300m水深自升式海洋平台系泊设计外文翻译资料

 2022-09-29 10:24:01

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2设计标准和步骤

2.1概述

2.1.1尺度系统

所有图纸，计算等的尺寸系统都应该一致。例如英制单位或者SI公制单位。

2.1.2载荷定义

2.1.2．a概述

在2.2.1的设计载荷环境的过程中应该考虑下面的载荷以及它们产生的动力响应。

2.1.2．b固定载荷

固定载荷包括平台结构重量、所有永久性设备和不应操作方式改变的附属结构。固定载荷应包括以下：

平台结构在空气中的重量，包括桩、灌浆和压载的重量。

设备重量和永久性固定在平台上的附属结构重量。

作用在平台水线面以下的静水压力，包括外部压力和浮力。

2.1.2．c可变载荷

可变载荷是当平台使用，在一种工作模式或者从一种工作模式变为另一中工作模式时发生改变的载荷。可变载荷应该包括以下：

能从平台上增加或者移动的钻井、生产设备重量。

生活舱室、直升机平、其他生命支持设备、求生设备。潜水设备、动力设备等能从平台上增加和移动的设备重量。

消耗品和储存在储存柜的液体重量。

由于操作而作用在平台上的力，例如钻井，材料处理，系泊，直升机降落。

由于使用起重机而作用在平台上的力，这些力来源于对悬浮时载荷、以及它的运动和静载的考虑。

2.1.2．d环境载荷

环境载荷是自然环境作用在平台上的力，包括风浪流地震雪冰以及地壳运动。环境载荷还包括由于波浪和潮汐导致的水位变化引起的静水压力和浮力的变化。环境载荷预期应能作用于平台任何方向，除非详细的环境知识使得所做的假定更有合理。

2.1.2．e建造载荷

指在设计中应考虑到建造，舾装，运输，安装过程中产生的载荷。在2.4节中进一步定义。

2.1.2．f移动和再安装载荷

平台会被迁移到新的地点，除了上述建造载荷外，其中移动，装载，运输，堆积，重新安装应考虑的载荷。

2.1.2．g动力载荷

动力载荷是对循环激励的响应和对抨击的响应作业在平台上的力。激励可由地震、海浪、风、或者机械产生，抨击可由船舶系泊在平台上或者钻井操作产生。

2.2载荷条件

2.2.1概述

设计环境载荷条件是由选定的设计工况作用在平台上的力。操作环境载荷条件一般是一些较小的工况作用在平台上的力，不会足够剧烈去影响平台工作，一般由操作人员确定。

2.2.2设计载荷条件

平台设计应满足能对平台结构产生最恶劣影响的载荷条件。载荷条件应包括环境条件和适当固定和可变载荷的组合：

  1. 操作环境条件，固定载荷和满足平台正常工作的最大可变载荷。
  2. 操作环境条件，固定载荷和满足平台正常工作的最小可变载荷。
  3. 设计环境条件，固定载荷和极端环境情况下最大可变载荷。
  4. 设计环境条件，固定载荷和极端环境情况下最小可变载荷。

环境载荷，除了地震载荷以外，应该认为它们同时发生的情况下组合在一起。需要考虑地震载荷时，应将其作为一种分离的载荷作业在平台上面。

操作环境条件应该是中等恶劣条件的代表，它不应该作为极限条件以至于超过它就要求平台停止工作。通常，1到5年的冬季风暴条件作为墨西哥湾的操作环境条件。

钻井生产平台的最大可变载荷应考虑钻井、生产、修井时的载荷以及任何钻井或者生产修井时的组合。

平台构件的最大设计压力应考虑供给重量的变化、移动设备例如铁架塔的位置。

2.2.3临时载荷条件

应该考虑发生在建造、运输、安装或者移动和重新安装时的临时载荷条件。这种条件是由适当的固定载荷，最大的临时载荷的组合，适当的环境载荷也应该考虑。

2.2.4构件载荷

每个平台构件都应该设计满足产生最大应力时的载荷条件，考虑到这个产生这种应力的载荷条件和许用应力。

2.3设计载荷

2.3.1波浪

2.3.1.a概述

作用在平台上的波浪是一个动态的。对于目前大多数设计水深所遇到的这些载荷都可以充分被它们静态的数据代替。对于更深的水域或者平台趋于更柔的地方，这种静态分析不足以描述真正的动态载荷，这种平台的正确分析需要一种包括结构动态运动的载荷分析。

2.3.1.b静态波浪分析

计算作用在复杂平台上的确定静态设计波浪力的步骤展现在图2.3.1-1（忽略了平台的动力响应和由平台产生的入射波的干扰）。这个程序要求给定波浪方向，从确定设计波浪的波高和波浪周期开始，暴风雨的水深，海流剖面，美国海域的这些参数都在2.3.4中详细说明。波浪力计算程序依照下面的步骤：

    • 确定表面波浪周期，考虑流对波的多普勒效应。
    • 由确定的波高，暴风水深，周期确定适当的波浪理论来确定而为波浪运动。
    • 波浪水质点的速度和加速度水平分量依据波浪运动因数减小，波浪运动因数反映波浪方向散射。
    • 有效的局部海流剖面分布通过确定的海流剖面分布乘以海流阻塞因数确定。
    • 有效的局部海流分布和波浪运动的矢量叠得到morison公式需要的局部流体的速度和加速度。
    • 构件尺寸应增加由于海洋生物的生长。
    • 拖曳力和惯性力系数通过波浪和海流参数方程，构件形状，粗糙度，大小和方向确定。
    • 导管矩阵的波浪力系数按导管遮蔽系数减少。
    • 建立立管和附属件的水动力模型。
    • 所有平台构件，导管，立管和附属件的局部波浪/海流力都通过morision方程计算。
    • 所有局部力的矢量和等于整体力。

这节剩下部分的讨论也是按照上面的顺序，也有一些不包含整体在整体力中的局部力的讨论（例如冲击力和提升力）。

图2.3.1-1 波浪和流力的静态分析计算过程

1.表面波浪周期：与波浪方向相同的流能使波长增长，相反的能缩短波长。对一简单情况，当波浪与一均匀流同一直线传播，一个与流同步运动的观察者看到的表观波浪周期能从图2.3.1-2中估计出来。其中T是真实的波浪周期（被一个固定的观察者所观察到的），V1是流在波浪方向上的分速度，d是风暴水深（包括风暴涌浪和潮汐），g是重力加速度。这个图能估计d/gT2 gt;0.01的情形，当值更小时，可以用公式。严格说此式仅当流与所有水深流速相同时才能使用。图2.3.1-2提供水深165英尺（50米）或更深范围内的流速相同的“slab”流的可靠Tapp的估计。对于其他流的分布，必须用非线性系统方程通过迭代求解Tapp（见注释）。用于解Tapp的流应该是自由流（不会因为结构阻塞而减少）。

2.二维波浪运动。对于表面波浪周期Tapp，具体的波高H，风暴水深d，可以通过适当的流函数波浪理论确定二维规则波浪运动。在许多情况下，五阶stokes波浪理论能提供足够的精度。图2.3.1-3Atkins（1990）用H/gTapp2和d/gTapp2确定了五阶stokes波和其他不同阶数流函数解的使用范围。如果选择恰当阶数的解，其他波浪理论也可以采用例如扩展速度势理论和Chappelear理论。

图2.3.1-2均匀流产生的多普勒变换

3.波浪运动系数：流函数得到的二维规则波运动或者五阶stokes波理论没有解释波浪方向的散射和剖面的不规则。真实世界的波浪特征可以在确定的波浪分析中通过二维规则波的水平速度和加速度乘以一个波浪运动系数而大致模拟。波浪运动测量支持热带风暴系数范围是0.85-0.95，非热带风暴系数范围是0.95-1.0.墨西哥湾的这些具体用于计算指导波浪力的值在2.3.4d.1具体说明，美国其他地方在2.3.4f.1。后面的注释对一些通过测量或则追算知道方向传播特征的地区的波浪运动系数做了额外的指导。

4.海流阻塞系数：平台附近的海流速度由于阻塞作用而比其他自由流的速度要小。换句话说，结构的出现导致了来流的偏移。一些来流绕过了平台而不是穿过它。结构附近的来流就会减小。当通过morision公式计算的局部载荷确定整体载荷，需要用到局部的海流速度。

墨西哥湾典型的导管架结构大致的海流阻塞系数如下：

桩腿数

方向

系数

3

各个方向

0.9

4

端面

0.8

4

对角线

0.85

4

侧面

0.8

6

端面

0.75

6

对角线

0.85

6

侧面

0.8

8

端面

0.7

8

对角线

0.85

8

侧面

0.8

对于有其他配置或者有典型数量导管的结构可以用注释中的方法计算海流阻塞系数，对于小于0.7且没有实验证据的系数也不应该使用，对于独立式的或者沉箱的海流阻塞系数应为1.

  1. 波、流的合成运动：由方向性船舶和不规则性修正后的波应和流阻塞系数修正后的剖面速度矢量合成。由于流的剖面速度仅当在设计条件下风暴平均水位是确定的，必须用一些方法将其拉伸或者压缩到局部波浪表面。正如注释里提到的，非线性拉伸是完美的方法，对于“slab”流剖面分布如2.3.4中美国海域详细提到的，流剖面分布从风暴平均水平面到波面垂直延伸是一种比较恰当的非线性延伸，对于其他流剖面，线性延伸是一种比较恰当的近似方法，在线性延伸中，波浪表面高程是，在高程为Z的一点的流可以根据高程为Zrsquo;的流剖面计算（其中在风暴平均水面之上为正，之下为负），高程Z和Zrsquo;线性相关。如下：

(zacute; d) = (z d) d/(d h)

其中d=风暴水深

图2.3.1-3流函数，五阶stokes波，线性波的适用范围

  1. 海生物生长：由于海生物生长会削落结构，所有结构构件，导管，立管和附件在重要位置都应该增加尺寸。另外根据海生物繁殖速度确定圆形截面是光滑还是粗糙。美国海域详细的海洋生长剖面见2.3.4.
  2. 拖曳和惯性系数：拖曳和惯性系数在注释中详细讨论。对于典型设计情形，计算平台总波力非遮蔽圆柱形构件可以用下面的值：

光滑 Cd=0.65，Cm=1.6

粗糙 Cd=1.05，Cm=1.2

这些值可用于可以忽略波的稳定流或者Umo Tapp/D gt; 30的大波浪情形。Umo是由二维波浪理论得到的波峰下面风暴平均水位处水质点的最大水平速度。Tapp是表观波浪周期，D是平台桩腿在风暴平均水位处的直径。

对于波浪Umo Tapp/D lt; 30的情形，注释中有关于垂直构件通过波浪遭遇修改计算Cd和Cm的说明。这种情况可能在极端海域的大尺度沉箱或者浅水域的普通平台构件的疲劳分析中出现。

当构件不是圆柱形时，适当的系数可以在Det norske Veritas的“海洋结构物设计，建造，检查法规1977”附录B-载荷中找到。

  1. 导管阻塞系数：取决于导管的结构和数量，导管上的波浪力是整体波浪力的重要部分，如果导管是紧紧地隔开，那么由于水动力阻塞其上的力会减少，导管上的拖曳和惯性系数会用一个波浪力减少系数去修正，可以从图2.3.1-4中估计出来，其中S是导管在波浪方向的中心间距，D是导管包括海生物生长的直径，阻塞系数也适用于：a可以忽略波浪的稳定流或者b UmoTapp/S gt; 5Pi;极端波。对于Umo Tapp/S lt; 5pi的较不极端波，正如图中分析的，它们具有较小的阻塞。注释中提供了导管疲劳分析的指导。

图2.3.1-4波浪载荷在导管上的阻塞系数

  1. 附件的水动力模型:附件例如船着陆，防撞垫和缓冲器，通道，楼梯，泥浆线和阳极都应该考虑到结构的水动力模型中去，它们能显著地增加整体波浪力取决于它们的类型和数量。另外一些附件上的力可能对局部构件的设计非常重要，附件可以通过产生同样波浪力的结构建模。对于船抵达，波浪力取决于波浪的方向因为阻塞作业，注释中提供了一些附件建模的额外指导。
  2. morision方程：作用在圆柱形物体上的波浪力计算取决于波长和构件直径的比值，当比值大于5时，构件不会显著影响随入射波，波浪力可以通过拖曳力和惯性力之和计算如下：

其中：F作用

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