随着陆上石油资源的日趋枯竭,油气资源开发正在不断地向海洋发展。此外,世界上除了少数海域外,大部分地区的近海油气资源也已经不能满足增长的需求,因此,油气资源开发向深海发展已成为必然趋势。随着开发水深的增加,出现了许多浅海中未曾出现的问题,简单沿用浅海开发技术已难以满足要求。在这种情况下,各种适应深海环境的新型平台不断涌现。1996年出现的立柱式平台(Spar platform)就是其中最新一代已获成功应用的深海平台。Spar平台概念是从张力腿平台发展而来的,主要具备以下特点:主体吃水很深,水线面相对较小,从而有效减少波浪引起的平台垂荡;柱体底部装有压载使得平台的重心低于浮心,保证平台的稳性;与其他深海平台相比,Spar平台的系泊系统投资成本降低一半左右。以上特点使Spar平台成为当今国际海洋工程领域的研究热点之一。自1996年诞生之日起,Spar平台已发展了三代,分别为:传统Spar平台、桁架式Spar平台和多柱式Spar平台。Spar平台作为世界深海油气开发的流行设施之一,也是我国今后深水海域油气勘探开发系统装备的重点选择目标。国内目前对于Spar平台的研究还处在起步阶段,研究对象大部分还是集中在国外已有的Spar平台概念及其局部结构的特性上,研究方法也多半局限于数值模拟计算。从长远发展深海Spar平台的角度讲,急需开展新型Spar平台概念设计及其水动力性能等方面的理论计算和模型试验研究,从而为将来进一步开展平台的详细设计、建造以及在油气开采中实际应用这一新型平台提供丰富的技术储备。本论文为国家自然科学专项基金项目“深海平台的动力特性研究”以及上海市科委重大基础研究课题“深海单柱式平台关键动力特性的理论与实验研究”的一部分。论文的主要研究过程分为三个阶段。第一阶段:新型Spar平台概念及设计研究。首先,论文在充分调研国外已有Spar平台相关技术资料及研究成果的基础上,结合已投入生产的三代Spar平台的特点,提出了一种新型的Spar平台概念——多柱桁架式立柱平台(Cell-Truss Spar platform)。通过设置桁架和垂荡板,使Cell-Truss Spar平台能具有桁架式Spar平台良好的垂向运动性能,以及较小的水平拖曳力系数等优点;同时,在硬舱的建造方面,通过多柱式的设计降低建造难度和成本,并且希望多柱式的结构能有利于减小平台主体的涡激运动。接下来,在这一新概念的基础上,根据不同海域的环境条件以及不同油气田的开采需求,论文设计了三座具体的Cell-Truss Spar平台,分别为:Cell-Truss Spar-I型平台、Cell-Truss Spar-II-A和II-B型平台。三座平台的主要区别是,I型平台采用湿式采油树,平台内部无中心井,硬舱结构只提供浮力,平台直径相对较小,建造和安装成本相对较低;而II型平台采用干式采油树,硬舱内部设置中心井,可以安装浮力罐支撑的顶端张紧立管,平台直径相对较大,开采能力较强。II-A型平台的中央圆柱体延伸到了平台底部的软舱,目的是为了保护硬舱下部的立管;而II-B型平台则考虑到在海流比较严重的海域,中部的桁架结构能有效减小作用在平台主体上的流载荷。结合具体的设计条件,论文中给出了Cell-Truss Spar-I型平台的设计实例,完成了包括甲板布置、重量分布、主体尺寸、稳性计算以及根据简化模型进行的水动力学初步分析,同时对系泊系统进行了初步的设计和计算。总的来说,立柱式平台的概念设计涉及到两方面的问题:一是设计方法、流程以及结构物的形式;二是水动力性能。与船舶以及其它海洋平台设计相类似,立柱式平台的概念设计思想依然是一个不断调整完善的过程。在总结Cell-Truss Spar-I平台概念设计流程的基础上,本章最后完成了Cell-Truss Spar-II-A和II-B型平台主体及系泊系统的初步设计,并给出了主要尺寸。第二阶段,Spar平台水动力性能的研究。本文中,Spar平台水动力性能的研究共涉及到四座Spar平台,除了上述三座Cell-Truss Spar平台概念外,作为Spar平台水动力性能的前期研究工作,论文对一座合作研究的几何形立柱式平台(Geometric Spar platform, G-Spar)概念及其配套使用的集成式浮力罐(Integrated Buoyancy Can, IBC)概念的模型试验进行了分析。论文首先总结了G-Spar平台在三种海况下的运动性能。结果表明,G-Spar平台纵荡、垂荡和纵摇运动的固有周期远离海洋环境中的波浪周期通常较为集中的范围,波频运动并不明显。垂荡板的数量对垂荡运动的影响较为明显,增加垂荡板的数量,垂荡运动明显的减小。水平方向上的运动在墨西哥湾百年一遇海洋环境条件下主要表现为大幅的低频慢漂运动,相应的,锚链上的作用力也集中在低频部分,同时产生较大的谱峰值。尽管长周期涌浪的幅值比较小,但在产生共振的情况下,仍能引起大幅的垂向运动,因此,涌浪的影响不能忽视。在初步研究了G-Spar水动力性能的基础上,论文接下来对Cell-Truss Spar-I型平台的水动力性能进行了详细地分析。分析方法包括时域耦合分析计算,以及基于等效截断系泊系统的混合模型试验方法的水池模拟试验,最后将二者的数据结果加以对比从而总结出平台在不同海洋环境条件下的运动及系泊缆受力的主要特点。研究结果表明,Cell-TrussSpar-I平台在三种研究的海况下,水平方向的极值小于水深的10%,垂荡和纵摇响应的极值分别在±3 m和±12°以内。水平方向运动响应的自然周期较长,远离了波浪频率通常较为集中的范围,从而减小了一阶波浪激励,而二阶低频波浪往往能够引起较大的水平漂移。平台底部的水平运动几乎全部由低频激励引起,而水线面处平台的纵荡则同时包含低频和波频的部分。另一方面,平台主体低频运动的最小值位于导缆器附近(z≈-70 m),有利于减小系泊系统的动力载荷。就整体纵荡响应而言,三种不同海况下,Spar平台底部的水平运动最小。纵荡和垂荡运动的绝对值随着有义波高的增加而增大。而在一些长周期涌浪经常发生的海域,考虑到垂荡的附加质量的变化,大幅垂荡共振问题值得特别关注。针对Cell-Truss Spar-II-A和-B型平台的水动力性能,本文主要进行了数值计算研究,采取了时域耦合的分析方法。在不同海况条件下,这种平台概念均能满足相应的设计要求,平台运动性能良好,适合干式采油树和顶端张紧立管系统的安装和使用。与Cell-Truss Spar-I型平台分析结果类似,Cell-Truss Spar-II型平台的纵荡和纵摇主要为低频响应,由低频二阶波浪力引起。垂荡主要为波频响应。在非耦合自然环境条件下,平台不同方向上的运动响应及系泊缆受力与该方向上的自然环境条件分别对应相关。对于这类复杂的海况,平台运动响应的分析尤为值得关注。此外,对Cell-Truss Spar-II-B平台而言,首次计算了中国南海东部百年一遇台风海况下平台的运动响应及系泊力,平台依然表现出良好的运动性能。在系泊力分析方面,Cell-Truss Spar-II系泊缆的受力包含波频和低频两个部分,分别用来控制纵荡和纵摇的低频部分以及垂荡运动和纵荡、纵摇运动的波频部分,频率关系对应良好。总体而言,上述分析结论表明,Cell-Truss Spar平台概念满足相应的油气开采设计要求,运动性能良好,有利于不同立管和采油树的安装和使用。第三阶段,耦合作用及垂荡阻尼板Spar平台水动力性能的影响。在Cell-Truss Spar-I型平台数值计算和理论研究的基础上,论文归纳了频域准静态计算方法以及时域部分耦合和全耦合方法在分析平台运动以及系泊力等特性的适用范围。分析结果表明,混合模型试验方法中,对截断系泊系统的设计需要进一步考虑深水柔性杆件(系泊系统、立管等)的动力耦合特性。而在数值计算中,受耦合作用影响的运动和系泊力部分(通常为低频部分)必须引起足够的重视。在一些海况下,这一频率范围的响应往往是造成大幅运动响应的原因。在不考虑耗时的情况下,通过调整一些水动力学参数(通常通过模型试验得到),时域全耦合分析可以得到令人信服的结论。而对于一些频域响应占主要部分的运动和系泊缆受力,例如垂荡运动以及预张力较大的半张紧系泊缆轴向力,还有在西非极限波浪海况下的运动,频域计算以及时域半耦合分析能更快捷地得到相关的统计值,在平台初步设计时,这一结论有助于提高设计效率。论文接下来通过模型试验,初步研究了不同数目和形式的垂荡阻尼板对平台垂荡运动性能的影响,得到以下主要结论:在立柱式平台桁架部分安装垂荡板能有效地减小垂荡运动响应。增加垂荡板的数目,同时减小垂荡板间距能够有效地增大平台垂荡附加质量并减小垂荡响应。在一些情况下,打孔板比实心板能更有效的起到减小垂荡响应的作用,通过选择合适的“打孔面积比”,可以得到较小的垂荡响应。对于打孔板而言,为了得到较大的边长,从而增大粘性阻尼,同时又不损失太多的板面积(附加质量),在工程实际允许的范围内,打孔直径需相对较小。尽管附加质量对于减小Spar平台垂荡运动起着十分重要的作用,阻尼的效果也不容忽视。囿于时间等方面因素的限制,本论文没有对这一问题进行深入的机理性研究,只对特定实验和研究条件下所观察到的现象做了简单的总结,结论中的部分规律仅限于所研究的特定平台和情况,暂不具有普适性,希望本论文的研究,给今后开展类似问题的理论计算和局部研究起到抛砖引玉的作用。本文三个阶段的研究成果,对发展我国具有自主知识产权的Spar平台概念,全面认识和深入研究Spar平台的水动力等技术性能,形成相关的Spar平台性能的预报技术和实验技术手段,促进包括Spar平台在内的新型深海平台的自主研制与应用均具有十分重要的意义。