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新型張力腿平臺設計將突破水深限制

新型張力腿平臺設計將突破水深限制

研究表明,張力推平臺的應用限制不僅來自于水深,而是有效載荷、水深與設計環境的共同作用。依據初步分析,新型蜂窩式張力筋腱能夠將張力腿平臺的可應用水深增加40%。

來自 | INTECSEA, WorleyParsons Group
編譯 | 張毅

張力腿平臺(TLP)因其在橫搖、縱搖和垂蕩三個自由度上良好的響應,被公認為惡劣環境下支撐頂部張緊立管的理想平臺。在較淺水深(600~1,200 米,即1,968~3,937 英尺)時,張力腿平臺(TLP)是最適用于支撐鋼質懸鏈線式立管的平臺,不僅能夠提供較大的甲板通風面積,還能夠在碼頭完成全部組裝。然而,由于深水環境下張力腿設計的限制,業內一向認為張力腿平臺不適用于水深超過1,600~1,800 米 (5,249~5,905 英尺)的環境。

張力腿平臺(TLP)應用

張力腿平臺(TLP)在油氣行業被廣泛應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)的工況。在對生產井進行直接垂向檢修方面,頂部張緊立管具有優勢。但由于張緊行程的限制,采用頂部張緊立管就要搭配能將垂蕩響應降至最低的浮動系統。業內一直認為,在水深超過1,828米(6,000英尺)的環境下,張力腿平臺的張力筋腱設計便不再切合實際,且張力腿平臺(TLP)的可行性也無法建立。然而事實證明,目前已經有制造商能夠提供壁厚達1.7英寸的張力筋腱鋼管。如此壁厚的管材,如果管線外徑較小,便能輕松承受2,800m水深的水柱壓力。

張力腿平臺(TLP)應用的真正限制在于要實現橫搖、縱搖和垂蕩固有周期(通常短于4秒),以避免張力腿平臺(TLP)的不良動力響應。因為固有周期取決于質量及剛度,所以張力腿平臺(TLP)應用的限制性是由排水量(有效載荷)、水深及環境(地點)共同作用決定的。但是研究人員很快就會發現,張力腿平臺(TLP)受水深限制的簡單假設是值得懷疑的。

傳統張力腿平臺在墨西哥灣和西非海上的可行性空間圖

傳統張力腿平臺在墨西哥灣和西非海上的可行性空間圖

墨西哥灣的張力腿平臺(TLP)設計

此次研究的對象為位于墨西哥灣中部的張力腿平臺(TLP),承載的上部設備載荷包括53,491公噸(大型)、32,176公噸(中型)及7,573(小型)。在迭代過程中改變水深,探究三種設計方案的可行性,判別標準包括:

1.重型起重貨船的空船吃水;
2.滿足大部分造船廠干船塢規格的平臺最大寬度;
3.無承重下,張力腿水中重力低于228公噸(500千磅);
4.張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.平臺垂蕩和橫搖/縱搖固有周期分別不超過4.7和4.0秒;
6.張力腿利用系數與相互作用率應小于1.0,以滿足規范要求(參照API RP 2T標準)。

假設張力腿平臺張力筋腱最大數量為16根??紤]平臺本體空間及張力腿預安裝的限制,上述數字比較合理也切合實際。研究人員把研究對象設定為傳統船型配四根立柱、并布置在立柱低端環形浮橋的形式。研究人員利用WAMIT軟件(MIT)與內部工具對三個張力腿平臺設計的整體性能及張力筋腱進行分析驗證。同時檢查張力筋腱的張力RAOs計算以及關鍵設計數據。全部設計參數均在可行范圍內。

研究發現,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),上部設備重量分別為53,491公噸、32,176公噸和7,573公噸時,能夠建立可行性。也就是說,配傳統張力腿的平臺,只要上部載荷限制在約8,000 公噸,就可應用在墨西哥灣中部、水深8,000英尺(2,438米)的惡劣環境。

新型張力腿平臺設計將突破水深限制

表1 墨西哥灣張力腿平臺關鍵設計參數

西非地區張力腿平臺設計

采用與上述同樣的方式,研究人員對位于西非海上的張力腿平臺進行研究。假設研究對象的上部負載為58,000公噸(大型)、39,500公噸(中型)及9,500(小型)。在迭代過程中改變水深,探究三種設計方案的可行性方案。項目采用了與研究墨西哥灣張力腿平臺設計一樣的可行性標準。實驗結果再一次顯示,張力筋腱的張力RAOs計算以及關鍵設計數據均在可行空間內。

研究發現,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)時,上部設備重量分別為59,000公噸、39,500公噸以及9,500公噸時,能夠建立可行性。也就是說,配傳統張力腿的平臺,只要上部載荷限制在約9,500 公噸,就可應用在西非水深9,000英尺(2,743米)的環境。

新型張力腿平臺設計將突破水深限制

表2 西非張力腿平臺關鍵設計參數

可行性空間

墨西哥灣中部與西非海上張力腿平臺的可行性空間依據上述研究建立。調查根據平臺上部有效載荷、水深與環境標準(設計使用區域決定)研究其可行性空間。結果顯示,根據有效載荷與環境因素,采用傳統張力筋腱的張力腿平臺在水深超過2,800米(9,186英尺)可行。

在墨西哥灣位于較淺水深較淺、但載荷很大的張力腿平臺,設計主要由張力筋腱效用支配;在中等水深、中等載荷的環境下,張力筋腱效用、固有周期(取決于質量與剛度)以及張力筋腱在水中的重力為支配性參數;超深水、小載荷設計平臺同樣由張力筋腱效用、固有周期和張力筋腱在水中的重力支配。

對于西非海上大載荷、淺水深工況的張力腿平臺,其設計由固有周期的要求支配;而固有周期、張力筋腱IR效用和張力筋腱在水中的重力仍然是張力腿平臺在中等水深、中等載荷以及超深水環境中設計的決定因素。由于環境更加溫和,所以位于西非海上的張力腿平臺的可行性空間要比墨西哥灣的更大一些。西非海上與墨西哥灣張力腿平臺的可行性空間圖幾乎均為線性。需要注意的是,可行性空間會依據可行性標準的改變而提高或降低。

替代性張力筋腱設計

業內一直在探索具有替代性的非傳統張力筋腱設計,旨在拓展傳統張力腿平臺的可行性空間極限。作者希望在此對蜂窩式張力筋腱的設計進行討論。這類設計與傳統張力筋腱的主要部件相同。舉例來說,二者都是張力腿頂部段與平臺本體相連、張力腿下段與海底基座相連、主體通過水柱將兩段相連。蜂窩式張力腿的獨特設計在于主體部分,其采用多根金屬細管替代一根鋼管,同時裝有一個用于連接頂部段的上部轉換單元和一個連接下段的底部轉換單元;頂部與底部的連接器與傳統張力腿的連接器一致;另外,張力監控單元也可以采用傳統裝置。

研究人員針對兩種類型的蜂窩式張力筋腱進行了研究調查—整體式以及混合式蜂窩式張力筋腱。整體蜂窩式張力腿設計的主體全部采用蜂窩式技術,也就是說不需要連接器,張力筋腱在船廠整體制造,拖到現場豎立安裝。而在混合式蜂窩式張力腿的設計中,只有張力腿主體部分采用蜂窩式技術,其他部分與傳統張力腿一樣,每個主體段長度(蜂窩式或傳統型)都限制在90米(295英尺)以內,連接器用于連接主體段,這點與傳統設計一致。蜂窩式張力腿技術通過使用多根管束,幫助設計者以單根直徑更小的張力筋腱管去實現整體更大的橫截面積;同時,張力筋腱鋼管選擇合理壁厚,解決了傳統張力筋腱設計中,頂部利用系數與底部相互作用率相關的問題。

憑借上文提到的更大面積,蜂窩式張力筋腱同時具備了更高的剛度。相比于本部分研究的假設條件,蜂窩式張力筋腱在更大的水深環境下,依然可以控制張力腿平臺垂蕩、橫搖與縱搖的固有周期,使其低于所需的4.7與4.0秒。管束包圍合成泡沫的形式降低了張力腿在水下的重力,而該重力似乎正是傳統設計中的一個支配性參數。初步分析顯示,利用蜂窩式張力筋腱能夠將張力腿平臺的可應用水深增加40%。

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