張力腿平臺的案例
典型海工開發模式及其特點（2）
l 以張力腿平臺為基礎的開發模式
張力腿平臺（TLP）是半潛式平臺的一種變形，通過垂直系統（tether）或系留管(tendon)將浮式半潛結構系連于海底，系纜或系留管所需重力由半潛結構的浮力提供，適用于300m以上的深海海域。
世界上第一座張力腿平臺是1984年，由Conoco大陸石油公司在英國北海Hutton油田建造的，水深147m，它的成功顯示了張力腿平臺在開發深海油氣資源方面強大的生命力。張力腿平臺不斷地向深水發展，但是其使用經濟極限應在7000英尺（2133.6m）范圍內。在西非、墨西哥灣、英國北海、挪威、印度尼西亞等地使用較為廣泛。
l 以Spar平臺為基礎的開發模式
Spar技術事實上在40年前就在海洋工程中得到應用，那時的Spar是一種儲油和卸油的浮筒。1984年，Deep oil Technology. Inc.將其發展成特殊的具有鉆、采及生產處理能力的并廣泛適用于深海開發的平臺。
單柱體平臺是一個浮式柱狀結構，通過纜繩錨固于海底，造價低，運動響應小，便于安裝，可以重復使用，因而對邊際油田比較適用。平臺的主體是一個大直徑、大吃水的具有規則外形的浮式柱狀結構，它由柱與梁板構成，柱體內部可以儲油，它的大吃水形成對立管的良好保護，同時其運動響應對水深變化不敏感，更適宜于在深達3000m深水海域應用。Spar 兼具了張力腿平臺和浮(船)式生產儲運裝置的特點，優越性顯著。
展開 海洋油氣田開發設施的類型及特點
混凝土重力式平臺優點是節省鋼材，經濟性好，使用壽命長，海上安裝工作量小，甲板負荷大，在立柱中鉆井安全可靠，防海水腐蝕、防火、防爆性能都很好，不過由于混凝土平臺制造過程復雜，制造中需要開闊的深水場地和水域，由于自重很大，海上坐底時對地基承載和平整性要求很高，冰區工作性能差。現在已有大約20座混凝土重力式平臺用于北海。
4 人工島
人工島一般是在淺水區域通過采用沉箱結構，砂石拋填、泥沙吹填等方法建成的島式油氣生產基地,在其上面可設置鉆機、油氣生產及處理設備、公共設施、儲罐及裝卸碼頭,來完成油氣開發、運輸、生活等功能。人工島一般的應用水深小于6m，其特點是設計簡單、穩定性能好、鉆采作業安全。缺點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構不利建造，同時水深加大時海上施工成本將急劇增加。
5 張力腿平臺（TLP）
張力腿平臺是深水浮式平臺的一種典型型式，它是半潛式平臺的延拓，通過張緊纜索（tether）或鍵（tendon）將浮式半潛結構系于海底，實際應用水深在147m～1425m海域。目前張力腿平臺發展有以下幾種結構形式：傳統型，海星型，MOSES型，延伸型，其中后三種形式相對傳統式可統稱為新型張力腿平臺。張力腿平臺的優點是下部結構設計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，有利于固定和浮動設備之間的聯接，缺點是海底的樁錨對地基的要求高，張力索要求單根的強度、耐腐蝕性能高，張力調整裝置復雜、海上調整施工難度大。
6 浮筒式平臺（Spar）
Spar平臺技術在30年前就在海洋工程中得到應用，那時的Spar是一種儲油和卸油的浮筒。1984年，Deep oil Technology, Inc.將其發展成特殊的具有鉆、采及生產處理能力的并適用于深海開發的平臺。
展開 海上鉆井平臺實拍，看著這樣的海水，我感受到為何有人會恐水了
“藍鯨1號’代表了當今世界海洋鉆井平臺設計建造的最高水平，將我國深水油氣勘探開發能力帶入世界先進行列，
-張力腿式鉆井平臺-
張力腿式鉆井平臺（TLP）是利用繃緊狀態下的錨索產生的拉力與平臺的剩余浮力相平衡的鉆井平臺或生產平臺。
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。張力腿式平臺的重力小于浮力，所相差的力量可依靠錨索向下的拉力來補償，而且此拉力應大于由波浪產生的力，使錨索上經常有向下的拉力，起著繃緊平臺的作用。
自1954年提出設想以來，迄今已有55年的歷史。
-牽索塔式鉆井平臺-
牽索塔式鉆井平臺得名于它支撐平臺的結構如一桁架式的塔，該塔用對稱布置的纜索將塔保持正浮狀態。
在平臺上可進行通常的鉆井與生產作業。原油一般是通過管線運輸，在深水中可用近海裝油設施進行輸送。牽索塔式平臺比導管架式平臺、重力式平臺更適合于深水海域作業，它的應用范圍在200米～650米。
-導管架式平臺-
固定平臺包括導管架式平臺、混凝土重力式平臺、深水順應塔式平臺等。鋼質導管架式平臺使用水深一般小于300米，通過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。
自1947年第一次被用在墨西哥灣6米水域以來，發展十分迅速，到1978年，其工作水深達到312米，目前世界上大于300米水深的導管架平臺有7座。
-混凝土重力式平臺-
混凝土重力式平臺的底部通常是一個巨大的混凝土基礎(沉箱)，用三個或四個空心的混凝土立柱支撐著甲板結構，在平臺底部的巨大基礎中被分隔為許多圓筒型的貯油艙和壓載艙，這種平臺的重量可達數十萬噸，正是依靠自身的巨大重量，平臺直接置于海底。現在已有大約20座混凝土重力式平臺用于北海。
展開 海上風電基礎型式
2）導管架基礎：由鋼管樁通過導管架固定結構物，可以保證平臺結構整體性，建造形式相對簡單，可利用其結構特點加大承載能力。導管架基礎適宜安裝在水深范圍在 20m-50m 左右的范圍內，其具有結構簡單、安全性高、造價較低的特點，所以導管架基礎的應用越來越廣泛。
3）重力基礎：其主要依靠自身的巨大體積和重量保持結構的穩定。該基礎結構在安裝前需提前進行海底安裝準備，但其結構相對簡單、造價低廉，受到海底沙粒影響較小，穩定性和可靠性均已通過工程實際得到了證實。
4）負壓桶（吸力桶）基礎：負壓筒基礎通常包括單桶和多桶兩種形式。該基礎形式適用于軟黏土，結構穩定性同樣依靠自身重力來實現，但其在安裝下沉的過程中極易出現傾斜，需不斷對其方向進行調整。目前，負壓筒基礎在海洋風電領域的應用并沒有得到推廣，可靠性也需要不斷地研究加以證實。
5）浮動平臺結構：浮動平臺結構，目前較為常見的主要有：張力腿平臺(TLP)、SPAR 型平臺和半潛式平臺等海洋油氣工業常用的結構形式，它們在近幾年逐漸應用于風力發電領域，其工作水深可達到200m 或更大水深海域，是進軍深海的重要基礎形式。
展開 
海浪對離岸結構的影響
本文由Stress Engineering Services的Anup Paul和Chris Matice提供
離岸平臺甲板下的靜水空隙是重要的設計參數，并由極端設計條件下所需的最小空隙決定。對于像半潛式平臺和張力腿平臺這樣的結構，預測最小空隙和甲板撞擊事件的概率是具有挑戰性的。
一個SPAR對12米高的波浪的動態反應
由于氣隙設計中必須考慮到與平臺腿的相互作用，陡波表現出顯著的非線性行為和波幅放大。如果在惡劣環境中出現負氣隙，預測由此產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進入更深的水域，需要浮式結構，并且甲板高度受到重量和穩定性要求的限制。準確預測甲板與自由水面的間隙和甲板沖擊載荷對于預測這些結構在惡劣環境下的性能至關重要。
計算流體動力學
計算流體動力學（CFD）方法被廣泛應用于各種行業，以研究流體流動和熱傳遞行為。CFD結合流體體積（VOF）模型，可以有效預測離岸平臺的空隙和波浪撞擊載荷。VOF方法可以準確預測自由液面的形狀和非線性波浪行為。對于浮動系統，CFD可以與有限元分析（FEA）相結合，以預測平臺在波浪撞擊期間的動態和結構反應。
SPAR平臺的波浪相互作用
圖1為SPAR對10和20米波浪的動態反應。這兩個波浪均為20秒的周期，并使用線性波浪邊界條件生成。SPAR被建模為質心有6個自由度的剛體。
圖2為SPAR質心的垂直位移。
圖3為波浪相互作用引起的SPAR的水平力。
圖1：SPAR的動態反應
圖2：SPAR的垂直位移
圖3：SPAR上的水平力
波浪對重力式結構（GBS）的影響
圖4為波浪對重力式結構（GBS）甲板的影響。
展開 典型海工開發模式及其特點（1）
典型的海上油氣田開發模式有以下幾種：
l 以固定式導管架平臺為基礎的開發模式；
l 以浮式生產儲油輪為基礎的開發模式；
l 以張力腿平臺為基礎的開發模式；
l 以Spar平臺為基礎的開發模式；
l 以半潛式平臺為基礎的開發模式；
l 以自升式平臺為基礎的開發模式；
l 利用水下回接到已有設施進行開發；
l 無任何水面設施的生產系統；
l 租借的生產系統；
l 其它工程模式。
首先介紹以固定式導管架平臺為基礎的開發模式。
固定式導管架平臺作為海上油田開發的傳統方式，經過幾十年的海上油田開發實踐，已經證明是一種技術上相當成熟、安全可靠的開發方式。固定式平臺由于其完善的設計和使用的多樣化，不僅能用于鉆井、修井、生產，而且能用于生活居住和動力平臺，許多大、中型海上油田都是利用固定式導管架平臺來開發鉆井和生產的。但固定式平臺造價高，無法重復利用，對于儲量小、開發壽命期較短的小油田是難以承受的。隨著水深的增加，這一特點將會越來越明顯。
固定式導管架平臺與浮式生產設施相結合進行海上油田的開發，可以充分發揮各自的優勢，如我國南海珠江口盆地的惠州(HZ)油田就是利用固定式平臺與浮式生產儲油輪(FPSO)等組成一套生產系統，對油田進行經濟開發，HZ32-2和HZ32-3各建一座四腿導管架平臺，生產出的原油通過HZ26-1油田的平臺泵輸到26Km外的HZ21-1油田的FPSO上進行處理和外輸。
水深超過300米的油田極少采用固定式平臺，這主要是與固定式平臺的造價有關，固定式平臺的造價隨水深的增加呈指數增長，水深超過100m的油田采用固定式導管架平臺進行開發，必須將其開發方式與FPSO開發方式進行經濟評價及對比分析。
展開 干貨 | ANSYS軟件在海洋海工領域的應用
海洋海工領域涉及到各種各樣的漂浮式和固定式的結構樣式，比如淺海中固定式的導管架、深海中類似導管架結構、張力腿平臺、浮式生產儲油卸油裝置、海上風力機以及各種海下裝置與管道等等。
海洋結構的安全可靠性極大的危害到人員的生命安全，裝置、設備、財產的損傷，甚至可能引起海洋環境的污染。在深海高強度壓力、海洋環境溫度差異性、颶風、大浪、樁基相互作用等復雜海洋環境載荷作用下，海工結構可能存在疲勞、屈曲、腐蝕、沖擊損傷等失效形式， 海洋環境載荷的復雜性和多樣性，給海工結構的可靠設計帶來了非常大的挑戰。
波浪載荷因素是海工結構強度與疲勞性能的重要影響因素，挪威船級社提出針對不同的海工結構類型，應采用不同的力學分析方法，比如細長桿梁結構、大體積結構的整體性能評估、復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估等等。其中，細長桿梁結構可直接采用ANSYS Mechanical直接進行受力分析，大體積結構的整體性能評估采用ANSYS Aqwa進行水動力分析，復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估采用ANSYS CFD進行流體流動分析。
當海工結構體的特征尺寸小于最小波長的五分之一時，通常可把該結構看為細長類結構，可以采用Morison方程等波浪理論去生成載荷譜，在ANSYS Mechanical中直接進行應力、變形分析，如海工桿梁支架結構的強度與疲勞壽命計算。
展開 ANSYS軟件在海洋海工領域的應用
海洋海工領域涉及到各種各樣的漂浮式和固定式的結構樣式，比如淺海中固定式的導管架、深海中類似導管架結構、張力腿平臺、浮式生產儲油卸油裝置、海上風力機以及各種海下裝置與管道等等。
海洋結構的安全可靠性極大的危害到人員的生命安全，裝置、設備、財產的損傷，甚至可能引起海洋環境的污染。在深海高強度壓力、海洋環境溫度差異性、颶風、大浪、樁基相互作用等復雜海洋環境載荷作用下，海工結構可能存在疲勞、屈曲、腐蝕、沖擊損傷等失效形式， 海洋環境載荷的復雜性和多樣性，給海工結構的可靠設計帶來了非常大的挑戰。
波浪載荷因素是海工結構強度與疲勞性能的重要影響因素，挪威船級社提出針對不同的海工結構類型，應采用不同的力學分析方法，比如細長桿梁結構、大體積結構的整體性能評估、復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估等等。其中，細長桿梁結構可直接采用ANSYS Mechanical直接進行受力分析，大體積結構的整體性能評估采用ANSYS Aqwa進行水動力分析，復雜波浪載荷下的詳細結構性能評估采用ANSYS CFD進行流體流動分析。
當海工結構體的特征尺寸小于最小波長的五分之一時，通常可把該結構看為細長類結構，可以采用Morison方程等波浪理論去生成載荷譜，在ANSYS Mechanical中直接進行應力、變形分析，如海工桿梁支架結構的強度與疲勞壽命計算。
展開 海上鉆井平臺為什么能經受住海浪的沖擊？
目前最大的固定式鋼結構平臺，建在水深，312米處，重達59 000噸，耗資2.75億美元；而最大的鋼筋混凝土平臺總高度達271米，總重達到36.7萬噸，耗資將近20億美元！而且，這種鉆井平臺被固定在一個地點鉆探，利用率受到根本性的限制。此外，固定式鉆井平臺如要向更深的海底進軍，消耗的資金、材料將成倍增加。
有沒有一種更好的鉆井平臺形式，既具有良好的抗風浪性能，又能轉移鉆探地點以提高使用效率呢？鉆井平臺設計師的目光又回到了活動式平臺上，并設計制造出性能優異的半潛式鉆井平臺。
半潛式鉆井平臺的最大優點就是穩定性好。它由數根立柱將巨大的平臺支撐出水面，長長的立柱深入海水中，下方有浮力很大的巨型浮箱，通過調節浮箱內海水的容量來控制整個平臺的深潛程度，這和潛水艇的原理極為相似。由于浮箱所處的深度位置海水動蕩較小，而近海面部分沖擊力較大的海浪對立柱的影響又相當有限，因此大跨度的半潛式鉆井平臺穩定性非常好，足以承受12級以上的大風和20～30米高的海浪。
隨著海上鉆井平臺技術的不斷發展，一種更新型的張力腿式平臺又出現了。這種平臺在半潛式平臺的基礎上，利用特有的張力腿結構，將平臺臨時錨固在海底基礎上，并充分發揮了鋼制垂直構件耐拉性好的特點，更好地限制了鉆井平臺橫向漂移的傾向，能在近千米水深的海上鉆探。可以預見，海上鉆井平臺的不斷發展，將為人類開發海洋作出更大的貢獻。
來源：科普中國
展開 極端波浪放大及其對海上結構的沖擊載荷
系泊半潛式平臺（浮動）
研究中的波浪條件包括各種規則和不規則波，其波周期和陡峭度都有所變化。此外，還對固定柱進行了雙色波的測試。在本報告中，將重點介紹幾個選定條件下的結果，同時總結其他測試的一些主要發現。
數值建模
圖4. 四個案例研究幾何形狀的鳥瞰圖。
本次展示中使用的波浪探測器位置已標出。
圖5. 二階數值面板模型的三維示意圖，帶有自由液面。
Selected results, 規則波
以下將比較線性和二階模型預測的最大波峰高度Atot與相應的測量值。
圖6a-b. 單柱和四柱的波峰放大
圖6c-d. GBS和半潛式的波峰放大
圖7. 預測的高程與測量值的對比（單柱）。
波浪探頭位于柱前1.5米處；兩個隨機事件。
圖8. 預測的高程和氣隙與測量值的對比（半浮式）。波浪探頭編號1（上面兩個圖）和8（下面兩個圖）。
四、一個簡化的甲板波浪載荷模型
本文開發了一種簡化的方法，用于求解海上結構甲板下由于波浪傳播引起的水沖擊力。目前的方法基于勢理論，可用于解決夾層型平臺以及半潛式平臺、張力腿平臺（TLP）和重力基礎（GBS）等大體積平臺的波浪沖擊問題。計算得到了由甲板下濕潤區域定義的面積上的綜合力。
圖9. 計算的垂直波浪沖擊甲板載荷事件與測量結果的對比
五、完全非線性建模：使用商業CFD工具的初步研究
由于在波浪放大和沖擊問題中觀察到強烈的非線性波浪-柱相互作用，因此啟動了對使用完全非線性模型可行性的調查。考慮采用Volume-of-Fluid方法，使用商業軟件FLOW-3D。
展開 系泊失效后漂浮式風力機平臺動態響應研究
穆安樂等[6]采用懸鏈線系泊系統，通過對平臺縱蕩和縱搖響應進行分析，研究了風浪聯合作用下系泊半徑、導纜孔位置和系泊長度等對平臺穩定性及系泊受力的影響。潘甜[7]研究發現組合系泊系統可為浮式平臺提供更大的回復力。張亮等[8]將Spar平臺系泊改為包括錨鏈、重塊及彈性系泊的組合系泊，發現彈性系泊可有效降低平臺動態響應與系泊張力，且彈性系泊的位置對結果無明顯影響。趙永生等[9]針對漂浮式風力機可能遭遇到的極端惡劣海洋環境，通過極端載荷統計外推的方法得到了不同概率極端海況下張力腿平臺葉根受力情況。馬剛等[10]對某半潛式浮式風力機開展氣動-水動-伺服-彈性耦合數值模擬，預報不同向變極端相干陣風（ECD）工況與浪流耦合環境下系統的氣動和水動響應，發現在9s左右所研究浮式風力機的系泊張力最大，可能造成系泊線的斷裂，這是影響系泊安全的關鍵參數。
針對系泊失效下漂浮式風力機浮動特性及動態響應方面，亦有學者開展了相關研究。Bae等[11]建立了漂浮式風力機氣動-水動-伺服-彈性-系泊全耦合模型，通過對半潛平臺系泊失效進行靜態和穩態分析，發現因系泊失效引發的漂浮式平臺橫向受力不均產生的扭矩導致上部風輪發生偏航。Yang等[12]基于FAST的漂浮式風力機氣動-水動-系泊全耦合系統，對不同位置系泊失效下10MW多浮體平臺動態響應，發現系泊失效后平臺平動位移與轉動偏轉角均明顯增大，且剩余系泊張力增大了165%。胡超等[13]分析了極端海況下半潛平臺系泊失效后剩余系泊張力情況，發現系泊受力安全系數減小。施偉[14]研究了單根系泊失效下的半潛平臺動態響應，發現失效后平臺縱蕩穩定性下降，響應大幅增加。鄭侃等[15]進一步研究了多根系泊失效對半潛式平臺漂浮式風力機動態響應的影響，發現迎風浪側系泊失效，可能導致平臺出現傾覆。
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