一种改进涡激运动性能的张力腿平台的制作方法

1.本发明涉及海洋工程领域，尤其是涉及一种改进涡激运动性能的张力腿平台。


背景技术：

2.张力腿平台是一种用于深水中钻探和生产的平台，至今已有多种形式存在，主要包括传统式(conventional tlp)、moses、伸张式(etlp)和海星式(sea
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star tlp)四类。传统张力腿平台构造包括上部模块、四个立柱和四个浮箱。传统张力腿平台的垂荡运动较小，便于采用湿式采油树。张力腿平台主要特征是结构产生浮力大于自重，剩余浮力与预张力平衡。传统张力腿平台应用时间长、分布广泛、设计理论成熟。
3.传统张力腿平台主体构型如图1所示，平台主体由上部模块1、立柱2和浮箱3三部分组成。立柱底部连接有筋腱4，平台通过筋腱4与海底连接。立柱2由四根等直径的圆柱组成。
4.由于立柱吃水较大，在一定的流速下，立柱脱落的漩涡引起脉动压力较大，平台产生较为明显的涡激运动。这种现象也被称为涡激运动“锁定”。当“锁定”现象发生时，平台的运动频率保持在固有频率附近，且发生大幅的横向和艏摇振动。对于圆柱张力腿平台，“锁定”发生时，一般流速在以下范围：
5.5<ur＝utn/d<10
6.ur:无因次化速度。
7.u:海流流速(单位：米每秒)。
8.tn:张力腿平台在静水中的固有周期(单位：秒)。
9.d:立柱直径(单位：米)。
10.涡激运动是一种周期性的谐振效应。在一定雷诺数范围内，水流绕过立柱，并在立柱表面形成周期性脱落的旋涡。周期性的泄涡产生脉动压力和升力，具体表现为垂直于来流方向的水平方向的力，使立柱产生大幅横向运动，容易使立柱和立管产生疲劳破坏。对平台主体构造进行改进，降低张力腿平台的涡激运动具有重要工程意义。


技术实现要素：

11.本发明的目的就是为了提供一种改进涡激运动性能的张力腿平台，通过设置扩大柱，由于扩大柱截面直径大于立柱直径至少10％，立柱和扩大柱两部分形成的涡激运动形成了明显的相位差，并且保持周期不变，从而两部分的涡激运动可以部分抵消，从而明显提高涡激运动性能，减小涡激运动幅值，降低涡激运动引发的立柱和立管系统的疲劳损伤。
12.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
13.一种改进涡激运动性能的张力腿平台，包括上部模块、多个立柱，所述立柱呈圆柱状，设于上部模块的下方，且均与上部模块垂直，所述平台还包括扩大柱，所述扩大柱的形状呈圆柱状，截面直径大于立柱直径至少10％，所述扩大柱的数量与立柱的数量相等并一一对应，各扩大柱连接于对应立柱的底部且轴线对齐，相邻扩大柱之间均设有浮箱。
14.所述扩大柱的高度大于浮箱的高度，且为吃水深度的20％～35％。
15.所述浮箱的轴向截面为矩形。
16.所述上部模块为平台台面。
17.所述上部模块的横截面为方形。
18.所述立柱的数量为四根。
19.所述方形为正方形。
20.所述浮箱的高度大于厚度。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过设置扩大柱，由于扩大柱截面直径大于立柱直径至少10％，且为吃水深度的20％～35％，立柱和扩大柱两部分表面的涡旋脱落形成了明显的相位差，并且保持周期不变，从而两部分的受到的激振力可以部分抵消，从而降低涡激运动幅值，明显提高涡激运动性能，降低涡激运动引发的立柱和立管系统的疲劳损伤。
附图说明
22.图1为传统张力腿平台的结构示意图；
23.图2为本发明的实施例的结构示意图；
24.图3为本发明的实施例的侧式结构示意图；
25.图4为本发明的实施例的涡激运动曲线图，
26.其中：1、上部模块，2、立柱，3、筋腱，4、浮箱，5、扩大柱。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.一种改进涡激运动性能的张力腿平台，如图1所示，包括上部模块1、多个立柱2，立柱2呈圆柱状，设于上部模块1的下方，且均与上部模块1垂直，平台还包括扩大柱5，扩大柱5的形状呈圆柱状，截面直径大于立柱2直径至少10％，扩大柱5的数量与立柱2的数量相等并一一对应，各扩大柱5连接于对应立柱2的底部且轴线对齐，相邻扩大柱5之间均设有浮箱4。
29.通过设置扩大柱5，由于扩大柱5截面直径大于立柱2直径至少10％，立柱2和扩大柱5两部分形成的涡激运动形成了明显的相位差，并且保持周期不变，从而两部分的涡激运动可以部分抵消，从而明显提高涡激运动性能，减小涡激运动幅值，降低涡激运动引发的立柱和立管系统的疲劳损伤。
30.扩大柱5破坏了涡旋脱落在柱长方向上的连续性，降低了涡激运动响应幅值。由于扩大柱5的直径较大，立柱2之间涡旋脱落的干扰也受到影响，这同样降低了涡激运动幅值。此外，立柱底部的加大还增加了平台的阻尼。该平台的涡激运动幅值将小于具有相同尺寸的传统型张力腿平台。
31.扩大柱5的高度大于浮箱4的高度，且大于吃水深度的20％。优选的，扩大柱5的高度为吃水深度的20％～35％。因此，在图1所示的现有技术的基础上，为了保持吃水深度不变，需要适当降低浮箱的体积。
32.在一些实施例中，浮箱4的轴向截面为矩形，且浮箱4的高度大于厚度。
33.上部模块1为平台台面。
34.上部模块1的横截面为方形，立柱2的数量为四根，方形为正方形。
35.如图3所示，张力腿平台作业工况下立柱部分在水中，立柱整体吃水为hd，立柱扩大的底部全部在水下，高度为hb。立柱底部和立柱上部的立柱直径不同，涡旋脱落并不同步。在该实施例中，立柱底部高度hb大于浮箱高度hp，且大于立柱吃水hd的20％。在该实施例中，立柱底部的圆柱直径cb也大于立柱上部的直径c至少10％。这种情况下，立柱底部结构对整体涡激运动有明显的一抑制作用。具体的，为了进一步提高性能，由于相位差具体是由扩大柱和立柱之间的直径差确定的，因此，可以找到几个数值点，形成完全相反的相位，从而在某些环境下可以彻底抵消涡激运动。
36.如图4所示，本申请改进的张力腿平台(tlp2)比传统张力腿平台(tlp1)的涡激运动响应(a/d)更小，新型张力腿平台具备更好的涡激运动性能。


技术特征：
1.一种改进涡激运动性能的张力腿平台，包括上部模块(1)、多个立柱(2)，所述立柱(2)呈圆柱状，设于上部模块(1)的下方，且均与上部模块(1)垂直，其特征在于，所述平台还包括扩大柱(5)，所述扩大柱(5)的形状呈圆柱状，截面直径大于立柱(2)直径至少10％，所述扩大柱(5)的数量与立柱(2)的数量相等并一一对应，各扩大柱(5)连接于对应立柱(2)的底部且轴线对齐，相邻扩大柱(5)之间均设有浮箱(4)。2.根据权利要求1所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述扩大柱(5)的高度大于浮箱(4)的高度，且所述扩大柱(5)的高度为吃水深度的20％～35％。3.根据权利要求1所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述浮箱(4)的轴向截面为矩形。4.根据权利要求1所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述上部模块(1)为平台台面。5.根据权利要求1所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述上部模块(1)的横截面为方形。6.根据权利要求1所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述立柱(2)的数量为四根。7.根据权利要求5所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述方形为正方形。8.根据权利要求1所述的一种改进涡激运动性能的张力腿平台，其特征在于，所述浮箱(4)的高度大于厚度。

技术总结
本发明涉及一种改进涡激运动性能的张力腿平台，包括上部模块、多个立柱，立柱呈圆柱状，设于上部模块的下方，且均与上部模块垂直，平台还包括扩大柱，扩大柱的形状呈圆柱状，截面直径大于立柱直径至少10％，扩大柱的数量与立柱的数量相等并一一对应，各扩大柱连接于对应立柱的底部且轴线对齐，相邻扩大柱之间均设有浮箱。与现有技术相比，本发明通过设置扩大柱，由于扩大柱截面直径大于立柱直径至少10％，立柱和扩大柱两部分形成的涡激运动形成了明显的相位差，并且保持周期不变，从而两部分的涡激运动可以部分抵消，从而明显提高涡激运动性能，减小涡激运动幅值，降低涡激运动引发的立柱和立管系统的疲劳损伤。发的立柱和立管系统的疲劳损伤。发的立柱和立管系统的疲劳损伤。


技术研发人员：张新曙 裴浩 杨英强
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2021.06.29
技术公布日：2021/9/7