半潛式平臺
關(guān)注創(chuàng)建者：姜講蔣醬 創(chuàng)建時間：2023-02-23
半潛式平臺的視頻教程
AQWA軟件企業(yè)培訓(xùn)（3） 通過ANSYS-APDL建立半潛平臺混合模型及混合模型的拖曳力線性化
培訓(xùn)主要內(nèi)容有： 1.簡要介紹目前主流水動力分析軟件特點(diǎn)； 2.介紹經(jīng)典AQWA； 3.通過AGS-plan建立船體模型； 4.通過ANSYS-APDL建立半潛平臺混合模型及混合模型的拖曳力線性化； 5.AQWA-librium介紹與實(shí)例； 6.AQWA-Fer介紹與實(shí)例； 7.AQWA-Drift介紹與實(shí)例； 8.AQWA-line多體耦合水動力分析與駐波抑制
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半潛式平臺的實(shí)例教程
摘要: 針對一個具有非對稱下浮體結(jié)構(gòu)的新型半潛式起重平臺，基于三維勢流理論，采用水動力計算軟件Aqwa，根據(jù)系泊系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對該平臺的懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)進(jìn)行布置并進(jìn)行3h時域系泊模擬。考慮3種不同的風(fēng)浪流海況，研究此平臺的系泊系統(tǒng)特性。研究發(fā)現(xiàn)8根系泊纜方案較12根系泊纜方案更為經(jīng)濟(jì)且能滿足性能要求，最后針對8根系泊纜方案選取了5種懸鏈松弛度，對比找出最佳松弛度，發(fā)現(xiàn)最佳松弛度為7.5。
關(guān)鍵詞：非對稱半潛式起重平臺；勢流理論；系泊系統(tǒng)；懸鏈松弛度
0 引言
半潛式平臺擁有優(yōu)良的運(yùn)動性能，在海上石油勘探、開采方面得到了廣泛的應(yīng)用[1–2]，半潛式起重支持平臺在海上石油開發(fā)過程中有著不可替代的作用[3]。
本文研究的新型半潛式起重平臺（非對稱）（見圖1），與傳統(tǒng)的半潛平臺結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。結(jié)構(gòu)關(guān)于中縱剖面非對稱，2臺起重機(jī)同時安裝在大浮筒一側(cè)，雙機(jī)同時作業(yè)時能有效靈活地調(diào)節(jié)起重平臺與被安裝平臺的距離，顯著提升作業(yè)效率。箱型上層單元主要是居住單元，艙室可容納750人[4]。平臺總排水量58206t，主浮筒長為137.75m，寬19.5m，高12m；副浮筒長為122m，寬13.5m，高12m。與之相對應(yīng)的，主支柱長為22.5m，寬19.5m，高18m；支腿支柱長為16.5m，寬13.5m，高18m。箱型上層船體總長為81m，寬81m，高12.8m。平臺的具體主尺度參數(shù)如表1所示。
半潛式平臺系泊系統(tǒng)特性研究對于平臺及系泊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化具有重要意義。因?yàn)闀r域迭代的方法計算時間較長，為了做到平衡精度和效率，文獻(xiàn)[5–8]提出了一些有效的完全耦合計算方法。
展開 挪威船東John Fredriksen旗下鉆井公司Northern Drilling決定提前接收一座現(xiàn)代重工建造的半潛式鉆井平臺“West Mira”號，從而滿足租船合同要求。
去年6月，Northern Drilling與Wintershall簽署了“West Mira”號的租船合同，用于在Wintershall的Nova油田進(jìn)行6口油井的鉆井工作，合同將從2020年3月開始。然而，近期，Northern Drilling宣布，Wintershall確認(rèn)執(zhí)行備選租約，從而將租船合同的開始實(shí)際提前到2019年第四季度。
如果Wintershall選擇執(zhí)行租船合同中所有的前期備選租約，租船合同的實(shí)際開始時間將會提前至2019年第三季度。
受此影響，Northern Drilling將提前從現(xiàn)代重工接收“West Mira”號，目前這座半潛式鉆井平臺的交付時間已經(jīng)調(diào)整至2018年12月初。
Northern Drilling介紹稱，“WestMira”號將成為世界上第一座配備低排放混合動力裝置的現(xiàn)代化鉆井平臺。將電池集成在鉆井平臺上的供電和配電系統(tǒng)中，預(yù)計能夠顯著降低燃料消耗、二氧化碳和硫氧化物排放。
Northern Drilling在2017年以3.65億美元的價格收購新建半潛式鉆井平臺“West Mira”號。這座半潛式鉆井平臺原本由Seadrill在現(xiàn)代三湖重工下單訂造，之后遭到撤單，最初造價約為5.68億美元。
展開 圖3 考慮結(jié)構(gòu)全耦合效應(yīng)的計算流程圖
04
結(jié)果與分析
以目前應(yīng)用最為廣泛的半潛式平臺作為衡量基準(zhǔn)，給出了新型浮式平臺和單柱式平臺相對于半潛式平臺在各項(xiàng)指標(biāo)上的優(yōu)化程度(單位：%)，如圖4所示。由圖可知：相較于半潛式平臺，新型浮式平臺能夠在降低結(jié)構(gòu)耗材的前提下同時提升各項(xiàng)水動力性能指標(biāo)的優(yōu)化程度。例如：新型浮式平臺優(yōu)化了半潛式平臺易受波浪載荷影響的缺點(diǎn)，降低了一階波浪力；在保持平動附加質(zhì)量與半潛式平臺較為接近的同時，明顯提高搖動方向附加質(zhì)量；新型浮式平臺各向輻射阻尼均維持在較優(yōu)水準(zhǔn)，提升了垂蕩與縱搖/橫搖輻射阻尼；此外，新型浮式平臺垂蕩、縱搖/橫搖響應(yīng)幅值算子明顯小于另外2種平臺，優(yōu)化了該方向運(yùn)動響應(yīng)。
單柱式平臺相對于半潛式和本文新平臺的顯著優(yōu)點(diǎn)是對結(jié)構(gòu)耗材量帶來的材料成本優(yōu)勢，但其伴隨而來的運(yùn)輸成本仍居高不下。更為重要的是，單柱式平臺在多項(xiàng)水動力性能的對比上，優(yōu)化幅度要明顯小于本文提出的新平臺，且對于適用水深的要求也降低了單柱式平臺的適用性。綜上所述，新平臺在經(jīng)濟(jì)適用性以及水動力性能多項(xiàng)指標(biāo)均相對2類方案有不同程度的優(yōu)化。
展開 以半潛式平臺為基礎(chǔ)的開發(fā)模式
半潛式生產(chǎn)平臺（SS）一般是由半潛式鉆井平臺改裝而成，與水下生產(chǎn)設(shè)施組成一套生產(chǎn)系統(tǒng)，典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括一個水下生產(chǎn)底盤、水下管匯及若干口衛(wèi)星井，水下井生產(chǎn)的流體通過管匯和生產(chǎn)立管進(jìn)入半潛式平臺上的處理設(shè)備，經(jīng)處理的原油由泵通過管線輸送至附近的儲油輪或裝油系統(tǒng)，再由穿梭油輪（Shuttle）外輸。由于半潛式生產(chǎn)平臺是由半潛式鉆井平臺改裝而成，改裝工程可在岸邊船廠進(jìn)行，與海上建造和安裝相比，節(jié)省了費(fèi)用和時間，并且在改裝的同時進(jìn)行預(yù)鉆井，可以提前投產(chǎn)。此外，使用半潛式平臺開發(fā)完一個油田，可移到其它油田重復(fù)使用。
以自升式平臺為基礎(chǔ)的開發(fā)模式
自升式平臺不僅可以鉆井，而且可以作為生產(chǎn)處理平臺，是一種移動式生產(chǎn)設(shè)施，具有很大的靈活性，能夠開發(fā)完一個油田轉(zhuǎn)移到另一個油田繼續(xù)使用。在海上油田的開發(fā)中，一般是對自升式鉆井進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，增加必須的處理設(shè)施，就可以開始生產(chǎn)，生產(chǎn)的原油由海底管線外輸，或輸送到附近的儲油系統(tǒng)由穿梭油輪外輸。利用水下回接到已有設(shè)施進(jìn)行開發(fā)
利用水下井生產(chǎn)，通過海底管線回接到附近油田的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行處理和外輸，對海上油田開發(fā)，只需對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，省去了單獨(dú)的生產(chǎn)支撐設(shè)施，大大節(jié)省了投資費(fèi)用，是一種經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)方式，特別適合儲量較小的海上油田開發(fā)。
無任何水面設(shè)施的生產(chǎn)系統(tǒng)
完全利用水下生產(chǎn)系統(tǒng)和海底管線，而無任何水面生產(chǎn)系統(tǒng)對海上油氣田進(jìn)行開發(fā)的一種模式。Sn?hvit是挪威海域的第一個沒有任何水面設(shè)施的水下油田開發(fā)工程，沒有任何水面設(shè)施在海面上。水下生產(chǎn)設(shè)施安裝在水深大約是250-345米的海底。將要鉆20多口井來進(jìn)行這三個油田原油的生產(chǎn)，生產(chǎn)出來的原油和天然氣將通過145公里長的管線輸送到陸地上。
展開 當(dāng)前主流的半潛式鉆井平臺都具備有橫撐結(jié)構(gòu)。橫撐界面直徑相對于波浪屬于小量，我們知道這種情況下粘性力是主要波浪載荷，需要用Morrison方程來求解小直徑結(jié)構(gòu)物收到的波浪載荷情況。因而半潛鉆井平臺需要兩部分模型：1傳統(tǒng)意義上的面源水動力模型；2Morrison桿件模型，這二者組成的水動力計算模型也成為混合模型。
在AQWA中，混合模型可以通過經(jīng)典ANSYS來建立,具體步驟為：
1.定義單元，面單元為Shell63，管件為pipe59；
2.依據(jù)立柱、浮箱尺寸建立外殼；
3.建立pipe模型；
4.對外殼模型進(jìn)行單元劃分；對桿件進(jìn)行單元劃分，注意，桿件單元不宜過大，否則不能捕 捉波浪對桿件的影響；
5.輸出混合模型，在文本編輯器中對模型文件進(jìn)行修改。
模型修改完成后進(jìn)行常規(guī)計算時，AQWA僅考慮桿件的附加質(zhì)量影響。我們知道，Morrison方程粘性力項(xiàng)是關(guān)于速度平方的，即：
Fd=CdρD/2|u|u，方程還可以表達(dá)為Fd=（Cd|u|）ρD/2 u
這就表明，該力是非線性的。在時域分析中，桿件的粘性力可以在各個時間步長內(nèi)就行求解，但在頻域內(nèi)，需要對Cd|u|項(xiàng)進(jìn)行線性化處理，線性化處理的前提是要有給定的不規(guī)則波環(huán)境條件。
指定環(huán)境條件為Hs=3.0m，Tp=10s。
對平臺進(jìn)行計算后比較升沉RAO如圖所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，桿件對于升沉的阻尼作用還是較為明顯的。
前文已經(jīng)說過，時域分析中可以完全考慮Morrison粘性力的作用，為何還要在頻域中進(jìn)行計算？
從粘性載荷方程可以知道，不同海況下平臺運(yùn)動速度不同，產(chǎn)生的阻尼作用也就不同。在設(shè)計階段，想要準(zhǔn)確的掌握平臺運(yùn)動性能，頻域運(yùn)動分析是必不可少的。
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半潛式平臺的最新內(nèi)容
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(chǔ)（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(qū)域定義的面積上的綜合力。
圖9.
對于像半潛式平臺和張力腿平臺這樣的結(jié)構(gòu)，預(yù)測最小空隙和甲板撞擊事件的概率是具有挑戰(zhàn)性的。
一個SPAR對12米高的波浪的動態(tài)反應(yīng)
由于氣隙設(shè)計中必須考慮到與平臺腿的相互作用，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)測由此產(chǎn)生的甲板沖擊載荷就變得非常重要。
關(guān)鍵詞：非對稱半潛式起重平臺；勢流理論；系泊系統(tǒng)；懸鏈松弛度
0 引言
半潛式平臺擁有優(yōu)良的運(yùn)動性能，在海上石油勘探、開采方面得到了廣泛的應(yīng)用[1–2]，半潛式起重支持平臺在海上石油開發(fā)過程中有著不可替代的作用[3]。
本文研究的新型半潛式起重平臺（非對稱）（見圖1），與傳統(tǒng)的半潛平臺結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別。
較經(jīng)典半潛式平臺，新平臺降低平臺整體質(zhì)量可達(dá)近10%量級；相較于單柱式平臺，新平臺降低吃水深度幅度達(dá)80%，可有效提高適用水深范圍。綜合對比新平臺與經(jīng)典半潛式與單柱式平臺水動力性能，該新型浮式平臺能夠明顯優(yōu)化水動力系數(shù)，在受到外部載荷后具有較好的恢復(fù)能力；新型浮式平臺相較于半潛式平臺能夠明顯降低垂蕩峰值與其對應(yīng)波浪頻率，降低發(fā)生垂蕩共振的可能性。
近年來，越來越多的國家重視發(fā)展多功能海洋平臺，以半潛式海洋平臺結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合風(fēng)能-波浪能-潮流能海上互補(bǔ)發(fā)電海洋平臺，深水鉆井平臺、海洋牧場都是國際上主要探討和研究的話題。2012年，我國第六代深水半潛式鉆井平臺投入使用[1]，其最大作業(yè)水深達(dá)到2451m。2011年，日本開發(fā)制造了“Wind Lens”平臺[2]，整個平臺安裝了2臺風(fēng)力機(jī)波浪能裝置和太陽能。
近年來，越來越多的國家重視發(fā)展多功能海洋平臺，以半潛式海洋平臺結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合風(fēng)能-波浪能-潮流能海上互補(bǔ)發(fā)電海洋平臺，深水鉆井平臺、海洋牧場都是國際上主要探討和研究的話題。2012年，我國第六代深水半潛式鉆井平臺投入使用[1]，其最大作業(yè)水深達(dá)到2451m。2011年，日本開發(fā)制造了“Wind Lens”平臺[2]，整個平臺安裝了2臺風(fēng)力機(jī)波浪能裝置和太陽能。
2017年2月13日，全球最先進(jìn)超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺“藍(lán)鯨1號”在煙臺命名交付，其整體用鋼約40000多噸，其中10%為超強(qiáng)超厚鋼?！八{(lán)鯨1號”是我國船廠在海洋工程超深水領(lǐng)域的首個“交鑰匙”工程，具有里程碑意義。
鋼鐵作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺、生產(chǎn)平臺以及海底管道等。
為海上浮式生產(chǎn)儲油船供油▲
為大型礦砂船供油▲
海軍節(jié)為到訪的多國艦艇供油▲
為半潛式鉆井作業(yè)平臺供油
2017年2月13日，全球最先進(jìn)超深水雙鉆塔半潛式鉆井平臺“藍(lán)鯨1號”在煙臺命名交付，其整體用鋼約40000多噸，其中10%為超強(qiáng)超厚鋼?！八{(lán)鯨1號”是我國船廠在海洋工程超深水領(lǐng)域的首個“交鑰匙”工程，具有里程碑意義。
鋼鐵作為海洋工程裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于鉆井平臺、生產(chǎn)平臺以及海底管道等。
5）浮動平臺結(jié)構(gòu)：浮動平臺結(jié)構(gòu)，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(yè)常用的結(jié)構(gòu)形式，它們在近幾年逐漸應(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。
