一種基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，包括：一個(gè)以上的旋轉(zhuǎn)體，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體的水平橫截面面積均設(shè)計(jì)為沿鉛垂方向可變，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體均固定于平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)上；每個(gè)旋轉(zhuǎn)體的上底面為封閉或者局部開孔通向外界，下底面敞開浸入外界液體并與其相通，旋轉(zhuǎn)體上部空間由氣體占據(jù)形成氣室，下部空間由外界液體占據(jù)形成液柱。本發(fā)明的小水線面減振裝置固定于平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)上，通過對(duì)減振裝置在平臺(tái)上的位置進(jìn)行優(yōu)化布局，可使減振系統(tǒng)在較寬的波浪頻域內(nèi)，均能起到較好的運(yùn)動(dòng)抑制效果。該系統(tǒng)可以在不明顯增加平臺(tái)質(zhì)量的情況下，有效抑制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，改善平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境，大幅降低平臺(tái)的造價(jià)。
【專利說明】一種基于小水線面減振裝置的淳式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 世界經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，各國能源的需求也急劇增加。陸地和淺海石油資源儲(chǔ)備越來 越少，其開采難度越來越大。石油開采重心已經(jīng)移向深海，深海海域的自然環(huán)境及其惡劣， 會(huì)出現(xiàn)風(fēng)大、浪高、流急等情況。深海裝備的設(shè)計(jì)和開發(fā)將是未來幾十年工程科學(xué)領(lǐng)域的熱 點(diǎn)。
[0003] 深海開采和生產(chǎn)平臺(tái)，大多采用順應(yīng)式浮式平臺(tái)，常見的浮式平臺(tái)有張力腿平臺(tái)、 半潛式平臺(tái)和Spar平臺(tái)。張力腿平臺(tái)通過張力腿的預(yù)張力使平臺(tái)固定在海面上，張力腿的 材料一般選用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼管。半潛式平臺(tái)和Spar平臺(tái)由沉箱或柱形主體提供浮力，通過 錨鏈系統(tǒng)來固定位置。
[0004] 在深海極端海洋環(huán)境下作業(yè)時(shí)，浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)中的應(yīng)力可能會(huì)達(dá)到甚至超過 其極限值，在波浪持續(xù)的交變作用下，還有可能會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。對(duì)于某些特定工況，平臺(tái) 發(fā)生大幅振動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致張力腿和張緊的錨鏈發(fā)生松弛。當(dāng)平臺(tái)受到的激振力頻率接近 平臺(tái)固有頻率時(shí)，平臺(tái)會(huì)發(fā)生共振，這對(duì)平臺(tái)上人員的安全和設(shè)備的運(yùn)行帶來隱患。因此， 對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效的抑制顯得尤為必要。
[0005] 以張力腿平臺(tái)為例，如果平臺(tái)工作水深超過1500米，張力腿平臺(tái)建造成本中張力 腿所占的比重將會(huì)大幅增加。常見波浪周期范圍一般為6-25秒，為了使平臺(tái)的自振周期避 開常見的波浪周期，應(yīng)將其限制在3-4秒的范圍之內(nèi)，平臺(tái)的剛度需要得到維持，這就要求 張力腿在較深的海域作業(yè)時(shí)必須具有較大的橫截面積。這將導(dǎo)致張力腿的建造成本急劇上 升，張力腿的質(zhì)量也會(huì)增大，這將不利于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的抑制。對(duì)于半潛式平臺(tái)和Spar平臺(tái)，考 慮平臺(tái)的定位精度和耐波性，工作海域越深，錨鏈的數(shù)量要增多和尺寸要增大，這會(huì)帶來造 價(jià)提高，運(yùn)動(dòng)性能惡化等問題。如果不采取有效措施來抑制深海浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，只靠增加 浮式平臺(tái)剛度或者系泊索數(shù)量和尺寸來實(shí)現(xiàn)減振，平臺(tái)的成本將會(huì)大幅上漲，甚至使平臺(tái) 的建造不具備經(jīng)濟(jì)可行性。
[0006] 所以不管是從平臺(tái)的安全性還是工程造價(jià)方面來分析，對(duì)深海采油平臺(tái)進(jìn)行整體 運(yùn)動(dòng)抑制是極其必要的。
[0007] 現(xiàn)有的平臺(tái)減振裝置（尤其是抑制垂蕩、橫搖、縱搖等垂向運(yùn)動(dòng)的裝置）有如下 值得改進(jìn)之處：1)會(huì)增大平臺(tái)結(jié)構(gòu)的波浪載荷，這對(duì)于平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)抑制有明顯不利影 響。2)減振裝置的布置方式未考慮到減振裝置數(shù)量和布置方式等多種因素的相互影響，沒 有對(duì)其布置方式進(jìn)行優(yōu)化分析；對(duì)于某些海況，減振裝置的數(shù)量和布置方式將較大地影響 系統(tǒng)的減振效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑 制系統(tǒng)，從而提高浮式平臺(tái)整體運(yùn)動(dòng)抑制效果。
[0009] 本發(fā)明的一種基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)包括：一個(gè)以上的 旋轉(zhuǎn)體，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體的水平橫截面面積均設(shè)計(jì)為沿鉛垂方向可變，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體均固定于平 臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)上；每個(gè)旋轉(zhuǎn)體的上底面為封閉或者局部開孔通向外界，下底面敞開浸入外界 液體并與其相通，旋轉(zhuǎn)體上部空間由氣體占據(jù)形成氣室，下部空間由外界液體占據(jù)形成液 柱。
[0010] 優(yōu)選地，在水面附近所述旋轉(zhuǎn)體的橫截面面積小于其它區(qū)域，以便降低減振裝置 所受水動(dòng)力載荷。
[0011] 優(yōu)選地，所述減振裝置為單氣室減振裝置或多氣室減振裝置，所述多氣室的連通 方式為串聯(lián)或并聯(lián)；所述多氣室減振裝置各個(gè)氣室之間設(shè)有小孔相通，通過改變小孔大小 改變系統(tǒng)的阻尼特性。
[0012] 優(yōu)選地，所述減振裝置上部氣室內(nèi)的氣體為空氣或其它單一成分氣體，或者為多 種成分的混合氣體。
[0013] 優(yōu)選地，所述減振裝置可以按照實(shí)際需求布置在平臺(tái)任何位置上，可以布置在對(duì) 角線上，或在浮體立柱的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，或布置在沉箱中線上，或在沉箱的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，以及 其他任何有助于抑制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的位置上。
[0014] 優(yōu)選地，所述減振裝置布局為對(duì)稱布置或非對(duì)稱布置。
[0015] 優(yōu)選地，所述基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)適用于任何形式的 浮式平臺(tái)。
[0016] 本發(fā)明的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] (1)該裝置采用了小水線面設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的減振裝置，其所受的波浪載荷減少 90%以上，因此該裝置在工作時(shí)，不會(huì)增加明顯的附加波浪載荷，這樣才能更有效的對(duì)平臺(tái) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振。
[0018] (2)該系統(tǒng)可以在不明顯增加平臺(tái)質(zhì)量的情況下，有效抑制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。該減振裝 置下部分的液柱與外界水體（海水）相連通，液柱與平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響減振裝置中的空 氣狀態(tài)，使氣體壓力發(fā)生變化；此外，上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)還會(huì)消耗能量。氣體壓力的變化和平臺(tái) 所受的載荷變化成異相，能量消耗會(huì)產(chǎn)生阻尼效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)主體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抑制的 目的。
[0019] ⑶可以根據(jù)作業(yè)海域的海況和實(shí)際平臺(tái)情況，對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制進(jìn)行優(yōu)化分析，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)減振裝置進(jìn)行合理布局，使該減振系統(tǒng)能在較寬波浪頻率范圍內(nèi)，均能起到較好 的運(yùn)動(dòng)抑制效果。通過改變減振裝置的相對(duì)位置，可以大幅改善減振裝置對(duì)于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑 制的性能，降低平臺(tái)的建造成本。
[0020] (4)可以根據(jù)海況和實(shí)際平臺(tái)情況，合理安排減振裝置的數(shù)量和布置方式。減振裝 置的數(shù)量可以根據(jù)需要就行調(diào)整。例如，對(duì)于四立柱平臺(tái)而言，可以將減振裝置對(duì)稱布局在 四個(gè)對(duì)角線位置，也可以將減振裝置布置在四個(gè)沉箱的中線位置，還可以采用對(duì)角線位置 和沉箱中線混合布置方式，或者采用非對(duì)稱方式布置，甚至將減振裝置布置到其他任何利 于運(yùn)動(dòng)抑制的位置。
[0021] (5)該裝置主要是以海洋工程裝備常見材料為原料，便于加工制造和運(yùn)輸，該裝置 適用性強(qiáng)、易于拆裝、便于根據(jù)不同海況環(huán)境調(diào)整減振裝置的位置布局。該系統(tǒng)的運(yùn)行和維 護(hù)成本也相當(dāng)?shù)土?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為裝有減振裝置的四柱平臺(tái)結(jié)構(gòu)主視圖；
[0023] 圖2為裝有減振裝置的第一種四柱平臺(tái)結(jié)構(gòu)俯視截面圖；
[0024] 圖3為七種不同設(shè)計(jì)的減振裝置示意圖；
[0025] 圖4為裝有減振裝置的第二種四柱平臺(tái)結(jié)構(gòu)俯視截面圖；
[0026] 圖5為裝有減振裝置的第三種四柱平臺(tái)結(jié)構(gòu)俯視截面圖；
[0027] 圖6為裝有減振裝置的第四種四柱平臺(tái)結(jié)構(gòu)俯視截面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明針對(duì)目前缺少能夠有效抑制海洋浮式平臺(tái)垂向整體運(yùn)動(dòng)（垂蕩、橫搖、縱 搖）的減振裝置的問題，提出了一種可以在不明顯增加平臺(tái)質(zhì)量的情況下，有效抑制平臺(tái) 的運(yùn)動(dòng)，改善平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境，大幅降低平臺(tái)造價(jià)的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)。
[0029] 下面以四柱平臺(tái)為實(shí)施例進(jìn)行說明。
[0030] 如圖1、2所示，四柱浮式平臺(tái)抑制系統(tǒng)（以及與該抑制系統(tǒng)相連的部分平臺(tái)結(jié)構(gòu)） 包括：平臺(tái)結(jié)構(gòu)1，平臺(tái)結(jié)構(gòu)1水下部分主要包括沉箱2和立柱3 ;減振裝置4為水平橫截面 面積沿鉛垂方向可變且水面附近橫截面面積小于其它區(qū)域的旋轉(zhuǎn)體，其中減振裝置4外殼 固定在平臺(tái)結(jié)構(gòu)1上，隨著平臺(tái)結(jié)構(gòu)1 一起運(yùn)動(dòng)，減振裝置4包括上部氣室41和下部水液 柱42,減振裝置4的外殼材料為海洋工程裝備常見材料。
[0031] 減振裝置4的上部氣室41內(nèi)的氣體可以是空氣，也可以是其他單一成分氣體或者 是多種成分的混合氣體；減振裝置4的上部氣室41可以是封閉的，也可以局部開孔通到大 氣。
[0032] 減振裝置4的設(shè)計(jì)可以分為單氣室減振裝置和多氣室減振裝置，其上部氣室41的 形狀可以為橢圓體形，也可以采用立方體形狀等，例如圖3所示，圖3a為單氣室球形減振裝 置，圖3b為雙氣室球形減振裝置，圖3c為雙氣室圓柱形減振裝置，圖3d為雙氣室小柱體連 接減振裝置，圖3e為單氣室球形減振裝置，且局部開孔與外部連通，圖3f為多氣室串聯(lián)減 振裝置，圖3g為多氣室并聯(lián)減振裝置。所述的減振裝置4均采用了小水線面設(shè)計(jì)，可以大 大減小減振裝置給平臺(tái)結(jié)構(gòu)1帶來的波浪載荷。
[0033] 對(duì)于多氣室減振裝置，各個(gè)氣室之間設(shè)置有小孔43相通，小孔43的大小可以決定 相鄰兩個(gè)氣室的通氣量，能起到耗能的作用。通過改變小孔43的大小，可以改變系統(tǒng)的阻 尼特性，對(duì)減振效果也會(huì)產(chǎn)生影響。
[0034] 對(duì)于多氣室的減振裝置，其連通方式（串聯(lián)或者并聯(lián)）可以根據(jù)減振器的優(yōu)化參 數(shù)靈活設(shè)計(jì)。
[0035] 對(duì)于多氣室減振裝置4的小孔43大小，最好要滿足統(tǒng)一的精度要求，否則將會(huì)導(dǎo) 致各個(gè)減振裝置4的耗能大小不一樣，進(jìn)而影響減振效果。
[0036] 液柱42與平臺(tái)結(jié)構(gòu)1的相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響減振裝置4中上部氣室41的空氣狀態(tài)，使 氣體壓力發(fā)生變化；此外，上述相對(duì)運(yùn)動(dòng)還會(huì)消耗能量。氣體壓力的變化和平臺(tái)所受的載荷 變化成異相，能量消耗會(huì)產(chǎn)生阻尼效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)主體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抑制的目標(biāo)。
[0037] 減振裝置4的截面大小要合適。截面太大，長(zhǎng)度就會(huì)變的太短，減震裝置4的分析 和設(shè)計(jì)難度將會(huì)增加。截面也不能太小，否則長(zhǎng)度就太長(zhǎng)，減振效果將會(huì)受到影響，同時(shí)也 會(huì)影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
[0038] 減振裝置4的截面在水線面處不能太小，減振裝置4結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度應(yīng)滿足要 求，在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，減振裝置4必須保證可靠地完整性，不能被破壞。
[0039] 影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制效果的另一個(gè)因素就是減振裝置4的位置布局，減振裝置4可 布置在平臺(tái)對(duì)角線5上，立柱3的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，也可或布置在沉箱2中線上，沉箱2的內(nèi)側(cè) 或外側(cè)。根據(jù)需要，可將減振裝置4分別布置在對(duì)角線5和沉箱2中線6上，按實(shí)際情況， 可以對(duì)稱布置，也可以進(jìn)行非對(duì)稱布置，甚至將減振裝置布置到其他任何利于運(yùn)動(dòng)抑制的 位置。減振裝置4的數(shù)量和布局可根據(jù)實(shí)際海況和平臺(tái)的具體情況，經(jīng)過分析和計(jì)算得出。
[0040] 如圖2、圖4和圖5所不，分別表不了沿對(duì)角線5方向的三種不同的布局方式，圖 2為四個(gè)減振裝置4緊貼四個(gè)立柱3的內(nèi)側(cè)；圖4中，減振裝置4位于平臺(tái)兩條對(duì)角線5內(nèi) 偵h圖5中，減振裝置4位于平臺(tái)兩條對(duì)角線5外側(cè)。
[0041] 圖6為八個(gè)減振裝置4的一種布局形式，分別布置在對(duì)角線5和沉箱2中線6上。
[0042] 減振裝置不要求必須對(duì)稱布置，完全可以按照需要不對(duì)稱布置，也可以布置到有 利于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制的任何位置上。
[0043] 上述說明以四柱平臺(tái)為例，給出的圖示也是對(duì)稱布置，減振裝置也可以不對(duì)稱布 置。
[0044] 本發(fā)明的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)適用于任何形式的浮 式平臺(tái)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在于，包括：一個(gè)以 上的旋轉(zhuǎn)體，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體的水平橫截面面積均設(shè)計(jì)為沿鉛垂方向可變，每個(gè)旋轉(zhuǎn)體均固定 于平臺(tái)浮體結(jié)構(gòu)上；每個(gè)旋轉(zhuǎn)體的上底面為封閉或者局部開孔通向外界，下底面敞開浸入 外界液體并與其相通，旋轉(zhuǎn)體上部空間由氣體占據(jù)形成氣室，下部空間由外界液體占據(jù)形 成液柱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在 于：在水面附近所述旋轉(zhuǎn)體的橫截面面積小于其它區(qū)域，以便降低減振裝置所受水動(dòng)力載 荷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在 于：所述減振裝置為單氣室減振裝置或多氣室減振裝置，所述多氣室的連通方式為串聯(lián)或 并聯(lián)；所述多氣室減振裝置各個(gè)氣室之間設(shè)有小孔相通，通過改變小孔大小改變系統(tǒng)的阻 尼特性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在 于：所述減振裝置上部氣室內(nèi)的氣體為空氣或其它單一成分氣體，或者為多種成分的混合 氣體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在 于：所述減振裝置可以按照實(shí)際需求布置在平臺(tái)任何位置上，可以布置在對(duì)角線上，或在浮 體立柱的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，或布置在沉箱中線上，或在沉箱的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，以及其他任何有助于 抑制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的位置上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在 于：所述減振裝置布局為對(duì)稱布置或非對(duì)稱布置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)，其特征在 于：所述基于小水線面減振裝置的浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)抑制系統(tǒng)適用于任何形式的浮式平臺(tái)。
【文檔編號(hào)】F16F9/02GK104085510SQ201410273226
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】曾曉輝, 張良, 余楊, 周濟(jì)福, 劉青泉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所