張力腿平臺(tái)
關(guān)注創(chuàng)建者：姜講蔣醬 創(chuàng)建時(shí)間：2023-02-22
張力腿平臺(tái)的實(shí)例教程
l 以張力腿平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式
張力腿平臺(tái)（TLP）是半潛式平臺(tái)的一種變形，通過(guò)垂直系統(tǒng)（tether）或系留管(tendon)將浮式半潛結(jié)構(gòu)系連于海底，系纜或系留管所需重力由半潛結(jié)構(gòu)的浮力提供，適用于300m以上的深海海域。
世界上第一座張力腿平臺(tái)是1984年，由Conoco大陸石油公司在英國(guó)北海Hutton油田建造的，水深147m，它的成功顯示了張力腿平臺(tái)在開(kāi)發(fā)深海油氣資源方面強(qiáng)大的生命力。張力腿平臺(tái)不斷地向深水發(fā)展，但是其使用經(jīng)濟(jì)極限應(yīng)在7000英尺（2133.6m）范圍內(nèi)。在西非、墨西哥灣、英國(guó)北海、挪威、印度尼西亞等地使用較為廣泛。
l 以Spar平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式
Spar技術(shù)事實(shí)上在40年前就在海洋工程中得到應(yīng)用，那時(shí)的Spar是一種儲(chǔ)油和卸油的浮筒。1984年，Deep oil Technology. Inc.將其發(fā)展成特殊的具有鉆、采及生產(chǎn)處理能力的并廣泛適用于深海開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。
單柱體平臺(tái)是一個(gè)浮式柱狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)纜繩錨固于海底，造價(jià)低，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)小，便于安裝，可以重復(fù)使用，因而對(duì)邊際油田比較適用。平臺(tái)的主體是一個(gè)大直徑、大吃水的具有規(guī)則外形的浮式柱狀結(jié)構(gòu)，它由柱與梁板構(gòu)成，柱體內(nèi)部可以儲(chǔ)油，它的大吃水形成對(duì)立管的良好保護(hù)，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)水深變化不敏感，更適宜于在深達(dá)3000m深水海域應(yīng)用。Spar 兼具了張力腿平臺(tái)和浮(船)式生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)裝置的特點(diǎn)，優(yōu)越性顯著。
展開(kāi) 混凝土重力式平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省鋼材，經(jīng)濟(jì)性好，使用壽命長(zhǎng)，海上安裝工作量小，甲板負(fù)荷大，在立柱中鉆井安全可靠，防海水腐蝕、防火、防爆性能都很好，不過(guò)由于混凝土平臺(tái)制造過(guò)程復(fù)雜，制造中需要開(kāi)闊的深水場(chǎng)地和水域，由于自重很大，海上坐底時(shí)對(duì)地基承載和平整性要求很高，冰區(qū)工作性能差。現(xiàn)在已有大約20座混凝土重力式平臺(tái)用于北海。
4 人工島
人工島一般是在淺水區(qū)域通過(guò)采用沉箱結(jié)構(gòu)，砂石拋填、泥沙吹填等方法建成的島式油氣生產(chǎn)基地,在其上面可設(shè)置鉆機(jī)、油氣生產(chǎn)及處理設(shè)備、公共設(shè)施、儲(chǔ)罐及裝卸碼頭,來(lái)完成油氣開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸、生活等功能。人工島一般的應(yīng)用水深小于6m，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、鉆采作業(yè)安全。缺點(diǎn)是前期投入的成本高，如果周圍淺層海床的地址土壤不是砂土結(jié)構(gòu)不利建造，同時(shí)水深加大時(shí)海上施工成本將急劇增加。
5 張力腿平臺(tái)（TLP）
張力腿平臺(tái)是深水浮式平臺(tái)的一種典型型式，它是半潛式平臺(tái)的延拓，通過(guò)張緊纜索（tether）或鍵（tendon）將浮式半潛結(jié)構(gòu)系于海底，實(shí)際應(yīng)用水深在147m～1425m海域。目前張力腿平臺(tái)發(fā)展有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：傳統(tǒng)型，海星型，MOSES型，延伸型，其中后三種形式相對(duì)傳統(tǒng)式可統(tǒng)稱為新型張力腿平臺(tái)。張力腿平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成減小波浪垂直作用的形式，降低了波浪的垂直方向的影響，由于下部張緊纜的作用使其升沉縱搖和橫搖得幅度較小，有利于固定和浮動(dòng)設(shè)備之間的聯(lián)接，缺點(diǎn)是海底的樁錨對(duì)地基的要求高，張力索要求單根的強(qiáng)度、耐腐蝕性能高，張力調(diào)整裝置復(fù)雜、海上調(diào)整施工難度大。
6 浮筒式平臺(tái)（Spar）
Spar平臺(tái)技術(shù)在30年前就在海洋工程中得到應(yīng)用，那時(shí)的Spar是一種儲(chǔ)油和卸油的浮筒。1984年，Deep oil Technology, Inc.將其發(fā)展成特殊的具有鉆、采及生產(chǎn)處理能力的并適用于深海開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。
展開(kāi) “藍(lán)鯨1號(hào)’代表了當(dāng)今世界海洋鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)建造的最高水平，將我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)能力帶入世界先進(jìn)行列，
-張力腿式鉆井平臺(tái)-
張力腿式鉆井平臺(tái)（TLP）是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡的鉆井平臺(tái)或生產(chǎn)平臺(tái)。
其所用錨索繃緊成直線，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底不是相切的，而是幾乎垂直的。用的是樁錨(即打入水底的樁為錨)或重力式錨(重塊)等，不是一般容易起放的抓錨。張力腿式平臺(tái)的重力小于浮力，所相差的力量可依靠錨索向下的拉力來(lái)補(bǔ)償，而且此拉力應(yīng)大于由波浪產(chǎn)生的力，使錨索上經(jīng)常有向下的拉力，起著繃緊平臺(tái)的作用。
自1954年提出設(shè)想以來(lái)，迄今已有55年的歷史。
-牽索塔式鉆井平臺(tái)-
牽索塔式鉆井平臺(tái)得名于它支撐平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如一桁架式的塔，該塔用對(duì)稱布置的纜索將塔保持正浮狀態(tài)。
在平臺(tái)上可進(jìn)行通常的鉆井與生產(chǎn)作業(yè)。原油一般是通過(guò)管線運(yùn)輸，在深水中可用近海裝油設(shè)施進(jìn)行輸送。牽索塔式平臺(tái)比導(dǎo)管架式平臺(tái)、重力式平臺(tái)更適合于深水海域作業(yè)，它的應(yīng)用范圍在200米～650米。
-導(dǎo)管架式平臺(tái)-
固定平臺(tái)包括導(dǎo)管架式平臺(tái)、混凝土重力式平臺(tái)、深水順應(yīng)塔式平臺(tái)等。鋼質(zhì)導(dǎo)管架式平臺(tái)使用水深一般小于300米，通過(guò)打樁的方法固定于海底，它是目前海上油田使用廣泛的一種平臺(tái)。
自1947年第一次被用在墨西哥灣6米水域以來(lái)，發(fā)展十分迅速，到1978年，其工作水深達(dá)到312米，目前世界上大于300米水深的導(dǎo)管架平臺(tái)有7座。
-混凝土重力式平臺(tái)-
混凝土重力式平臺(tái)的底部通常是一個(gè)巨大的混凝土基礎(chǔ)(沉箱)，用三個(gè)或四個(gè)空心的混凝土立柱支撐著甲板結(jié)構(gòu)，在平臺(tái)底部的巨大基礎(chǔ)中被分隔為許多圓筒型的貯油艙和壓載艙，這種平臺(tái)的重量可達(dá)數(shù)十萬(wàn)噸，正是依靠自身的巨大重量，平臺(tái)直接置于海底。現(xiàn)在已有大約20座混凝土重力式平臺(tái)用于北海。
展開(kāi) 2）導(dǎo)管架基礎(chǔ)：由鋼管樁通過(guò)導(dǎo)管架固定結(jié)構(gòu)物，可以保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體性，建造形式相對(duì)簡(jiǎn)單，可利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加大承載能力。導(dǎo)管架基礎(chǔ)適宜安裝在水深范圍在 20m-50m 左右的范圍內(nèi)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、造價(jià)較低的特點(diǎn)，所以導(dǎo)管架基礎(chǔ)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
3）重力基礎(chǔ)：其主要依靠自身的巨大體積和重量保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在安裝前需提前進(jìn)行海底安裝準(zhǔn)備，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，受到海底沙粒影響較小，穩(wěn)定性和可靠性均已通過(guò)工程實(shí)際得到了證實(shí)。
4）負(fù)壓桶（吸力桶）基礎(chǔ)：負(fù)壓筒基礎(chǔ)通常包括單桶和多桶兩種形式。該基礎(chǔ)形式適用于軟黏土，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性同樣依靠自身重力來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其在安裝下沉的過(guò)程中極易出現(xiàn)傾斜，需不斷對(duì)其方向進(jìn)行調(diào)整。目前，負(fù)壓筒基礎(chǔ)在海洋風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用并沒(méi)有得到推廣，可靠性也需要不斷地研究加以證實(shí)。
5）浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)：浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，目前較為常見(jiàn)的主要有：張力腿平臺(tái)(TLP)、SPAR 型平臺(tái)和半潛式平臺(tái)等海洋油氣工業(yè)常用的結(jié)構(gòu)形式，它們?cè)诮鼛啄曛饾u應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，其工作水深可達(dá)到200m 或更大水深海域，是進(jìn)軍深海的重要基礎(chǔ)形式。
展開(kāi) 本文由Stress Engineering Services的Anup Paul和Chris Matice提供
離岸平臺(tái)甲板下的靜水空隙是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，并由極端設(shè)計(jì)條件下所需的最小空隙決定。對(duì)于像半潛式平臺(tái)和張力腿平臺(tái)這樣的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)最小空隙和甲板撞擊事件的概率是具有挑戰(zhàn)性的。
一個(gè)SPAR對(duì)12米高的波浪的動(dòng)態(tài)反應(yīng)
由于氣隙設(shè)計(jì)中必須考慮到與平臺(tái)腿的相互作用，陡波表現(xiàn)出顯著的非線性行為和波幅放大。如果在惡劣環(huán)境中出現(xiàn)負(fù)氣隙，預(yù)測(cè)由此產(chǎn)生的甲板沖擊載荷就變得非常重要。隨著石油和天然氣生產(chǎn)進(jìn)入更深的水域，需要浮式結(jié)構(gòu)，并且甲板高度受到重量和穩(wěn)定性要求的限制。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)甲板與自由水面的間隙和甲板沖擊載荷對(duì)于預(yù)測(cè)這些結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下的性能至關(guān)重要。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，以研究流體流動(dòng)和熱傳遞行為。CFD結(jié)合流體體積（VOF）模型，可以有效預(yù)測(cè)離岸平臺(tái)的空隙和波浪撞擊載荷。VOF方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)自由液面的形狀和非線性波浪行為。對(duì)于浮動(dòng)系統(tǒng)，CFD可以與有限元分析（FEA）相結(jié)合，以預(yù)測(cè)平臺(tái)在波浪撞擊期間的動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)。
SPAR平臺(tái)的波浪相互作用
圖1為SPAR對(duì)10和20米波浪的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。這兩個(gè)波浪均為20秒的周期，并使用線性波浪邊界條件生成。SPAR被建模為質(zhì)心有6個(gè)自由度的剛體。
圖2為SPAR質(zhì)心的垂直位移。
圖3為波浪相互作用引起的SPAR的水平力。
圖1：SPAR的動(dòng)態(tài)反應(yīng)
圖2：SPAR的垂直位移
圖3：SPAR上的水平力
波浪對(duì)重力式結(jié)構(gòu)（GBS）的影響
圖4為波浪對(duì)重力式結(jié)構(gòu)（GBS）甲板的影響。
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張力腿平臺(tái)的最新內(nèi)容
目前的方法基于勢(shì)理論，可用于解決夾層型平臺(tái)以及半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)（TLP）和重力基礎(chǔ)（GBS）等大體積平臺(tái)的波浪沖擊問(wèn)題。計(jì)算得到了由甲板下濕潤(rùn)區(qū)域定義的面積上的綜合力。
圖9.
對(duì)于像半潛式平臺(tái)和張力腿平臺(tái)這樣的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)最小空隙和甲板撞擊事件的概率是具有挑戰(zhàn)性的。
一個(gè)SPAR對(duì)12米高的波浪的動(dòng)態(tài)反應(yīng)
由于氣隙設(shè)計(jì)中必須考慮到與平臺(tái)腿的相互作用，陡波表現(xiàn)出顯著的非線性行為和波幅放大。如果在惡劣環(huán)境中出現(xiàn)負(fù)氣隙，預(yù)測(cè)由此產(chǎn)生的甲板沖擊載荷就變得非常重要。
趙永生等[9]針對(duì)漂浮式風(fēng)力機(jī)可能遭遇到的極端惡劣海洋環(huán)境，通過(guò)極端載荷統(tǒng)計(jì)外推的方法得到了不同概率極端海況下張力腿平臺(tái)葉根受力情況。馬剛等[10]對(duì)某半潛式浮式風(fēng)力機(jī)開(kāi)展氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性耦合數(shù)值模擬，預(yù)報(bào)不同向變極端相干陣風(fēng)（ECD）工況與浪流耦合環(huán)境下系統(tǒng)的氣動(dòng)和水動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在9s左右所研究浮式風(fēng)力機(jī)的系泊張力最大，可能造成系泊線的斷裂，這是影響系泊安全的關(guān)鍵參數(shù)。
5）浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)：浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，目前較為常見(jiàn)的主要有：張力腿平臺(tái)(TLP)、SPAR 型平臺(tái)和半潛式平臺(tái)等海洋油氣工業(yè)常用的結(jié)構(gòu)形式，它們?cè)诮鼛啄曛饾u應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，其工作水深可達(dá)到200m 或更大水深海域，是進(jìn)軍深海的重要基礎(chǔ)形式。
世界上第一座張力腿平臺(tái)是1984年，由Conoco大陸石油公司在英國(guó)北海Hutton油田建造的，水深147m，它的成功顯示了張力腿平臺(tái)在開(kāi)發(fā)深海油氣資源方面強(qiáng)大的生命力。張力腿平臺(tái)不斷地向深水發(fā)展，但是其使用經(jīng)濟(jì)極限應(yīng)在7000英尺（2133.6m）范圍內(nèi)。在西非、墨西哥灣、英國(guó)北海、挪威、印度尼西亞等地使用較為廣泛。
典型的海上油氣田開(kāi)發(fā)模式有以下幾種：
l 以固定式導(dǎo)管架平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式；
l 以浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式；
l 以張力腿平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式；
l 以Spar平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式；
l 以半潛式平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式；
l 以自升式平臺(tái)為基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)模式；
l 利用水下回接到已有設(shè)施進(jìn)行開(kāi)發(fā)；
l 無(wú)任何水面設(shè)施的生產(chǎn)系統(tǒng)；
l 租借的生產(chǎn)系統(tǒng)
海洋海工領(lǐng)域涉及到各種各樣的漂浮式和固定式的結(jié)構(gòu)樣式，比如淺海中固定式的導(dǎo)管架、深海中類似導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、張力腿平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置、海上風(fēng)力機(jī)以及各種海下裝置與管道等等。
5 張力腿平臺(tái)（TLP）
張力腿平臺(tái)是深水浮式平臺(tái)的一種典型型式，它是半潛式平臺(tái)的延拓，通過(guò)張緊纜索（tether）或鍵（tendon）將浮式半潛結(jié)構(gòu)系于海底，實(shí)際應(yīng)用水深在147m～1425m海域。目前張力腿平臺(tái)發(fā)展有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：傳統(tǒng)型，海星型，MOSES型，延伸型，其中后三種形式相對(duì)傳統(tǒng)式可統(tǒng)稱為新型張力腿平臺(tái)。
海洋海工領(lǐng)域涉及到各種各樣的漂浮式和固定式的結(jié)構(gòu)樣式，比如淺海中固定式的導(dǎo)管架、深海中類似導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、張力腿平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置、海上風(fēng)力機(jī)以及各種海下裝置與管道等等。
海洋結(jié)構(gòu)的安全可靠性極大的危害到人員的生命安全，裝置、設(shè)備、財(cái)產(chǎn)的損傷，甚至可能引起海洋環(huán)境的污染。
“藍(lán)鯨1號(hào)’代表了當(dāng)今世界海洋鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)建造的最高水平，將我國(guó)深水油氣勘探開(kāi)發(fā)能力帶入世界先進(jìn)行列，
-張力腿式鉆井平臺(tái)-
張力腿式鉆井平臺(tái)（TLP）是利用繃緊狀態(tài)下的錨索產(chǎn)生的拉力與平臺(tái)的剩余浮力相平衡的鉆井平臺(tái)或生產(chǎn)平臺(tái)。
其所用錨索繃緊成直線，不是懸垂曲線，鋼索的下端與水底不是相切的，而是幾乎垂直的。
