深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分析与控制方法

摘要

本发明公开了深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分析与控制方法，它包括以下步骤：(1)对平台和缆绳进行静力分析，确定平台的固有振动特性；(2)将静力分析的计算结果作为动力分析的条件，分析不同波高和波浪频率对平台和系泊耦合系统动力学特性的影响，计算平台的参激-内共振耦合运动幅值随时间的变化；(3)对于发生参激-内共振耦合运动状态，则调整硬仓和软舱的压载系统，改变平台主体的重心位置和浮心位置以调整平台垂荡、纵摇固有频率之比，使平台主体纵摇运动得到抑制。应用本方法对于可能出现的参激-内共振运动失稳情况，改变平台重心和浮心位置，破坏发生参激-内共振的动力学条件，使平台的参激-内共振运动得到控制。

说明书

技术领域

本发明涉及深海平台参激-内共振耦合振动分析方法与控制技术，具体涉及深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分析程序及振动控制技术。

背景技术

1000米以上的深水海域，采用经典SPAR平台或者桁架式SPAR平台进行石油开采，而平台系泊系统采用钢缆或者聚酯缆。近年来的国外实验和工程实际结果表明，由于该种平台结构形式的特点，平台垂荡和纵摇模态成2∶1内共振关系，当平台主体垂荡运动幅值加大时，引起平台纵摇运动失稳进入大幅混沌运动状态，这称之为参激-内共振耦合运动。

统计表明，Spar平台的纵荡和横荡固有周期一般在150～350s，纵摇和横摇固有周期一般在40～80s，垂荡固有周期大约为25～40s，并且垂荡和纵摇之间固有频率满足2∶1的模态内共振关系。当波浪载荷频率接近垂荡固有频率时，激起大幅垂荡共振运动，当波浪激励幅值超过临界值时，垂荡能量转移到纵摇，导致平台纵摇运动失去稳定性并且纵摇剧烈，在墨西哥湾作业的Spar平台，其垂荡和纵摇固有频率大约分别为2∶1，观察到了长周期波浪时，平台垂荡和纵摇模态之间的相互作用以及运动失稳后的剧烈运动现象。

深海SPAR平台的参激-内共振耦合运动特性严重威胁平台运行的安全，引起平台主体运动剧烈，系泊线动张力突变和采油立管的大幅摆动，导致系泊线和立管的疲劳破坏，减小系泊线和立管的寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分 析与控制方法，采用本方法可以识别平台是否发生参激-内共振，并且对参激-内共振引起的大幅纵摇运动进行控制，确保深海平台的作业安全。

本发明的深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分析与控制方法，它包括以下步骤：

(1)对平台和缆绳进行静力分析，确定平台的固有振动特性；

(2)将静力分析的计算结果作为动力分析的条件，分析不同波高和波浪频率对平台和系泊耦合系统动力学特性的影响，计算平台的参激-内共振耦合运动幅值随时间的变化，判断平台是否发生参激-内共振；

(3)对于发生参激-内共振耦合运动状态，则调整硬仓和软舱的压载系统，改变平台主体的重心位置和浮心位置以调整平台垂荡、纵摇固有频率之比，使平台主体纵摇运动得到抑制；

(4)重复所述的步骤(1)至步骤(3)，直至平台运动趋于安全。

本发明的突出优点是：

应用本发明方法，对不同形式的深海SPAR平台，考虑不同的海洋环境载荷，进行数值分析模拟，可以识别平台是否发生参激-内共振，确定以及发现发生参激-内共振的条件。这在设计阶段可以发挥作用，指导平台的设计。

对于波浪中作业的深海平台，可以由平台监测系统随时采集平台运动响应数据，预报平台是否处于参激-内共振状态，平台运动在当前波浪条件下是否失稳，是否出现大幅运动。

对于可能出现的参激-内共振运动失稳情况，计算机系统分析确定调整平台压载与平台吃水参数，改变平台重心和浮心位置，破坏发生参激-内共振的动力学条件，使平台的参激-内共振运动得到控制，减小运动幅值，这可以指导现场平台的作业安全。

附图说明

图1为本发明的深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分析与控制方法的参激-耦合运动分析流程图；

图2为本发明的深海平台系泊系统参激-内共振耦合振动分析与控制方法中调整压载和吃 水，改变平台的重心和浮心的方法。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明技术做进一步的说明：

本发明实施包括以下步骤：(1)对平台和系泊系统进行静力分析，确定平台固有振动特性；(2)将静力分析的计算结果作为动力分析的条件，分析不同波高和波浪频率对平台和系泊耦合系统动力学特性的影响，计算平台的参激-内共振耦合运动幅值随时间的变化(现场垂荡-纵摇运动数据可由计算机监测系统得到)，判断平台是否发生参激-内共振；(3)对于发生参激-内共振耦合运动状态，则调整硬仓和软舱的压载系统，改变平台主体的重心位置和浮心位置以调整平台垂荡、纵摇固有频率之比，使平台主体纵摇运动得到抑制。(4)重复所述的步骤(1)至步骤(3)，直至平台运动趋于安全。

下面结合图1和图2举一具体实施例对本发明方法加以详细说明：

静力分析包括：将系泊缆绳参数和平台主体参数以及缆绳划分方式输入静力分析模块，步骤101；然后在无波浪力状况下计算平台的静平衡位置、系缆静态预张力、水平向系泊刚度以及系缆静态构型，步骤102；施加波浪载荷之前，进行平台自振特性分析，步骤103；

动力分析包括：将环境参数包括波浪固有频率和波高输入动力分析模块，步骤201；根据步骤201中的环境参数进行载荷计算，得出系缆重力与浮力、系缆附加质量力、系缆粘性阻尼力和系缆海底接触力，以及主体静水恢复力、主体一阶波浪力、主体一阶辐射力和主体二阶纵荡力，步骤202；再将步骤102中的系缆静态构型与系缆静态预张力作为动力计算的初始条件，进行参激-内共振分析，步骤203，得出平台主体与缆绳各个质点的运动响应以及不同位置处缆绳张力的变化情况，步骤204；

根据步骤203的参激-内共振分析结果确定发生参激内共振时，如图2所示计算机输出信号给平台空气压缩系统，若需要降低重心，向硬仓空气压缩系统电磁阀发出信号，注入压缩空气到硬仓，则硬仓压载水减少，同时降低软舱空气压力，向软舱注入压载水，则平台主 体重心可降低。如果需要提高平台主体重心，则进行相反方向操作(如图2所示)。改变重心和稳性半径后，启动图1参激-内共振耦合振动分析程序，检测参激-内共振耦合运动响应。

其中步骤101中的系泊缆绳参数为缆绳的直径、弹性模量和长度；平台主体参数为平台重心位置、平台的 (重心到稳心)值、吃水以及排水量；缆绳划分方式为缆绳划分的网格数(在程序计算中可任意修改)。

本方法中的所有参数的计算均采用现有公式和现有方法，可以依据下面的参考文献：

1、董艳秋.深海采油平台波浪载荷及响应[M]，天津大学出版社，2005.

2、W.Raman-Nair，R.E.Baddour.Three-dimensional dynamics of a flexible marine riser undergoing large elastic deformations[J]，Multibody system dynamics，2003，10：393-423.(三维柔性海洋立管在大弹性变形下的动力学特性)。