摘 要

随着海洋平台的大型化、综合化发展，海洋平台的上部组块质量不断增大，吊装法受起重能力限制不能满足大型海洋平台的安装需求，而浮托安装法相较于吊装法，具有安装能力更强、成本更低等优势，更适用于大型海洋平台的安装。海洋平台浮托安装法主要通过驳船将预先组装和调试完成的上部组块整体运输到安装地点，在适宜的海况条件下，通过压载驳船或借助液压泵等辅助装置将上部组块安装到平台下部结构上。浮托安装是一个复杂的动力响应过程，安装过程中，在风、浪、流等环境杂合的作用下，驳船、平台上部组块和下部结构间会发生相互碰撞。这些相互耦合的碰撞力使浮托安装系统的动力响应具有非线性的特性，引起强烈的非线性运动响应，如亚谐波共振，进而使浮托安装系统产生过大的碰撞力和运动载荷，威胁浮托安装的安全性。为保证浮托安装的安全实施，需要对安装过程中的动力响应进行预报，并通过优化浮托安装方案缓和浮托安装过程中的动力响应。本论文以导管架平台浮托安装为研究对象，采用ANSYS-AQWA对不同海况作用下浮托安装过程中的动力响应进行分析， 首先通过频域水动力分析，得到驳船的运动响应幅值算子（Response Amplitude Operator, RAO）、附加质量系数和附加阻尼系数，然后在频域分析的基础上进行时域分析，评估不同风、浪和流组合工况对驳船的运动响应以及桩腿耦合装置（Leg mating units-LMU）、甲板支撑装置（Deck support units-DSU）和护舷(Fenders)的碰撞力的影响规律，最后基于时域分析结果，讨论改变系泊系统参数对浮托安装系统稳定性的影响，提出了对于系泊系统优化方式。

关键词：浮托安装；频域水动力分析；运动响应；系泊优化

Abstract

Since the size and weight offshore platforms keep increasing, the traditional lift methods are impractical in installing large-size offshore platforms with their limited load capacities. Compared with lift methods, the float-over installation is preferred in installing large-size offshore platforms due to its large load capacity and relatively low cost. The float-over installation usually uses barges to transport the topsides in one piece. Then, the topsides is positioned over the pre-installed substructures by ballasting the barge or with other auxiliary equipment, such as hydraulic jacks. The float-over installation system is a complex dynamic system. Under the excitation of waves, winds and currents, intermittent impacts happen between the topsides, the barge and the substructures, which may induce strong nonlinear dynamic behaviors, such as subharmonic responses, and further jeopardize the safety of float-over installation. In order to ensure a safety installation, the dynamic responses arising in float-over installation need to be carefully evaluated, and soften by optimizing the mooring system. In this paper, the float-over installation of a jacket platform is chosen as subject. The numerical simulations are carried by ANSYS-AQWA. Firstly, the hydrodynamic characteristics of the barge are analyzed in frequency domain, and the RAO, added mass coefficients and added damping coefficients are obtained. Then, based on frequency domain results, the time domain analyses of float-over installation are performed. The motion responses, the impacts forces at damping systems (DSU, LMU and Fenders) are evaluated under different environment conditions. Finally, the influence of mooring systems’ parameter on the dynamic performance of float-over installation are discussed, and the mooring system is accordingly optimized to improve the stability of float-over installation.

Key Words: float-over; hydrodynamic analysis; motion response; mooring optimizing

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 海洋平台浮托安装方法 1

1.3 国内外研究现状 4

1.4 本论文研究内容 4

第2章 相关理论 7

2.1 频域水动力分析方法 7

2.1.1 浮体水动力计算 7

2.1.2 运动响应幅值（RAO）计算 8

2.2 时域分析方法 9

2.2.1 脉冲响应函数计算 9

2.2.2 风流载荷计算 10

2.2.3 系泊力计算 10

第3章 频域水动力分析 12

3.1 模型建立 12

3.1.1 参考坐标系建立与波浪方向定义 12

3.1.2 上部组块建立 12

3.1.3 驳船模型 13

3.1.4 导管架模型 14

3.1.5 粘性横摇阻尼 15

3.2 网格收敛性分析 15

3.3 分析工况设置 16

3.4 频域计算结果分析 17

3.5 附加质量与附加阻尼系数 19

第4章 时域计算结果分析 23

4.1 环境参数设置 23

4.2 时域模型建立 23

4.2.1 风流系数 23

4.2.2 系泊系统 24

4.2.3 护舷设置 25

4.2.4 刚性固定设置 26

4.2.5 DSU与LMU 26

4.3 稳定性分析 27

4.4 频域时域校核 28

4.5 时域结果分析 29

4.5.1 驳船六自由度运动分析 29

4.5.2 DSU与LMU受力情况 31

4.5.3 护舷受力情况 32

4.6 系泊系统优化 33

4.6.1 单元质量对浮托安装系统的影响 33

4.6.2 系泊绳刚度对浮托安装系统的影响 33

第5章 结论与展望 35

参考文献 37

致谢 39

绪论

研究背景

石油作为一种不可再生的资源，具有重要的经济价值与战略意义。随着全球经济增长，石油成为了世界各国竟相争夺的目标，甚至发动战争以获取石油资源。随着陆上油气资源日渐枯竭，人们将视野投向了蕴藏着巨大石油资源的海洋。据国际能源署统计数据分析，新探明的世界油气储量仅有不到三成位于陆地，超七成蕴藏在海洋之中。作为海洋资源大国，我国总油气储量的三分之一就储存于海洋之中，其中大部分的油气资源都集中于深远海^[1]。海洋平台作为海上石油开发的核心装备，为适应深海恶劣环境条件，平台上部组块逐渐往大型化和集约化发展。传统的海上吊装法受起重能力的限制不再适用于大型海洋平台的安装，因此，浮托安装法由于安装能力大和安装成本低的优点，逐渐成为大型海洋平台安装的主流趋势。海洋平台浮托安装法主要通过驳船将预先组装和调试完成的上部组块整体运输到安装地点，在适宜的海况条件下，通过压载驳船或借助液压泵等辅助装置将上部组块安装到平台下部结构上。海洋平台浮托安装是一个复杂的动力响应过程，整个安装过程中面临着复杂的环境载荷和动力响应，如何经济、高效、安全地实施海洋平台的安装，是未来海洋平台浮托安装的研究重心。

海洋平台浮托安装方法

目前常用的海洋平台安装方法有吊装法与浮托法。吊装法可分为模块吊装法和整体吊装法。模块吊装法指将上部组块分为小的模块，依次吊装、焊接至下部基础，这种安装方式弥补了吊装起重能力不足的问题，但海上安装时间较长，安装成本较高；整体安装法是将平台上部组块在陆上完成建造后，整体吊装至平台下部基础上进行安装，但因受制于起重能力，这种方法仅适用于小型平台。

随着海洋平台向大型化、综合化方向发展，目前平台上部组块的质量已经达到了2000～10000t^[12][12]。但和海洋平台质量的增长速度相比，海上吊装能力的发展就显得捉襟见肘了。由于起重船的起吊能力不足，通常需要花费大量的时间用于连接调试与布置，无形中增加了整个项目的成本与工期。而浮托法安装的出现则大大减少了调试所需的工作量，显著提高了安装效率。这时，就需要一种安装能力大，成本低，安装过程方便的海洋平台安装方式，浮托安装法便应运而生。浮托安装法是指通过驳船运载，将陆上完成建造的平台上部组块运输至下部结构槽口，并在预定位置实施锚泊定位，利用潮位变化或者加载的方法，将上部组块的重量由驳船转移至下部结构。浮托安装现已被广泛应用于各种不同海况的海域，为大型海洋平台的安装提供了更为可靠可行的解决方案。