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新型张力腿平台设计将突破水深限制

新型张力腿平台设计将突破水深限制

研究表明,张力推平台的应用限制不仅来自于水深,而是有效载荷、水深与设计环境的共同作用。依据初步分析,新型蜂窝式张力筋腱能够将张力腿平台的可应用水深增加40%。

来自 | INTECSEA, WorleyParsons Group
编译 | 张毅

张力腿平台(TLP)因其在横摇、纵摇和垂荡三个自由度上良好的响应,被公认为恶劣环境下支撑顶部张紧立管的理想平台。在较浅水深(600~1,200 米,即1,968~3,937 英尺)时,张力腿平台(TLP)是最适用于支撑钢质悬链线式立管的平台,不仅能够提供较大的甲板通风面积,还能够在码头完成全部组装。然而,由于深水环境下张力腿设计的限制,业内一向认为张力腿平台不适用于水深超过1,600~1,800 米 (5,249~5,905 英尺)的环境。

张力腿平台(TLP)应用

张力腿平台(TLP)在油气行业被广泛应用于干式井口以及水下井口、水深100米~1,500 米(32英尺~4,921英尺)的工况。在对生产井进行直接垂向检修方面,顶部张紧立管具有优势。但由于张紧行程的限制,采用顶部张紧立管就要搭配能将垂荡响应降至最低的浮动系统。业内一直认为,在水深超过1,828米(6,000英尺)的环境下,张力腿平台的张力筋腱设计便不再切合实际,且张力腿平台(TLP)的可行性也无法建立。然而事实证明,目前已经有制造商能够提供壁厚达1.7英寸的张力筋腱钢管。如此壁厚的管材,如果管线外径较小,便能轻松承受2,800m水深的水柱压力。

张力腿平台(TLP)应用的真正限制在于要实现横摇、纵摇和垂荡固有周期(通常短于4秒),以避免张力腿平台(TLP)的不良动力响应。因为固有周期取决于质量及刚度,所以张力腿平台(TLP)应用的限制性是由排水量(有效载荷)、水深及环境(地点)共同作用决定的。但是研究人员很快就会发现,张力腿平台(TLP)受水深限制的简单假设是值得怀疑的。

传统张力腿平台在墨西哥湾和西非海上的可行性空间图

传统张力腿平台在墨西哥湾和西非海上的可行性空间图

墨西哥湾的张力腿平台(TLP)设计

此次研究的对象为位于墨西哥湾中部的张力腿平台(TLP),承载的上部设备载荷包括53,491公吨(大型)、32,176公吨(中型)及7,573(小型)。在迭代过程中改变水深,探究三种设计方案的可行性,判别标准包括:

1.重型起重货船的空船吃水;
2.满足大部分造船厂干船坞规格的平台最大宽度;
3.无承重下,张力腿水中重力低于228公吨(500千磅);
4.张力腿壁厚不高于目前制造能力,且壁厚小于43.2毫米(1.7 英寸);
5.平台垂荡和横摇/纵摇固有周期分别不超过4.7和4.0秒;
6.张力腿利用系数与相互作用率应小于1.0,以满足规范要求(参照API RP 2T标准)。

假设张力腿平台张力筋腱最大数量为16根。考虑平台本体空间及张力腿预安装的限制,上述数字比较合理也切合实际。研究人员把研究对象设定为传统船型配四根立柱、并布置在立柱低端环形浮桥的形式。研究人员利用WAMIT软件(MIT)与内部工具对三个张力腿平台设计的整体性能及张力筋腱进行分析验证。同时检查张力筋腱的张力RAOs计算以及关键设计数据。全部设计参数均在可行范围内。

研究发现,在水深1,052米(3,451英尺)、1,692米(5,551英尺)和2,408米(7,900英尺),上部设备重量分别为53,491公吨、32,176公吨和7,573公吨时,能够建立可行性。也就是说,配传统张力腿的平台,只要上部载荷限制在约8,000 公吨,就可应用在墨西哥湾中部、水深8,000英尺(2,438米)的恶劣环境。

新型张力腿平台设计将突破水深限制

表1 墨西哥湾张力腿平台关键设计参数

西非地区张力腿平台设计

采用与上述同样的方式,研究人员对位于西非海上的张力腿平台进行研究。假设研究对象的上部负载为58,000公吨(大型)、39,500公吨(中型)及9,500(小型)。在迭代过程中改变水深,探究三种设计方案的可行性方案。项目采用了与研究墨西哥湾张力腿平台设计一样的可行性标准。实验结果再一次显示,张力筋腱的张力RAOs计算以及关键设计数据均在可行空间内。

研究发现,在水深1,219米(4,000英尺)、1,829米(6,000英尺)以及2,743米(9,000英尺)时,上部设备重量分别为59,000公吨、39,500公吨以及9,500公吨时,能够建立可行性。也就是说,配传统张力腿的平台,只要上部载荷限制在约9,500 公吨,就可应用在西非水深9,000英尺(2,743米)的环境。

新型张力腿平台设计将突破水深限制

表2 西非张力腿平台关键设计参数

可行性空间

墨西哥湾中部与西非海上张力腿平台的可行性空间依据上述研究建立。调查根据平台上部有效载荷、水深与环境标准(设计使用区域决定)研究其可行性空间。结果显示,根据有效载荷与环境因素,采用传统张力筋腱的张力腿平台在水深超过2,800米(9,186英尺)可行

在墨西哥湾位于较浅水深较浅、但载荷很大的张力腿平台,设计主要由张力筋腱效用支配;在中等水深、中等载荷的环境下,张力筋腱效用、固有周期(取决于质量与刚度)以及张力筋腱在水中的重力为支配性参数;超深水、小载荷设计平台同样由张力筋腱效用、固有周期和张力筋腱在水中的重力支配。

对于西非海上大载荷、浅水深工况的张力腿平台,其设计由固有周期的要求支配;而固有周期、张力筋腱IR效用和张力筋腱在水中的重力仍然是张力腿平台在中等水深、中等载荷以及超深水环境中设计的决定因素。由于环境更加温和,所以位于西非海上的张力腿平台的可行性空间要比墨西哥湾的更大一些。西非海上与墨西哥湾张力腿平台的可行性空间图几乎均为线性。需要注意的是,可行性空间会依据可行性标准的改变而提高或降低。

替代性张力筋腱设计

业内一直在探索具有替代性的非传统张力筋腱设计,旨在拓展传统张力腿平台的可行性空间极限。作者希望在此对蜂窝式张力筋腱的设计进行讨论。这类设计与传统张力筋腱的主要部件相同。举例来说,二者都是张力腿顶部段与平台本体相连、张力腿下段与海底基座相连、主体通过水柱将两段相连。蜂窝式张力腿的独特设计在于主体部分,其采用多根金属细管替代一根钢管,同时装有一个用于连接顶部段的上部转换单元和一个连接下段的底部转换单元;顶部与底部的连接器与传统张力腿的连接器一致;另外,张力监控单元也可以采用传统装置。

研究人员针对两种类型的蜂窝式张力筋腱进行了研究调查—整体式以及混合式蜂窝式张力筋腱。整体蜂窝式张力腿设计的主体全部采用蜂窝式技术,也就是说不需要连接器,张力筋腱在船厂整体制造,拖到现场竖立安装。而在混合式蜂窝式张力腿的设计中,只有张力腿主体部分采用蜂窝式技术,其他部分与传统张力腿一样,每个主体段长度(蜂窝式或传统型)都限制在90米(295英尺)以内,连接器用于连接主体段,这点与传统设计一致。蜂窝式张力腿技术通过使用多根管束,帮助设计者以单根直径更小的张力筋腱管去实现整体更大的横截面积;同时,张力筋腱钢管选择合理壁厚,解决了传统张力筋腱设计中,顶部利用系数与底部相互作用率相关的问题。

凭借上文提到的更大面积,蜂窝式张力筋腱同时具备了更高的刚度。相比于本部分研究的假设条件,蜂窝式张力筋腱在更大的水深环境下,依然可以控制张力腿平台垂荡、横摇与纵摇的固有周期,使其低于所需的4.7与4.0秒。管束包围合成泡沫的形式降低了张力腿在水下的重力,而该重力似乎正是传统设计中的一个支配性参数。初步分析显示,利用蜂窝式张力筋腱能够将张力腿平台的可应用水深增加40%。

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