(305)与可伸展环形垂荡板(300)连接；所述可伸展环形垂荡板(300)包括多个互相连接的环形抑制圈(304)，其中：环形抑制圈(304)的内表面均布设有筋条(308)，环形抑制圈(304)的外部设有供对应得筋条(308)插入使环形抑制圈(304)之间相互连接的插入槽道(307)；所述可伸展环形垂荡板(300)底部与立柱(200)的连接方式为铰接。

2.如权利要求1所述的一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，其特征为，所述插入槽道(307)设有滚珠。

3.如权利要求1所述的一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，其特征为，所述环形抑制圈(304)的上端设有上限位块(301)、下端设有下限位块(306)。

4.如权利要求1所述的一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，其特征为，所述垂荡抑制机构为主动调谐质量阻尼器。

5.如权利要求4所述的一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，其特征为，所述主动调谐质量阻尼器包括动力系统、调谐控制系统(500)、阻尼系统、弹簧系统(600)、可变质量浮体(700)，其中：可变质量浮体(700)套在立柱(200)上，所述可变质量浮体(700)通过弹簧系统(600)与上部平台结构(100)连接，上部平台结构(100)上设有调谐控制系统(500)。

6.如权利要求5所述的一种半潜式平台垂荡运动的抑制装置，其特征为，所述可变质量浮体(700)上安装有连接口(701)，所述连接口(701)上连接出入水管道与上部平台结构(100)的水泵连接。