深海采油平台运动抑制的理论与实验研究

IMECH-IR > 流固耦合系统力学重点实验室

	深海采油平台运动抑制的理论与实验研究
英文题名	Theoretical and Experimental Study on Motion Suppression of Deep-sea Platform
	张良
导师	周济福
	2016
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	流体力学
摘要	世界经济迅猛发展，各国能源的需求也急剧增加。陆地和浅海石油资源储备越来越少，其开采难度越来越大，石油开采重心已经移向深海。深海浮式结构是一种重要的常见的用于深海石油开采的大型结构。常见的浮式平台有张力腿平台、半潜式平台和Spar平台。张力腿平台(Tension Leg Platform，简称TLP)，是一种典型的深海油气开采平台形式。从结构特点上看，张力腿平台是一个刚性系统（平台上部利用立柱与浮箱连接）和弹性系统（张力腿系泊系统）两者综合的复杂非线性动力系统。目前世界上所有在役和在建的TLP平台已有上百座，TLP平台已经成为当今深海采油领域的主要平台形式之一。在波涛汹涌的深海海域中，浮式平台在海上作业不可避免的要受到多种极端载荷的作用和影响。张力腿平台在系索张力变化和平台本体浮力变化的控制下会产生整体运动。平台平面内整体运动是低频大振幅的，而平台平面外各自由度则存在较高频的小振幅整体运动。当张力腿平台进行实际作业时，平台会在波浪、风海流的共同作用下会产生持续性的、明显的整体运动。对于大型工程结构，通过增加结构强度、增大结构尺寸往往能减小其整体运动，然而深海浮式平台造价非常高昂，这种方法会额外增加数十亿的资金投入，成本高、效率低。相比之下，为结构添加减振设备来进行结构振动控制无疑是更好的一种方式。本文对双气室空气弹簧减振器的减振理论进行了推导，并对其减振效果进行了验证。本文首先建立了单个空气弹簧垂向减振系统，用来初步分析验证双气室空气弹簧减振器的对张力腿垂荡运动的抑制效果，探究了减振器和平台的频率响应函数。本文进一步建立了多个空气弹簧减振器与张力腿平台多自由度耦合系统，并考察了不同波浪周期作用下，减振器对张力腿平台整体运动的抑制效果。本文对双气室空气弹簧刚度和阻尼特性进行了研究。本文分别采用并联模型和串联模型来模拟气室空气弹簧结构。本文采用正交试验的方法分析了上下气室体积比、节流孔板的开孔率、外加荷载的频率和幅值这四个因素，对双气室空气弹簧刚度和阻尼的影响规律。依据试验结果构建了对于双气室空气弹簧刚度和阻尼的三次多项式快速计算模型，并通过实验验证了该快速计算模型方法的可靠性。基于该快速计算模型，只要给定了上下气室的体积、节流板的开孔率、外载荷的幅值以及频率等参数，就可以通过公式进行快速计算得到双气室空气弹簧的刚度和阻尼系数。双气室空气弹簧是一种重要的减振装置，而阻尼孔的形状和数量直接影响到双气室空气弹簧的阻尼特性。本文研究了体积比，圆形开孔率，激励幅度和频率对双气室空气弹簧阻尼特性的影响规律。本文为了对不同形状开孔进行分析，引入了一个衡量图像复杂程度的无量纲数：面积周长平方比。分析了在相同开孔面积的条件下，不同形状开孔的阻尼板对空气弹簧的阻尼特性影响规律。最后还分别分析了在相同开孔面积条件下，不同开孔数量对空气弹簧阻尼孔特性的影响规律。为了达到对于张力腿平台纵荡、横荡、垂荡、横摇与纵摇五自由度的运动抑制，我们将空气弹簧减振器与现有较成熟的调节液柱阻尼器（TLCD）相结合，建立一个应用于张力腿平台的运动抑制系统。并对该动抑制系统进行了减振效果和能量传递关系的分析。提出一个可应用于多种平台形式，可适应多种海况的五自由度运动抑制系统，并对某一海况中作业的张力腿平台提出了具体的运动抑制方案。通过对规则波和随机波作用下张力腿平台的动力响应分析可以确认垂向减振装置和TLCD组合而成的运动抑制系统能够使张力腿平台获得更好的运动性能。此外，该运动抑制系统仅仅是对平台的各自由度运动起到了减振的效果，它并不会改变张力腿平台的基本运动特性。
索取号	31373
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59472
专题	流固耦合系统力学重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	张良. 深海采油平台运动抑制的理论与实验研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.

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2016523160922.pdf（4936KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文