WO2019071655A1 - 一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统 - Google Patents

一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统 Download PDF

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tension
pontoon
positioning system
hollow
tension tendon
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马哲
王胤
任年鑫
王少雄
翟钢军
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大连理工大学
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B35/44—Floating buildings, stores, drilling platforms, or workshops, e.g. carrying water-oil separating devices

Definitions

  • the invention belongs to the field of deep sea engineering equipment manufacturing, and relates to a tension rib positioning system of a series hollow hollow bead composite material pontoon.
  • the tension leg platform with series multi-float tension bar key positioning system has significantly improved its motion performance, and the platform's sway, sway and heave response are greatly reduced, enabling the tension leg platform to be applied to deeper sea areas. .
  • the present invention is directed to the above-described problems of a series multi-float type tension bar key positioning system. Providing a series of hollow Tensile tendon positioning system for microbead composite buoys.
  • a tension tendon locating system for a series hollow hollow bead composite pontoon comprising a platform body 1, a tension rib, a new pontoon 3, an anchoring ring 4, and a sea bottom foundation 5.
  • the novel pontoon 3 is a hollow microbead composite material, which adopts a solid annular cylindrical structure, and has circular grooves on the upper and lower surfaces thereof. Hollow microbeads are filled into a high-strength matrix to obtain hollow microbead composites
  • the filling amount is 30%-70 ⁇ 3 ⁇ 4, which is a composite material with low density, high compressive strength, low water absorption and corrosion resistance.
  • the density of the hollow microbead composite is 0.3g/cm 3 -0.7g/cm. 3
  • the highest compressive strength can reach 110Mpa, which can meet the requirements of 10,000m deep sea environment.
  • the hollow microspheres are filled into a matrix to obtain a novel buoy 3, which is made of glass or ceramic inorganic material, and the high-strength matrix comprises epoxy resin, vinyl grease, amino resin, and has high strength properties.
  • the physical and mechanical properties of the new pontoon 3, such as density and compressive strength, are adjusted by selecting different hollow microspheres and substrates to meet the requirements of the pontoons under different working conditions.
  • the tension ribs 2 are connected in series with a plurality of new pontoons 3, and four tension ribs are provided with 4xn new pontoons, and the water depth of each pontoon is the same.
  • a single tension rib 2 is penetrated along the hollow central region of the new pontoon 3, and the new pontoon 3 is fixed to the tension rib 2 by the anchoring ring 4; the anchoring ring 4 is embedded in the circular concave of the upper and lower surfaces of the novel pontoon 3 In the groove, and through the thread and the rigid steel pipe tension rib 2, the structure has good integrity.
  • the density of the hollow microbead composite material selected for the new buoy (0.3g/cm 3 -0.7g/ C m 3 ) provides a greater net buoyancy compared to the steel (7.9g/cm 3 ), ie the float
  • the net buoyancy that can be provided is significantly increased,
  • the rafter can suppress the vortex-induced vibration of the tension tendons, resulting in an increase in the pre-tension of the tension ribs, which can effectively reduce the amplitude of the platform's sway, sway and heave, and improve the motion performance of the tension leg platform.
  • the hollow microbead composite material selected for the new buoy is corrosion-resistant, has low water absorption, and has a solid structure in the form of a solid annular cylinder, which has good airtightness and improved durability and service life of the float.
  • the hollow microbead composite material selected for the new buoy has good machinability and corrosion resistance, and is convenient for cutting into various shapes compared with the rigid buoy, saving processing cost, improving the reliability of the buoy and Service life.
  • the hollow microbead composite material can control the physical and mechanical properties by adjusting the type, filling amount and wall thickness of the hollow microbeads, so the new buoy can select the material most suitable for the environment according to the specific environment, and the range is selectable. Widely, the material cost can be saved as much as possible on the basis of ensuring the performance of the float.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a tension rib positioning system of a series hollow microbead composite pontoon of the present invention
  • FIG. 2 is a side view showing the anchor ring of the present invention connected with a tension rib and a new pontoon;
  • FIG. 3 is a top plan view showing the anchor ring of the present invention connected to the tension rib and the new pontoon;
  • FIG. 4 is a simplified pontoon hydrodynamic performance calculation model connected in series with a tension rib key in an embodiment
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a vortex morphing simulation of a pontoon
  • Comparative Example A series multi-float type rigid tension tendon positioning system, platform main body, tension tendon buoy
  • the position and the pontoon size parameters are consistent with the examples. The difference between the two is that the pontoon material connected in series on the tension ribs is steel, and the density is 7850kg/m 3 .
  • the series pontoon material is hollow glass microbead composite material. , the density is 390kg / m 3 .
  • the upper end of the rigid steel pipe tension rib key 2 is hinged with the fastening support disposed on the four pillars of the platform main body 1, and the lower end is hinged on the sea bottom foundation 5, and the tension ribs 2 are connected in series.
  • a single tension rib 2 is penetrated along the hollow area of the central axis of the new pontoon 3, and the anchoring ring 4 is sleeved on the tension rib 2 by screw connection, respectively embedded in the grooves on the upper and lower surfaces of the new pontoon 3, to fix the new pontoon 3 relative to Tension bar position
  • the hollow beads of glass material were filled into a matrix epoxy resin to obtain a novel buoy 3 with a filling amount of 60%.
  • the pontoon has a large diameter and is combined with a small diameter tension rib to form a variable-section cylinder 4.
  • the natural frequency of the tension leg system changes the pontoon, away from the vortex shedding frequency, and the vortex shedding pattern on both sides of the pontoon shown in FIG.
  • the low vibration amplitude corresponds to the vortex-induced vibration problem of the tension tendons.
  • Step 1 The rigid steel pipe tension ribs reserved in sections are stacked on a ship at sea.
  • Step 2 Install the tension ribs 2, when the tension ribs 2 are installed to the specified depth, install the tension ribs of the pontoon, use the threaded tension ribs, and install the anchor at the upper and lower surfaces of the pontoon. Ring to constrain the position of the float.
  • Step 3 After completing the installation work of the remaining tension tendons, install the float block and the separation lock at the water level of the tension bar.
  • Step 4 When all the tension tendons are installed, the main body of the platform is pulled to the designated position, the floating block is removed one by one, the upper end of the tension tendon is hinged with the lower end of the column, and the tensioner is gradually tightened by the tensioner. Bring the platform to the desired working depth.

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Abstract

一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统，包括平台主体（1）、张力筋腱（2）、新型浮筒（3）、锚固环（4）、海底基础（5），张力筋腱（2）上端铰接于平台主体（1）的立柱，下端铰接于海底基础（5），四根张力筋腱（2）上设有4×n新型浮筒（3），每层浮筒对应的水深相同；新型浮筒（3）通过锚固环（4）固定在张力筋腱（2）上，锚固环（4）内嵌到新型浮筒（3）的上下表面的圆形凹槽内；新型浮筒（3）具有良好的机械加工性能，能够抑制张力筋腱（2）的涡激振动，改善张力腿平台的运动性能，减小平台纵荡、横荡和垂荡响应幅度；由于锚固环（4）通过螺纹与张力筋腱（2）相连，新型浮筒（3）依靠自身浮力套在张力筋腱（2）上，构件结构形式简单，安装方便，节约建设成本。

Description

一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统
技术领域
[0001] 本发明属于深海工程装备制造领域， 涉及一种串联空心微珠复合材料浮筒的张 力筋腱定位系统。
背景技术
[0002] 随着陆上能源储量的告急， 人们的视野渐渐转向了海洋资源的勘探与幵发。 越 来越多的海上油气田被幵发利用， 其中张力腿平台由于其半刚性半柔性的优良 运动性能和经济性， 在近几十年来得到很广泛的应用和发展。 张力腿平台按照 其发展顺序， 目前分为第一代张力腿平台和第二代张力腿平台。 通过第一代张 力腿平台的生产实践， 进一步证明了张力腿平台的优越性能。 但随着平台应用 水深的增加， 所面临的环境更加恶劣， 为了进一步降低张力腿平台的成本， 提 高其稳定性、 安全性和适应性， 越来越多不同结构形式的第二代张力腿平台应 运而生。 其中采用串联多浮筒式张力筋键定位系统的张力腿平台， 其运动性能 得到了显著改善， 平台的纵荡、 横荡及垂荡响应幅度大大减小， 使得张力腿平 台能够应用于更深的海域。
[0003] 对于这种结构形式最为关键的浮筒， 目前绝大多数采用钢质空心圆柱结构。 这 种结构形式对于钢材来说不易加工， 而且在连接处一般进行焊接或栓接， 可能 由于疲劳效应导致漏水。 并且钢材耐腐蚀性差， 更是大大降低了这种结构的耐 久性， 对浮筒的维护将付出很大的代价。 随着工作水深增加， 浮筒所面临的环 境更加恶劣， 浮筒的损坏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。 寻找一种更加优质的浮筒材料， 来解决上述钢质浮筒所存在的问题， 并且在此基础上更好地提高张力腿平台的性能， 这也是这种串联多浮筒式张力 筋键定位系统亟待解决的一个问题。
技术问题
[0004] 本发明针对串联多浮筒式的张力筋键定位系统的上述问题。 提供一种串联空心 微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统。
问题的解决方案
技术解决方案
[0005] 为了实现上述目的， 本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统， 包括平台主体 1、 张力 筋腱 2、 新型浮筒 3、 锚固环 4、 海底基础 5。
[0007] 所述的新型浮筒 3选用空心微珠复合材料， 采用实心环形圆柱的结构形式， 其 上下表面设有圆形凹槽。 空心微珠填充到高强度基质中得到空心微珠复合材料
， 填充量为 30%-70<¾， 为一种低密度、 高抗压强度、 低吸水率、 耐腐蚀的复合 材料， 空心微珠复合材料的密度为 0.3g/cm 3-0.7g/cm 3
， 最高抗压强度能达到 110Mpa， 能够满足 10000m深海环境作业要求。 将空心微 珠填充基质中得到新型浮筒 3， 所述的空心微珠材质为玻璃、 陶瓷无机材料， 所 述的高强度基质包括环氧树脂、 乙烯基脂、 氨基树脂， 具有高强度特性。 通过 选用不同的空心微珠和基质调节新型浮筒 3的物理机械性能， 如密度、 抗压强度 等， 以满足不同工况下浮筒的要求。
[0008] 所述的四根张力筋键 2的上端与平台主体 1下部的四根立柱通过紧固支座铰接， 下端铰接在海底基础 5上， 该连接方式能够释放浮筒在海流作用下对张力筋键端 部产生的弯曲应力。
[0009] 所述的张力筋腱 2上串联多层新型浮筒 3， 四根张力筋腱上设有 4xn个新型浮筒 ， 每层浮筒对应的水深相同。 单根张力筋腱 2沿新型浮筒 3中轴线空心区域贯穿 ， 新型浮筒 3通过锚固环 4固定在张力筋腱 2上； 所述的锚固环 4内嵌到新型浮筒 3 的上下表面的圆形凹槽内， 并通过螺纹与刚性钢管张力筋腱 2连接， 使得结构具 有良好的整体性。
发明的有益效果
有益效果
[0010] 本发明的有益效果为：
[0011] 1) 新型浮筒所选用的空心微珠复合材料密度 （0.3g/cm 3-0.7g/Cm 3) 相比较钢 材 （7.9g/cm 3) 可以提供更大的净浮力， 即浮筒所能提供的净浮力显著增加， 同 吋浮筒能够抑制张力筋腱的涡激振动， 导致张力筋键的预张力增大， 能够有效 减小平台纵荡、 横荡及垂荡响应幅度， 改善张力腿平台的运动性能。
[0012] 2) 新型浮筒所选用的空心微珠复合材料耐腐蚀， 吸水率低， 并且结构采用实 心环形圆柱体形式的整体结构， 密闭防水性好， 提高了浮筒的耐久性和使用寿 命。
[0013] 3) 新型浮筒所选用的空心微珠复合材料具有良好的机械加工性能和耐腐蚀性 ， 较刚性浮筒来说方便切割加工成各种形状， 节约了加工成本， 提高浮筒的可 靠性和使用寿命。
[0014] 4) 空心微珠复合材料可以通过调整空心微珠的种类、 填充量、 壁厚来控制其 物理机械性能， 所以新型浮筒可以根据特定的环境选用最适合该环境的材料， 可选择范围广， 在保证浮筒性能的基础上可以尽可能地节约材料成本。
[0015] 5) 由于锚固环通过螺纹与张力筋键相连， 新型浮筒依靠自身浮力套在张力筋 键上， 构件结构形式简单， 使得新型浮筒能够较为方便地进行拆卸、 配置和重 复利用， 大大地节约了建造成本。
[0016] 6) 分层布置新型浮筒， 可以提高张力筋腱的刚度， 从而有效地抑制张力腿的 涡激振动， 具体效果见图 4。
对附图的简要说明
附图说明
[0017] 图 1是本发明的串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统示意图； [0018] 图 2是本发明的锚固环与张力筋腱、 新型浮筒连接的侧视示意图；
[0019] 图 3是本发明的锚固环与张力筋腱、 新型浮筒连接的俯视示意图；
[0020] 图 4是实施例中串联于张力筋键的简化浮筒水动力性能计算模型；
[0021] 图 5是浮筒涡脱形态模拟示意图；
[0022] 图中： 1平台主体； 2张力筋腱； 3新型浮筒； 4锚固环； 5海底基础。
本发明的实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明进行详细描述。
[0024] 对比例： 一种串联多浮筒式刚性张力筋腱定位系统， 平台主体、 张力筋腱浮筒 所处位置、 浮筒规模参数与实施例一致， 两者区别在于对比例中张力筋腱上串 联的浮筒材质为钢材， 密度为 7850kg/m 3， 实施例中串联浮筒材质为空心玻璃微 珠复合材料， 密度为 390kg/m 3。
[0025] 实施例：
[0026] 如图 1、 2、 3所示， 刚性钢管张力筋键 2上端与平台主体 1四根立柱上布置的紧 固支座铰接， 下端铰接在海底基础 5上， 张力筋腱 2上串联单层新型浮筒 3， 四根 张力筋腱上公有 4个一层新型浮筒， 每层浮筒对应的水深相同。 单根张力筋腱 2 沿新型浮筒 3中轴线空心区域贯穿， 锚固环 4通过螺纹连接套在张力筋腱 2上， 分 别内嵌于新型浮筒 3上下表面凹槽内， 以固定新型浮筒 3相对于张力筋键的位置
[0027] 将玻璃材质的空心微珠填充到基质环氧树脂中得到新型浮筒 3， 填充量为 60% 。 浮筒直径较大， 与直径较小的张力筋腱组合成变截面圆柱 4， 张力腿系统的固 有频率会发生改变浮筒， 远离旋涡脱落频率， 图 5所示的浮筒两侧的涡脱形态与 较低的振动幅度对应， 因此能有效的抑制张力筋腱的涡激振动问题。
[0028] 串联多浮筒式混合系泊定位系统的具体安装步骤如下：
[0029] 步骤 1.分段预留的刚性钢管张力筋腱堆放于海上一艘安装船。
[0030] 步骤 2.安装张力筋腱 2， 当张力筋腱 2安装深度达到指定要求吋安装套有浮筒的 张力筋腱段， 使用带有螺纹的张力筋键， 并在浮筒上下表面处安装锚固环， 以 约束浮筒位置。
[0031] 步骤 3.完成剩余张力筋腱段的安装工作后， 在张力筋键水面处安装浮块和分离 锁。
[0032] 步骤 4.当所有张力筋腱安装完毕后， 将平台主体牵拉至指定位置， 逐一拆除浮 块， 将张力筋腱上端与立柱下端铰接， 通过张紧器逐渐收紧张力筋腱， 使平台 到达所需的工作水深。
[0033] 实施例和对比例的性能比较： 平台作业水深 200m， 浮筒放置在水深 100m处， 两种浮筒的相关参数以及平台纵荡响应幅值如表所示 , Ml代表对比例中的钢材质 浮筒， N1代表实施例中空心玻璃微珠复合材料材质新型浮筒：
[]
Figure imgf000007_0001
从表中可以看出， 在波高 3m、 波周期 10s的规则波作用下， 新材料浮筒有效的 降低了平台的纵荡方向运动响应， 降低幅值约为 12.4% ; 故而在总体积， 总重量 几乎不变条件下， 空心玻璃微珠复合材料浮筒性能较钢质浮筒更加优异。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定位系统， 其特征在于， 所述的张力筋腱定位系统包括平台主体 (1)、 张力筋腱 (2)、 新型浮筒（ 3)、 锚固环 (4)、 海底基础 (5) ;
所述的新型浮筒 (3)选用空心微珠复合材料， 采用实心环形圆柱的结 构形式， 其上下表面设有圆形凹槽； 空心微珠填充到高强度基质中得 到空心微珠复合材料， 填充量为 30<¾-70%， 空心微珠复合材料的密度 为 0.3g/cm 3-0.7g/cm 3;
所述的四根张力筋键 2的上端与平台主体 (1)下部的四根立柱通过紧固 支座铰接， 下端铰接在海底基础 (5)上， 该连接方式能够释放新型浮 筒 (3)在海流作用下对张力筋腱 (2)端部产生的弯曲应力；
所述的张力筋腱 (2)上串联多层新型浮筒 (3)， 每层新型浮筒 (3)对应的 水深相同； 单根张力筋腱 (2)沿新型浮筒 (3)中轴线空心区域贯穿， 新 型浮筒 (3)通过锚固环 (4)固定在张力筋腱 (2)上； 锚固环 (4)内嵌到新型 浮筒 (3)的上下表面的圆形凹槽内； 新型浮筒 (3)能够抑制张力筋腱 (2) 的涡激振动， 减小平台主体 (1)纵荡、 横荡和垂荡响应幅度。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定 位系统， 其特征在于， 所述的空心微珠复合材料的最高抗压强度能达 到 110Mpa， 能够满足 10000m深海环境作业要求。
[权利要求 3] 根据权利要求 1或 2所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱 定位系统， 其特征在于， 所述的空心微珠材质为玻璃、 陶瓷无机材料
[权利要求 4] 根据权利要求 1或 2所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱 定位系统， 其特征在于， 所述的高强度基质包括环氧树脂、 乙烯基脂 、 氨基树脂。
[权利要求 5] 根据权利要求 3所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定 位系统， 其特征在于， 所述的高强度基质包括环氧树脂、 乙烯基脂、 氨基树脂。
[权利要求 6] 根据权利要求 1或 2或 5所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力 筋腱定位系统， 其特征在于， 锚固环 (4)与张力筋腱 (2)通过螺纹连接
[权利要求 7] 根据权利要求 3所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定 位系统， 其特征在于， 锚固环 (4)与张力筋腱 (2)通过螺纹连接。
[权利要求 8] 根据权利要求 4所述的一种串联空心微珠复合材料浮筒的张力筋腱定 位系统， 其特征在于， 锚固环 (4)与张力筋腱 (2)通过螺纹连接。
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