吳家鳴

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 船舶與海洋工程系, 廣東 廣州 510640)

不同類(lèi)型張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

Primary structural features and technical characteristics of different types of tension leg platforms

吳家鳴

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 船舶與海洋工程系, 廣東 廣州 510640)

張力腿平臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng) TLP)是一種垂直系泊的順應(yīng)式平臺(tái), 其主要設(shè)計(jì)思想是通過(guò)平臺(tái)自身的特殊結(jié)構(gòu)形式, 產(chǎn)生遠(yuǎn)大于平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重的浮力, 浮力除了抵消結(jié)構(gòu)自重之外, 所產(chǎn)生的剩余浮力與張力腿的預(yù)張力相平衡。時(shí)刻處于受張拉繃緊狀態(tài)的張力腿使平臺(tái)的橫搖、縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)較小, 近似于剛性。張力腿平臺(tái)立柱主要為直立的圓筒型或方形截面結(jié)構(gòu), 這樣的柱型結(jié)構(gòu)所受水動(dòng)力載荷主要是水平方向的波浪和海流力, 它們可以通過(guò)張力腿的柔性約束, 允許平臺(tái)在水平面上的縱蕩、橫蕩和艏搖有一定自由度的順應(yīng)式運(yùn)動(dòng)。張力腿平臺(tái)這樣的結(jié)構(gòu)形式使得它所受到的環(huán)境載荷可以通過(guò)平臺(tái)自身的慣性力來(lái)得到平衡, 從而使張力腿平臺(tái)具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。

1 張力腿平臺(tái)的共同特點(diǎn)

目前已投入使用的張力腿平臺(tái)共有24座, 按其主要結(jié)構(gòu)特征分為第一代張力腿平臺(tái)(也稱(chēng)為傳統(tǒng)類(lèi)型的張力腿平臺(tái))和第二代張力腿平臺(tái), 而第二代張力腿平臺(tái)又分為SeaStar、MOSES和ETLP三個(gè)系列。不同類(lèi)型的張力腿平臺(tái)具有不同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn), 但由于他們都是以張力腿垂直系泊的方式將浮式平臺(tái)系泊于深海中, 不同類(lèi)型的張力腿平臺(tái)具有以下共同的特點(diǎn)[1-4]: (1)具有良好的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性。張力腿平臺(tái)具有順應(yīng)式結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn), 平臺(tái)在風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種慣性力, 這種慣性力可以對(duì)環(huán)境載荷構(gòu)成一定的抵消作用, 從而減少作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的凈載荷。(2)由于平臺(tái)為一種半順應(yīng)半固定式的結(jié)構(gòu),在水平方向是一種順應(yīng)式結(jié)構(gòu), 在豎直方向接近于固定式結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)使得張力腿平臺(tái)可以保留傳統(tǒng)的固定式生產(chǎn)平臺(tái)的許多作業(yè)優(yōu)勢(shì), 其生產(chǎn)與維護(hù)作業(yè)方式與傳統(tǒng)固定式平臺(tái)相似, 其操作方式與固定式平臺(tái)幾乎沒(méi)有差別。但是, 對(duì)于深海油田, 由于張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)造價(jià)不會(huì)隨著水深的增加而大幅度地增大, 采用張力腿平臺(tái)比固定式平臺(tái)其開(kāi)發(fā)費(fèi)用要低得多。特別是在300 ～ 1 500 m水深范圍內(nèi), 采用張力腿平臺(tái)優(yōu)勢(shì)明顯。(3)由于張力腿平臺(tái)可以通過(guò)合理選擇平臺(tái)本體的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)置合理的張力腿預(yù)張力來(lái)決定張力腿系泊系統(tǒng)的剛度, 進(jìn)而調(diào)整張力腿平臺(tái)的固有搖蕩周期, 使其避開(kāi)海面的波浪頻率?，F(xiàn)有的張力腿平臺(tái)水平面運(yùn)動(dòng)(縱蕩、橫蕩、艏搖)的固有周期約為1～2 min, 高于波浪周期; 鉛直面運(yùn)動(dòng)(垂蕩、橫搖、縱搖)的固有周期約為2～4 s, 低于波浪周期。這樣的固有周期范圍避免了平臺(tái)結(jié)構(gòu)和海浪能量集中的頻率發(fā)生共振, 使平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力合理, 動(dòng)力性能良好, 這樣就可以將平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制在低水平范圍內(nèi)。(4)平臺(tái)在張力腿的約束下幾乎沒(méi)有垂蕩運(yùn)動(dòng); 張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式也決定了平臺(tái)難以有橫搖與縱搖運(yùn)動(dòng), 平臺(tái)的主要搖蕩運(yùn)動(dòng)為縱蕩、橫蕩和艏搖。這三個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)增加平臺(tái)本體產(chǎn)生的剩余浮力或張力腿的預(yù)張力、進(jìn)而提高平臺(tái)在這些自由度方向上的恢復(fù)力來(lái)加以約束。多年來(lái), 不同類(lèi)型的張力腿平臺(tái)的使用實(shí)踐表明: 在海洋環(huán)境因素作用下, 平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)很小, 這一類(lèi)型的平臺(tái)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的平穩(wěn)特性。(5)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)通過(guò)張力腿垂直錨泊。因此, 與Spar平臺(tái)不同, 張力腿平臺(tái)沒(méi)有錨固半徑的限制。(6)適應(yīng)范圍廣, 它可應(yīng)用于不同規(guī)模大型或小型油氣田, 幾百米到1 500 m的水深范圍均可考慮使用張力腿平臺(tái)。(7)張力腿平臺(tái)是一種小水線(xiàn)面結(jié)構(gòu), 它對(duì)平臺(tái)重量的變化非常敏感。對(duì)于特定的張力腿平臺(tái), 載重的增加將會(huì)降低平臺(tái)的剩余浮力或張力腿的預(yù)張力。因此, 這類(lèi)平臺(tái)對(duì)其有效載荷會(huì)有限制。(8)張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了平臺(tái)難以具備自身的儲(chǔ)油能力, 所生產(chǎn)的原油需要用管線(xiàn)外輸?shù)狡渌∈絻?chǔ)油裝置進(jìn)行儲(chǔ)存。

2 第一代張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

第一代張力腿平臺(tái)也稱(chēng)為傳統(tǒng)類(lèi)型的張力腿平臺(tái), 其主要結(jié)構(gòu)特征包括: 上體均為四邊形。作為生產(chǎn)平臺(tái)使用的 TLP立柱采用大直徑的柱體, 直徑在15～25 m之間, 有的立柱間還設(shè)有橫撐和斜撐。而作為井口平臺(tái)使用的TLP立柱則采用小直徑立柱或矩形立柱。作為平臺(tái)下體的浮箱首尾與各立柱相接, 形成方形環(huán)狀結(jié)構(gòu)。張力腿與角立柱存在著一一對(duì)應(yīng)的軸向連接關(guān)系, 張力筋腱通常通過(guò)角立柱內(nèi)部在水平面之上和甲板相錨固、或在角立柱外側(cè)與平臺(tái)本體相錨固。第一代張力腿平臺(tái)是最早出現(xiàn)的一種張力腿平臺(tái), 也是當(dāng)今世界上數(shù)量最多的張力腿平臺(tái), 目前在役的平臺(tái)共9座, 幾乎占世界張力腿平臺(tái)總數(shù)的一半。圖1為第一代張力腿平臺(tái)Hutton TLP的整體概貌簡(jiǎn)圖[5]。

除了張力腿平臺(tái)共同的特點(diǎn)外, 第一代張力腿平臺(tái)還具備以下技術(shù)特點(diǎn)[1-4]: (1)較之其他類(lèi)型的張力腿平臺(tái), 第一代張力腿平臺(tái)體積巨大, 能夠支持一套高生產(chǎn)能力的原油處理設(shè)施, 它可應(yīng)用于大型的深海油氣田開(kāi)發(fā)。(2)由于搖蕩運(yùn)動(dòng)不大, 平臺(tái)與生產(chǎn)立管之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)量較小, 張力腿平臺(tái)可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的立管張緊裝置, 采油樹(shù)可以設(shè)置在平臺(tái)之上, 海底油井由垂直生產(chǎn)立管直接連接到位于平臺(tái)井口甲板的采油樹(shù)上。采用干式采油樹(shù)方式作業(yè), 操作人員可以從平臺(tái)上直接鉆井和直接在甲板上進(jìn)行采油操作, 這使鉆井、完井、修井等作業(yè)和井口操作變得簡(jiǎn)單, 而且便于維修和管理,從而降低了采油操作費(fèi)用。(3)由于平臺(tái)采用了大直徑立柱, 在自由漂浮狀態(tài)下具有較好的穩(wěn)性, 包括平臺(tái)上體、立柱及下體在內(nèi)的平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)可以在岸上一體化建造、然后整體海上就位安裝, 為降低海上安裝和維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。(4)由于張力腿長(zhǎng)度與水深呈線(xiàn)性關(guān)系, 隨著水深的增加, 張力腿自重過(guò)大、張力腿的購(gòu)置費(fèi)用增加。水深超過(guò)1 000 m后,其經(jīng)濟(jì)性不佳。(5)由于張力腿的預(yù)張力通常較大,整個(gè)張力腿平臺(tái)系統(tǒng)剛度較強(qiáng), 對(duì)高頻波浪力擾動(dòng)響應(yīng)比較敏感。(6)平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)巨大, 造價(jià)比第二代張力腿平臺(tái)要高得多。

圖1 Hutton TLP整體概貌簡(jiǎn)圖

3 第二代張力腿平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

第二代張力腿平臺(tái)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代初期,它在繼承第一代張力腿平臺(tái)優(yōu)良運(yùn)動(dòng)性能和良好經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí), 對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),使之具有體積小、靈活性好、受環(huán)境載荷小、在深水環(huán)境中能穩(wěn)定地工作等優(yōu)點(diǎn)。從而更適合于深海作業(yè)條件、惡劣海洋環(huán)境和深海的中小油田開(kāi)發(fā), 并因此而降低了油田開(kāi)發(fā)和平臺(tái)的建造成本。目前投入生產(chǎn)實(shí)踐的第二代張力腿平臺(tái)共分為三大系列,分別是SeaStar TLP、MOSES TLP以及ETLP(Ext-ended TLP)[1-4,6]。

3.1 SeaStar TLP系列

SeaStar TLP采用了一種獨(dú)特的單柱式設(shè)計(jì), 這一圓柱體結(jié)構(gòu)稱(chēng)為中央柱, 中央柱穿過(guò)水平面, 上端支撐平臺(tái)甲板, 在接近下端的部位固定連接三根矩形截面的水平浮筒, 各浮筒向外延伸成懸臂梁結(jié)構(gòu), 且末端截面逐漸縮小, 彼此在水平面上的夾角為 120°, 呈輻射狀分布。這三根浮筒與中央柱一道向平臺(tái)本體提供所需的浮力, 三根浮筒在外端與張力腿系統(tǒng)連接, 其作用是分開(kāi)三組張力腿, 張力腿從浮筒末端的連接頭垂直延伸到海底錨固基礎(chǔ), 張力腿被剩余浮力繃緊(見(jiàn)圖2[7])。

圖2 SeaStar TLP

SeaStar TLP除了具有張力腿平臺(tái)的共同特點(diǎn)外,還具備以下的技術(shù)特點(diǎn): (1)SeaStar TLP的結(jié)構(gòu)形式具有更高的承載效率, 平臺(tái)主體能夠提供相當(dāng)于自身重量1.5 ～ 2.5倍的有效載荷, 而傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)最多只能提供相當(dāng)于自身重量1倍的有效載荷。(2)單一圓柱體結(jié)構(gòu)和對(duì)稱(chēng)形的平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)為模塊化建造、降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量提供了有利條件, 這大大縮短了建造周期, 節(jié)約了建造和安裝成本。(3)穿越自由表面的單一圓柱體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了波能聚集區(qū)水動(dòng)力載荷對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響, 其體積比起傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)要小得多、自重也較輕, 受力面積小,所受的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷自然也較傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)要小得多。(4)盡管采用了單柱式設(shè)計(jì), 呈輻射狀分布外延伸的三條懸臂梁浮筒結(jié)構(gòu)與三組張力腿一起除了為平臺(tái)提供足夠的預(yù)張力, 使平臺(tái)具備了抵抗環(huán)境載荷的回復(fù)力外, 還為平臺(tái)提供了足夠的抗傾覆力矩, 使之在惡劣環(huán)境條件下能夠維持作業(yè)所需要的穩(wěn)定狀態(tài)。(5)平臺(tái)采用了中性浮力的張力筋腱設(shè)計(jì), 使張力筋腱在海水中所受的浮力等于甚至大于其自重。這樣, 隨著由于水深的增加導(dǎo)致張力筋腱長(zhǎng)度增加而引起的張力腿自重過(guò)大的問(wèn)題不再構(gòu)成張力腿平臺(tái)向超深水作業(yè)過(guò)渡的一個(gè)障礙。

SeaStar TLP的上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)使這種類(lèi)型的張力腿平臺(tái)更適應(yīng)于在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定作業(yè)、也大大降低了張力腿平臺(tái)的建造費(fèi)用, 為中小型深海油田提供了一種可供選擇的實(shí)用開(kāi)發(fā)手段。

SeaStar TLP的單一圓柱體設(shè)計(jì)也為其帶來(lái)了不少的制約: 拖航或自由浮動(dòng)時(shí)穩(wěn)性較差; 對(duì)平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的可變載荷變化非常敏感, 對(duì)平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的使用構(gòu)成很大限制; 由于單一圓柱體設(shè)計(jì), 平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)沒(méi)有更多的底部支撐, 平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的受力分布不均勻, 這使得這種類(lèi)型的張力腿不利于向大型化方向發(fā)展; 自由浮動(dòng)時(shí)只有中央柱的水線(xiàn)面提供浮筒與中央柱組成的組合結(jié)構(gòu)的回復(fù)力矩, 其穩(wěn)性不佳, 主體和平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)安裝都需要大型浮吊輔助。

3.2 MOSES TLP系列

圖3 MOSES TLP

MOSES TLP設(shè)計(jì)沿襲了傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)的四角柱結(jié)構(gòu), 而與傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)不同, MOSES TLP的四條立柱向平臺(tái)中心靠攏, 立柱橫截面也比傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)的小很多(圖 3[8])。小立柱截面設(shè)計(jì)減輕了立柱重量, 降低了平臺(tái)的整體重心, 使立柱在自由表面的波能聚集區(qū)中受力面積很小; 同時(shí), 集中布置的四條立柱存在一定的遮蔽效應(yīng), 一定程度上也減小了平臺(tái)所受的環(huán)境載荷作用。這些措施減少了立柱所受到的波浪載荷以及由此所引起的平臺(tái)在波浪場(chǎng)中的動(dòng)力響應(yīng)。

與SeaStar TLP比較, 由于采用了四條立柱結(jié)構(gòu),立柱之間離開(kāi)一定間距能夠提供給平臺(tái)上體更大范圍的支撐, 使平臺(tái)上體受到一個(gè)更均勻的支撐力分布, 從而使平臺(tái)上體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)趨于合理, 平臺(tái)上體的結(jié)構(gòu)重量也因此得以減輕, 其建造難度也相應(yīng)地可以降低。

MOSES TLP還有以下的技術(shù)特點(diǎn): (1)通過(guò)對(duì)包括張力腿在內(nèi)的平臺(tái)整體系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì),使平臺(tái)結(jié)構(gòu)和張力腿避開(kāi)了導(dǎo)致其疲勞破壞的波頻響應(yīng)區(qū)域, 從而降低了對(duì)張力腿預(yù)張力和張力腿制造技術(shù)的要求。(2)立管系統(tǒng)沿著平臺(tái)外側(cè)連接到安裝在平臺(tái)一端遠(yuǎn)離中心的外側(cè)開(kāi)放空間中, 這一設(shè)計(jì)減小了立管系統(tǒng)事故發(fā)生的可能性; 一旦發(fā)生故障后, 檢修起來(lái)也較方便。(3)平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)大多采用平面直角設(shè)計(jì)、矩形橫截面結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)模塊和標(biāo)準(zhǔn)板材組裝等, 使平臺(tái)的制造可以盡量利用船廠的標(biāo)準(zhǔn)建造設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通用材料進(jìn)行制造, 以此簡(jiǎn)化平臺(tái)的建造工藝。

3.3 ETLP系列

ETLP的結(jié)構(gòu)形式實(shí)際上是由傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)演變而來(lái), 其主要改進(jìn)點(diǎn)在于將傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)四條立柱與張力腿的垂向軸線(xiàn)位置對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)增加延伸懸臂梁的方式將它們的位置約束關(guān)系解除, 使設(shè)計(jì)者在考慮平臺(tái)的張力腿的布置形式時(shí)不受平臺(tái)上體和立柱布置形式的約束, 從而使設(shè)計(jì)者從平臺(tái)在海洋環(huán)境載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和平臺(tái)上體的主尺度選擇角度去考慮這三者關(guān)系時(shí)有更大的自由度(圖4[3])。

圖4 ETLP

ETLP的平臺(tái)本體的主體結(jié)構(gòu)由立柱和浮箱兩大部分組成, 立柱的數(shù)目為三柱或四柱, 立柱截面為方形或圓柱形, 立柱上端穿出水面支撐平臺(tái)上體,下端與浮箱結(jié)構(gòu)相連, 浮箱截面的形狀為矩形, 首尾相接形成環(huán)狀基座結(jié)構(gòu), 在環(huán)狀基座的每一個(gè)邊角上, 都有一向外延伸形成的延伸懸臂梁, 懸臂梁的外端與張力腿相連接。

與傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)張力腿與立柱存在一一對(duì)應(yīng)的軸向連接關(guān)系不同, ETLP張力腿上端與延伸懸臂梁的外端相連, 這一設(shè)計(jì)使得張力腿與立柱設(shè)置之間的限制關(guān)系得以弱化, 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)動(dòng)力響應(yīng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體布置等方面的需要來(lái)確定二者的幾何布置關(guān)系。采用ETLP結(jié)構(gòu)形式, 使所設(shè)計(jì)的張力腿平臺(tái)更容易達(dá)到一種符合作業(yè)要求的理想力學(xué)狀態(tài): 延伸懸臂梁的外端連接張力腿, 使張力腿之間有一個(gè)合理的跨距和系泊點(diǎn)的分布范圍, 為平臺(tái)獲得更大的抗傾覆力矩、更高的縱橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、使平臺(tái)受到更大的轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)的限制提供了保證;立柱間距不再受張力腿系泊點(diǎn)的限制, 設(shè)計(jì)者可以更多地從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮去設(shè)置立柱, 這為優(yōu)化平臺(tái)甲板的尺度、簡(jiǎn)化主體結(jié)構(gòu)、減輕平臺(tái)重量、降低平臺(tái)建造費(fèi)用創(chuàng)造了條件。ETLP設(shè)計(jì)上的這些改進(jìn)大大降低了張力腿平臺(tái)的用鋼量。

與MOSES TLP類(lèi)似, ETLP主體設(shè)計(jì)盡量采用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)形, 易于采用模塊化的建造方式, 對(duì)建造場(chǎng)地條件要求也不高。這對(duì)于提高平臺(tái)的建造工作效率, 降低其施工難度十分有利。

3.4 第二代張力腿平臺(tái)共同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn)

第二代張力腿平臺(tái)研發(fā)的初衷是考慮如何將第一代張力腿平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)拓展到深海的中小油田開(kāi)發(fā)中去, 以簡(jiǎn)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)、降低張力腿平臺(tái)的重量和造價(jià), 使之在惡劣的海洋環(huán)境條件下具有更理想的動(dòng)力響應(yīng)特性作為其設(shè)計(jì)研發(fā)目標(biāo)。以此為目標(biāo)所研發(fā)的第二代張力腿平臺(tái)具有以下的一些共同的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)特點(diǎn): (1)與第一代張力腿平臺(tái)立柱與張力腿軸向一一對(duì)應(yīng)的連接關(guān)系不同, 第二代張力腿平臺(tái)三個(gè)系列均采用了立柱與張力腿軸向異位連接方式, 立柱向平臺(tái)中心靠攏; 張力腿均通過(guò)在平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)上設(shè)置的懸臂梁浮筒結(jié)構(gòu)與平臺(tái)連接。這樣一種結(jié)構(gòu)方式使設(shè)計(jì)人員在考慮平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)、立柱間距、平臺(tái)上體的尺度等力學(xué)與平臺(tái)的布置等問(wèn)題時(shí)有了更大的設(shè)計(jì)自由度。(2)立柱采用小水線(xiàn)面設(shè)計(jì), 使立柱在近水線(xiàn)面處受力面積降低, 這樣可以大幅減小平臺(tái)在水線(xiàn)面處受到的環(huán)境荷載。但是, 立柱小水線(xiàn)面設(shè)計(jì)同時(shí)也會(huì)造成平臺(tái)回復(fù)力矩的減小以及對(duì)可變荷載變化的敏感, 不利于平臺(tái)對(duì)作業(yè)載荷適應(yīng)能力的提升。(3)普遍使用了模塊化設(shè)計(jì)建造技術(shù)。第二代張力腿平臺(tái)有意將平臺(tái)結(jié)構(gòu)盡量設(shè)計(jì)成對(duì)稱(chēng)形, 平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)盡量采用平面直角設(shè)計(jì)、矩形橫截面結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)模塊和標(biāo)準(zhǔn)板材組裝等, 以此簡(jiǎn)化平臺(tái)的建造工藝、降低平臺(tái)的建造成本。(4)部分類(lèi)型的平臺(tái)采用了中性浮力的張力筋腱設(shè)計(jì), 采用這一類(lèi)型的張力筋腱, 使平臺(tái)擺脫了深水條件下張力腿過(guò)重的問(wèn)題, 使之可以在更深的海域作業(yè)。

4 已投入使用的張力腿平臺(tái)整體概況及主要技術(shù)參數(shù)

4.1 張力腿平臺(tái)整體概況

目前世界上最大的張力腿平臺(tái)為傳統(tǒng)類(lèi)型的張力腿平臺(tái)HEIDRUN, 該平臺(tái)于1995年在挪威345 m水深的海域投入使用, 是世界上第一座也是唯一的一座混凝土張力腿平臺(tái), 因?yàn)槠渲黧w構(gòu)造采用了混凝土結(jié)構(gòu), 所以主體排水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他鋼制張力腿平臺(tái), 平臺(tái)本體重量達(dá)到25.5萬(wàn)t, 設(shè)計(jì)排水量為29萬(wàn)t。該平臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命為50 a, 平臺(tái)上有生產(chǎn)井51口、注水井24口, 平臺(tái)日產(chǎn)當(dāng)量原油25.1萬(wàn)桶。另外二座在歐洲海域作業(yè)的張力腿平臺(tái)分別為HUTTON和SNORRE A。WEST SENO A為在亞洲地區(qū)第一座也是目前唯一的一座張力腿平臺(tái); KIZOMBA A為在非洲海域作業(yè)的第一座張力腿平臺(tái), 此后陸續(xù)有另外三座張力腿平臺(tái)坐落在非洲海域, 它們是 KIZOMBA B、OVENG和 OKUME/ EBANO。除了上述的亞、非、歐8座張力腿平臺(tái)外,其余的16座均在美國(guó)墨西哥灣作業(yè)。目前作業(yè)水深最深的張力腿平臺(tái)為坐落于美國(guó)墨西哥灣的MAGNOLIA, 其作業(yè)水深達(dá)到1 425 m, 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式為ETLP; MORPETH為世界上第一座第二代張力腿平臺(tái), 該平臺(tái)于1998年在美國(guó)墨西哥灣518 m水深的海域投入使用, 平臺(tái)為SeaStar TLP結(jié)構(gòu)形式,平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)重量為5 357 t, 設(shè)計(jì)排水量為10 605 t,平臺(tái)日產(chǎn)當(dāng)量原油4.8萬(wàn)桶。產(chǎn)量最大的張力腿平臺(tái)為在挪威海域作業(yè)的傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái) SNORRE A, 平臺(tái)日產(chǎn)原油當(dāng)量36.6萬(wàn)桶。該平臺(tái)本體重量約為 7.4萬(wàn) t, 設(shè)計(jì)排水量為 10.6萬(wàn) t, 是除了 HEIDRUN TLP以外最大的一座張力腿平臺(tái), 也是目前世界上最大的一座鋼質(zhì)張力腿平臺(tái)。

從1984年至今, 世界上建成投入生產(chǎn)的第一代張力腿平臺(tái)共有11座, 屬于第一代張力腿平臺(tái)的有HUTTON、JOLLIET、SNORRE A、AUGER、HEIDRUN、MARS、RAM POWELL、URSA、MARLIN、BRUTUS、WEST SENO A。第二代張力腿平臺(tái)最早于1998年投入使用, 迄今共有三個(gè)系列13座第二代張力腿平臺(tái)投入使用。屬于第二代張力腿平臺(tái) SeaStar系列的有: MORPETH、ALLEGHENY、TYPHOON、MATTERHORN和NEPTUNE;屬于MOSES系列的有: PRINCE、MARCO POLO、OVENG、OKUME/EBANO和SHENZI; 屬于Extended TLP系列的有: KIZOMBA A、MAGNOLIA和KIZOMBA B。24座張力腿平臺(tái)中, 除了 HUTTON已退役、TYPHOON由于在Rita和Katrina颶風(fēng)中傾倒報(bào)廢、沉入海底作為人工魚(yú)礁外, 其余22座TLP均在役。

此外, 巴西國(guó)家石油公司(Petrobras)正在為位于巴西海域的坎普斯盆地(Campos Basin)、水深為1 180 m的PAPA TERRA P-61油田設(shè)計(jì)建造一座ETLP結(jié)構(gòu)形式的張力腿平臺(tái), 目前尚未見(jiàn)到該平臺(tái)投產(chǎn)的報(bào)道。

4.2 已投入使用的張力腿平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)

1984年世界上第一座實(shí)用化的張力腿平臺(tái)Hutton TLP投入使用以后的近30 a來(lái), 張力腿平臺(tái)已經(jīng)逐漸成為各大石油公司深海油氣田開(kāi)發(fā)考慮采用的主流開(kāi)采裝置之一。目前已有24座不同類(lèi)型的張力腿平臺(tái)在世界各海域使用, 其中二座已退役。表1[3,6,9-13]為這24座張力腿平臺(tái)基本信息、張力腿及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)表, 表2[3,6,9-13]為24座張力腿平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)表。

5 討論、結(jié)論與展望

根據(jù)前面的分析, 本文有如下的討論、結(jié)論與展望: (1)第一代張力腿平臺(tái)和Extended TLP一般規(guī)模較大, 具有較大的油氣處理能力, 這兩類(lèi)平臺(tái)可用于大型油氣田的開(kāi)采; SeaStar TLP由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般適用于環(huán)境惡劣的中小油田和邊際油田以及

作為井口平臺(tái)使用; 而MOSES TLP介乎于第一代張力腿平臺(tái)、Extended TLP和SeaStar TLP之間。(2)就海底基礎(chǔ)形式而言, 已投產(chǎn)的張力腿平臺(tái)中只有二座張力腿平臺(tái)(SNORRE A和HEIDRUN)采用了重力式基礎(chǔ), 其余的均以樁基形式作為其海底基礎(chǔ)。重力式吸力基礎(chǔ)一般為淺基礎(chǔ), 主要適用于土質(zhì)較軟、或土質(zhì)情況不穩(wěn)定的土層, 而樁基礎(chǔ)則適用于承載力較高的土質(zhì)。(3)傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)是最早出現(xiàn)的一種張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式, 但2003年作為井口平臺(tái)使用的最后一座傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái) WEST SENO A投產(chǎn)后, 至今未見(jiàn)這種類(lèi)型的新平臺(tái)投入使用。顯然, 隨著第二代張力腿平臺(tái)越來(lái)越多地投入使用,傳統(tǒng)類(lèi)型張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的不足也越顯突出?？梢灶A(yù)見(jiàn): 今后新型的張力腿平臺(tái)將會(huì)在吸收第一、第二代張力腿平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 綜合第一、二代張力腿平臺(tái)的四種類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)研發(fā)而成。(4)在投入使用的所有第一代張力腿平臺(tái)均擁有支持干樹(shù)系統(tǒng)的能力, 可歸類(lèi)為干樹(shù)平臺(tái); 已投產(chǎn)的所有 3座Extended TLP和大部分的MOSES TLP也為干樹(shù)平臺(tái)(除了MOSES系列中的SHENZI TLP為濕樹(shù)平臺(tái)外); 而 5座 SeaStar系列的張力腿平臺(tái)除了MATTERHORN擁有支持干樹(shù)系統(tǒng)的能力外, 其余4座為濕樹(shù)平臺(tái)。平臺(tái)是否具備支持干樹(shù)系統(tǒng)的能力主要由平臺(tái)的規(guī)模大小而定。(5)目前張力腿平臺(tái)大部分是在墨西哥灣使用, 近年來(lái)有向巴西、北非等海域擴(kuò)張的趨勢(shì)。隨著我國(guó)南海油氣資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的升溫, 張力腿平臺(tái)無(wú)疑將會(huì)與Spar、FPSO等一起作為我國(guó)南海油氣田開(kāi)發(fā)的主要考慮采用的裝置。

表1 24座張力腿平臺(tái)基本信息、張力腿及其海底基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

續(xù)表

表2 24座張力腿平臺(tái)本體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)表

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

TE5

A

1000-3096(2014)04-0101-08

10.11759/hykx20120912002

2012-09-12;

2014-02-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10772068)

吳家鳴(1957-), 男, 廣西梧州人, 教授, 博士, 主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的研究, 電話(huà): 020-87111030-3637, E-mail: ctjmwu@scut.edu.cn