【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及深海油气资源开采，具体涉及一种ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法。
技术介绍
1、在深海油气资源开采领域，spar平台因经济性好、拖航方便、稳定性强等优点，被广泛应用。
2、spar平台及其系泊与立管系统，实现了深海复杂动力环境下平台定位及采油输油的目标。spar平台在深海环境中受风浪流等多动力要素影响，平台及系泊立管系统运动、动力响应一直受到高度关注。
3、如图1所示，在《ct-spar平台疲劳寿命分析及其锚链系泊系统设计》中提出了一种ct-spar平台。该ct-spar平台顶部甲板模块通常有2到4层，主要布置油气处理设备、生活设施、直升机甲板等，可进行钻探、维修等工作。
4、平台的主体结构自上而下依次为硬舱、中段、软舱。硬舱由多个等直径圆柱体组成，提供平台所需大部分浮力。硬舱中还设有一些压载调节舱，以调节平台姿态和吃水。中段为桁架结构，桁架结构中垂荡板的存在使平台垂向运动的附加质量与阻尼系数增大，减小垂荡响应效果明显。软舱中设置固定压载舱，以降低平台重心，维持平台稳定。
5、ct-spar平台选择张紧式系泊作为其系泊系统，系泊缆为分段式系泊缆，即系泊缆由三段组成，其中首段和尾段由钢链组成，中间段由聚酯缆组成。为减少系泊缆的动力荷载，将系泊缆的导缆器安装在平台重心高程附近。
6、立管系统主要由生产立管、钻井立管、输出立管、输送立管等部分组成。深海平台中多采用钢悬链线立管(scr)，因为顶端张紧立管(ttr)难以适应平台较大的偏移量与升沉
7、ct-spar平台结合了truss spar平台设计垂荡板以减小垂荡响应的优势和cellspar平台建造小直径圆柱体的优势，运动性能良好，也降低了建造难度。中段的桁架结构设计能够节省约50％的钢材，大大节约了建造和运输成本。开放式的桁架结构减小了平台主体结构的水平面积，使得平台所受水平荷载减小，在海流严重的水域内平台的水平运动响应也会相应减小。
8、但是，ct-spar平台的垂荡板数目是参考其他类似spar平台4块垂荡板的设计，并未结合平台自身的水动力特性进行优化分析；对张紧式系泊缆的预张力合适的取用数值也缺乏合适的优化分析；在深海中进行采油作业时钢悬链线立管会承受很大的张力，为解决立管张力过大的问题，目前普遍采用的方法是在立管上安装浮子，但对浮子的特性，如浮子位置、浮子浮力的取值也缺乏合适的优化分析；综上ct-spar平台及其系泊与立管工作系统均存在较大的优化空间，缺乏合适的优化分析方法。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，解决了ct-spar平台及其系泊与立管工作系统缺乏优化分析方法的问题。
3、(二)技术方案
4、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
5、一种ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，所述优化分析方法包括步骤如下：
6、s1、采用三维势流理论计算ct-spar平台垂荡方向上的运动响应，分析不同垂荡板数目时ct-spar平台的水动力特性，求得最适合的垂荡板数目；
7、s2、采用动力分析中的有限单元法对ct-spar平台的系泊系统张力进行分析；
8、s3、采用动力分析中的有限单元法对浮子位置、浮子浮力的取值进行优化分析。
9、优选的，所述s1中，三维势流理论计算方法为：
10、φ＝φi+φd+φr
11、式中，φ为总的速度势函数；
12、φi为总的入射势函数；
13、φd为总的绕射势函数；
14、φr为总的辐射势函数；
15、流体场的势函数为φ(x,y,z,t)，那么流体场内的速度势函数需满足：
16、
17、入射势取已知的一固定周期及一固定方向入射的波产生的速度势，则水深无限时，入射势为：
18、
19、式中，g为重力加速度；
20、a为波幅；
21、k为波数；
22、ω为波浪频率；
23、ε为相位角；
24、β为入射波浪向角；
25、h为波高；
26、流场内绕射问题应满足下述定解条件：
27、
28、
29、
30、
31、流场内辐射问题应满足下述定解条件：
32、
33、
34、
35、
36、
37、式中，nj为结构物外法线方向上的单位矢量，j＝1，2，3，4，5，6；
38、
39、优选的，所述定解条件均在o-xyz直角坐标系内进行计算，原点o在水面，x轴正向为波的传播方向，z轴正向为静止水面的法线方向；用格林定理对上述边界条件进行求解，最终可得总速度势函数φ，再由总速度势函数φ求解结构物表面所受荷载和各自由度上的运动响应。
40、优选的，当波浪频率接近平台自振频率时，平台垂荡响应最大；当波浪频率在0.24～0.28rad/s之间时，ct-spar平台垂荡rao达最大值，垂荡板数目越多，垂荡rao越小；当垂荡板数目为3时，平台垂荡rao为无垂荡板时的75％，垂荡板数目继续增加时，平台垂荡响应值减小幅度显著降低。
41、优选的，有限单元法的动平衡方程为：
42、
43、式中，为惯性力矢量；
44、为阻尼力矢量；
45、rs(r,t)为内部结构力矢量；
46、为外力矢量；
47、r为结构物的位移；
48、为结构物的速度；
49、为结构物的加速度；
50、t为结构物运动时间；
51、惯性力矢量的表达式为：
52、
53、式中，m为系统质量矩阵；
54、ms为结构质量矩阵；
55、mf为内部流体质量矩阵；
56、mh为结构加速度水动力质量矩阵；
57、阻尼力矢量的表达式为：
58、
59、式中，c为系统阻尼矩阵；
60、cs(r)为结构阻尼矩阵；
61、ch(r)为水动力阻尼矩阵；
62、cd为特定离散阻尼矩阵。
63、优选的，所述系泊系统采用三段式系泊缆，每根系泊缆自上而下依次包括上段钢缆、中段聚酯缆和下段钢缆；钢缆和聚酯缆所受最大张力与系泊缆预张力呈正相关关系；位移方面，平台纵荡位移与系泊缆预张力负相关；预张力小于最优值时，预张力的增大使得平台纵荡位移值迅速减小；预张力大于最优值时，平台纵荡位移值随着预张力的增大而减小缓慢。
64、优选的，立管最大张力随浮子距立管顶端距本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述优化分析方法包括步骤如下：
2.如权利要求1所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述S1中，三维势流理论计算方法为：
3.如权利要求2所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述定解条件均在O-XYZ直角坐标系内进行计算，原点O在水面，X轴正向为波的传播方向，Z轴正向为静止水面的法线方向；用格林定理对上述边界条件进行求解，最终可得总速度势函数Φ，再由总速度势函数Φ求解结构物表面所受荷载和各自由度上的运动响应。
4.如权利要求3所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，当波浪频率接近平台自振频率时，平台垂荡响应最大；当波浪频率在0.24～0.28rad/s之间时，CT-Spar平台垂荡RAO达最大值，垂荡板数目越多，垂荡RAO越小；当垂荡板数目为3时，平台垂荡RAO为无垂荡板时的75％，垂荡板数目继续增加时，平台垂荡响应值减小幅度显著降低。
5.如权利要求1所述
6.如权利要求5所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述系泊系统采用三段式系泊缆，每根系泊缆自上而下依次包括上段钢缆、中段聚酯缆和下段钢缆；钢缆和聚酯缆所受最大张力与系泊缆预张力呈正相关关系；位移方面，平台纵荡位移与系泊缆预张力负相关；预张力小于最优值时，预张力的增大使得平台纵荡位移值迅速减小；预张力大于最优值时，平台纵荡位移值随着预张力的增大而减小缓慢。
7.如权利要求5所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，立管最大张力随浮子距立管顶端距离的增加呈先减小后增大的趋势。当浮子距立管顶端的悬垂段百分比为60％时，立管的张力最小。
8.如权利要求5所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，立管张力随着浮子浮力的增大逐渐减小，但是减小的趋势越来越缓慢。
9.如权利要求5所述的CT-Spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述浮子浮力不宜过大，浮子浮力过大会导致立管发生过度弯曲的现象，危及立管安全。
...【技术特征摘要】
1.一种ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述优化分析方法包括步骤如下：
2.如权利要求1所述的ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述s1中，三维势流理论计算方法为：
3.如权利要求2所述的ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，所述定解条件均在o-xyz直角坐标系内进行计算，原点o在水面，x轴正向为波的传播方向，z轴正向为静止水面的法线方向；用格林定理对上述边界条件进行求解，最终可得总速度势函数φ，再由总速度势函数φ求解结构物表面所受荷载和各自由度上的运动响应。
4.如权利要求3所述的ct-spar平台及其系泊与立管工作系统优化分析方法，其特征在于，当波浪频率接近平台自振频率时，平台垂荡响应最大；当波浪频率在0.24～0.28rad/s之间时，ct-spar平台垂荡rao达最大值，垂荡板数目越多，垂荡rao越小；当垂荡板数目为3时，平台垂荡rao为无垂荡板时的75％，垂荡板数目继续增加时，平台垂荡响应值减小幅度显著降低。
5.如权利要求1所述的ct-spar平台及其系泊与立管工...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙洁莹，王逸飞，陈辉，黄宇明，何文君，杨啸宇，刘桂友，陈犇，吴雷，李岩，王鑫焱，井锦旭，冉辛宁，
申请(专利权)人：安徽省水利水电勘测设计研究总院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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