一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构；2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置，本发明专利技术能够降低在最初的方案设计时对系泊系统的多个设计参数进行反复试算调整的工作量，可以广泛应用于深水海洋工程领域中。

A planning and design method for polyester fiber taut mooring system

The planning and design method of the present invention relates to a polyester fiber tension of the mooring system, which is characterized in that the method comprises the following steps: 1) select a specification of the polyester fiber cable and anchor mooring system as each rope sectional materials, and to determine the segment structure of each cable rope mooring system in general; 2) the initial arrangement of mooring system for a given platform, and according to the determined each rope segment structure of offshore platform gets back stiffness curve in the horizontal offset direction; 3) were tested under extreme environments according to the initial layout of mooring system for back stiffness for a given curve, and then get to meet the general layout of mooring system the index requirements, the invention can reduce the initial design scheme of multiple design parameters on the mooring system are repeatedly adjusted the workload can be widely It is applied to deepwater marine engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法
本专利技术是关于一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，属于深水海洋工程领域。
技术介绍
随着人类对海洋油气的勘探开发活动逐渐走向深水，定位技术快速发展，原先的悬链线系泊系统逐渐被张紧型系泊系统所取代，张紧型系泊系统的主要优势包括定位精度的提升、材料的节省、较小的系泊系统半径、预张力和设备规格的降低和方便安装等。张紧型系泊系统缆绳的材料包括聚酯纤维、高强聚乙烯和尼龙等，其中又以聚酯纤维材料使用最多。采用聚酯纤维作为系泊材料时，缆绳的回复力主要来自其轴向形变，缆绳本身在水中的质量较轻，因此锚基础将同时承受水平方向和垂直方向的上拔载荷。此外，由于聚酯纤维本身的分子结构包含晶体结构与非晶体结构，当缆绳两端出现静态张力与动态张力时，非晶体结构不能迅速产生形变，导致缆绳的轴向刚度随载荷作用时间、幅值及周期等参数变化而变化。两者为系泊系统的设计带来新的问题。目前工程界针对以上问题提出多种力学模型，并被各大船级社写入规范用于系泊系统的校核，其中使用最广的是采用上下边界轴向刚度模型的系泊系统校核方法，即采用刚度的上限(风暴刚度)用于缆绳张力的计算，采用刚度的下限(安装后刚度)用于船体偏移的计算，该方法应用相对简单，所获得的结果偏于保守，在方案初始设计时被广泛采用。然而，目前各类系泊系统校核的设计规范仅给出了系泊系统在极端环境作用下应该符合的技术指标，如最大缆绳张力、缆绳与海底的接触点位置等，但没有提供如何选取设计参数使系泊系统能够满足技术指标要求的方法。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够选取出满足系泊系统校核设计规范技术指标要求的设计参数，进而选取出满足技术指标要求的系泊系统的聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构；2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置。进一步地，所述步骤1)中确定系泊系统中每根缆绳的分段结构，具体过程为：①选取某一规格的聚酯纤维缆绳，并获取该聚酯纤维缆绳的刚度上限、刚度下限和轴向破断拉力，以及海上平台上导缆器处的水深；②设定每根聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；③设定静止状态下每根聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；④计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力；⑤判断每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力是否小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力：若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则进入步骤②增加该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；若夹角初值增加至设定角度，计算的聚酯纤维缆绳最大轴向张力仍大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则进入步骤1)选取另一规格的聚酯纤维缆绳；若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则选定该规格的聚酯纤维缆绳，直接进入步骤⑥；⑥采用与聚酯纤维缆绳轴向破断拉力相同的两锚链分别替换聚酯纤维缆绳下部和上部的同等长度，使替换后缆绳在导缆器位置的静态预张力不变，进而确定缆绳的分段结构。进一步地，所述步骤④中计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力，具体过程为：聚酯纤维缆绳在静态预张力下的长度Lpre：其中，D为海上平台上导缆器处的水深；θ为确定的该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；聚酯纤维缆绳的原长L：其中，Kpost为聚酯纤维缆绳的刚度下限；Fpre为聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；在海上平台静止条件下锚点至导缆器的水平距离d：d＝Lprecosθ(3)当海上平台出现最大水平偏移后，此时锚点至导缆器的的水平距离dmax为：dmax＝d+Xpermit(4)其中，Xpermit为海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移；聚酯纤维缆绳的最大轴向长度Lmax：此时，聚酯纤维缆绳的最大轴向张力Tmax：其中，Kstorm为聚酯纤维缆绳的刚度上限。进一步地，所述步骤⑥中确定缆绳的分段结构，具体过程为：多段悬连线方程组：其中，i为分段节点，且i＝0,1,2，分别表示缆绳的下部锚链段、中部聚酯纤维段和上部锚链段的底部一端；为分段节点i处的拉力水平分量；为分段节点i处的拉力垂直分量；Ti为分段节点i处的拉力；qi为分段节点i处受到的单位长度水中重力；Li为分段节点i所在缆绳相应段的原始长度；Hi为分段节点i所在缆绳相应段的水平投影长度；Ei为分段节点i所在缆绳相应段的杨式模量；Ai为分段节点i所在缆绳相应段的横截面积；Vi为分段节点i所在缆绳相应段的水平垂直长度；在上述多段悬连线方程组中，仅缆绳的上部锚链段拉力水平分量上部锚链段拉力水垂直分量和上部锚链段原始长度L2为未知量，其他参数均为已知量或由上述三个未知量表示，此时引入三个边界条件：通过求解上述边界条件即能够得到缆绳的上部锚链段拉力水平分量上部锚链段拉力水垂直分量和上部锚链段原始长度L2，进而能够确定缆绳的分段结构。进一步地，所述步骤2)中获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程为：a)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，计算海上平台在平衡位置处沿某一方向出现的水平偏移量Δd：其中，x0为海上平台的偏移在x方向的分量，y0为海上平台的偏移在y方向的分量；b)根据确定的缆绳分段结构，获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线。进一步地，所述步骤b)中获取该系泊系统给定海上平台的总体回复力和海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线，具体过程为：假设海上平台中心位于原点0，对于缆绳Li，向某一方向水平偏移Δd后，每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi：其中，xi为第i根缆绳的锚点在x方向下的坐标，yi为第i根缆绳的锚点在y方向下的坐标；由于单根缆绳的分段结构已确定，因此每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量仅需求解多段悬连线方程组(11)得到：将每根缆绳的上部锚链段拉力水平分量进行叠加后，即可获得此时系泊系统给定海上平台的总体回复力，当每根缆绳锚点至导缆器水平距离的变化量Δdi变化时，即可获得系泊系统在水平偏移方向下的回复刚度曲线。进一步地，所述步骤3)中得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置，具体过程为：A)计算海上平台在某方向极端环境下受到的风载荷、海流载荷和波浪漂移力载荷，并计算静态定常载荷；B)根据回复刚度曲线中的插值计算此时海上平台的最大静态水平偏移，并计算海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值；C)根据计算的海上平台的最大静态水平偏移、海上平台在波浪下的波频运动均方根值和低频运动均方根值，计算缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力；D)通过判断海上平台在静态定常载荷作用下的最大水平偏移是否超过海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移，以及判断缆绳在静态定常载荷作用下的最大系泊缆绳张力是否大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，确定初始的系泊系统总体布置是否为满足技术指标要求的系泊系统总本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构；2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置。

【技术特征摘要】
1.一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取某一规格的聚酯纤维缆绳和锚链作为系泊系统中每根缆绳分段的材料，并确定系泊系统中每根缆绳的分段结构；2)给定一海上平台的初始系泊系统总体布置，并根据确定的每根缆绳分段结构获取海上平台在水平偏移方向下回复刚度曲线；3)根据获取的回复刚度曲线对给定的初始系泊系统总体布置进行极端环境下的检验，进而得到满足技术指标要求的系泊系统总体布置。2.如权利要求1所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤1)中确定系泊系统中每根缆绳的分段结构，具体过程为：①选取某一规格的聚酯纤维缆绳，并获取该聚酯纤维缆绳的刚度上限、刚度下限和轴向破断拉力，以及海上平台上导缆器处的水深；②设定每根聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；③设定静止状态下每根聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；④计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力；⑤判断每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力是否小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力：若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则进入步骤②增加该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；若夹角初值增加至设定角度，计算的聚酯纤维缆绳最大轴向张力仍大于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力，则进入步骤1)选取另一规格的聚酯纤维缆绳；若每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力小于预设聚酯纤维缆绳轴向破断拉力则选定该规格的聚酯纤维缆绳，直接进入步骤⑥；⑥采用与聚酯纤维缆绳轴向破断拉力相同的两锚链分别替换聚酯纤维缆绳下部和上部的同等长度，使替换后缆绳在导缆器位置的静态预张力不变，进而确定缆绳的分段结构。3.如权利要求2所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤④中计算每根聚酯纤维缆绳的最大轴向张力，具体过程为：聚酯纤维缆绳在静态预张力下的长度Lpre：其中，D为海上平台上导缆器处的水深；θ为确定的该聚酯纤维缆绳与海底泥面的夹角初值；聚酯纤维缆绳的原长L：其中，Kpost为聚酯纤维缆绳的刚度下限；Fpre为聚酯纤维缆绳在导缆器位置的静态预张力；在海上平台静止条件下锚点至导缆器的水平距离d：d＝Lprecosθ(3)当海上平台出现最大水平偏移后，此时锚点至导缆器的的水平距离dmax为：dmax＝d+Xpermit(4)其中，Xpermit为海上平台在极端环境下允许出现的最大水平偏移；聚酯纤维缆绳的最大轴向长度Lmax：此时，聚酯纤维缆绳的最大轴向张力Tmax：其中，Kstorm为聚酯纤维缆绳的刚度上限。4.如权利要求3所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤⑥中确定缆绳的分段结构，具体过程为：多段悬连线方程组：其中，i为分段节点，且i＝0,1,2，分别表示缆绳的下部锚链段、中部聚酯纤维段和上部锚链段的底部一端；为分段节点i处的拉力水平分量；为分段节点i处的拉力垂直分量；Ti为分段节点i处的拉力；qi为分段节点i处受到的单位长度水中重力；Li为分段节点i所在缆绳相应段的原始长度；Hi为分段节点i所在缆绳相应段的水平投影长度；Ei为分段节点i所在缆绳相应段的杨式模量；Ai为分段节点i所在缆绳相应段的横截面积；Vi为分段节点i所在缆绳相应段的水平垂直长度；在上述多段悬连线方程组中，仅缆绳的上部锚链段拉力水平分量上部锚链段拉力水垂直分量和上部锚链段原始长度L2为未知量，其他参数均为已知量或由上述三个未知量表示，此时引入三个边界条件：通过求解上述边界条件即能够得到缆绳的上部锚链段拉力水平分量上部锚链段拉力水垂直分量和上部锚链段原始长度L2，进而能够确定缆绳的分段结构。5.如权利要求4所述的一种聚酯纤维张紧型系泊系统的规划设计方法，其特征在于，所述步骤2)中获取海上平...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晶瑞，谢彬，王世圣，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海油研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11