专利名称：用于浮动平台的振荡抑制及控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于海上浮动平台的共振式振荡抑制系统。
背景技术：
张力腿平台(TLP)是通过垂直结构的锚泊元件而得以保持定位在海上的浮动平台，其中所述锚泊元件称为锚筋，通常由高强度的优质钢管制成，另外还包括降低锚筋系统中的弯曲力矩和应力的、位于顶部和底部的活节连接(锚筋连接件)。在对锚筋系统进行设计、以使TLP能安全地保持定位的时候，必须对许多因素加以考虑，包括(a)在强烈风暴情况当中以及当TLP处于破坏条件下之时，锚筋中所形成的应力的限度；(b)当浪谷及浪峰经过TLP壳体时，避免锚筋的任何松弛以及避免随后突然负载(snap loading)或断开；(c)贯穿锚筋系统的整个使用寿命，由于应力循环而在锚筋系统中产生的疲劳损伤的容许度；(d)限制TLP系统的固有共振运动(起伏、倾斜、摇晃)，确保为工作人员、设备以及提升装置(risers)提供适宜的功能性支撑作用；以及(e)涡流引起的振动所导致的平台系统上的振动。
随着水深加深到超过大约4000英尺，TLP系统的成本开始以锚筋系统的成本为主导，原因在于锚筋的长度和壁厚以及要考虑疲劳因素。为了提供适宜的平台运动控制以及为了限制由每一应力循环所造成的疲劳损伤程度，已经被人认为有必要通过增大锚筋的横截面积(即通过加固“弹簧”，原因为平台的“质量(mass)”主要根据操作因素进行设定)，而将TLP系统的固有共振周期(起伏、倾斜和摇晃)限制到3-4秒的范围之中。逐渐要求钢材具有更大横截面积以及在更深水域中其具有更长长度的情形，造成了锚筋系统变得更重，因而增大了锚筋的成本以及降低了平台系统的效益性承载能力，也就是越来越多的平台成本(buoyancy)几乎都用在其自身的锚泊系统方面。锚筋长度以及锚筋壁厚的一同增大使得在深水安装情形中，即水深超过6000英尺时，锚筋系统占据整个TLP系统总安装成本的大部分。
因此，本发明的一个目的在于提供一种包括一个无源振荡抑制系统的浮动平台系统，其中所述振荡抑制系统抑制平台系统中共振响应，使得工作人员、设备以及提升装置能够更好地移动，并使锚筋系统的成本更少更低。
发明内容
依据本发明，提供了一种用以抑制浮动平台的共振式振荡的振荡抑制系统。该振荡抑制系统包括能量吸收室，其中可将所述能量吸收室与浮动平台的壳体制成一体，或者单独地将其接附到浮动平台的壳体上。所述腔室由位于上部分的空气(或其他气体)和位于下部分的水组成，其中所述上部分可以是封闭或者局部开孔而通到大气中，而所述下部分则可在底部之处通开。位于腔室上部分的封闭的空气用作气弹簧，在浮动平台和水团之间起作用。通过空气压力的变化而实现了对浮动平台共振式振荡进行抑制，其中所述变化相对于作用在浮动平台上的外力成异相。以这样的方式选择腔室的尺寸，使得水团振荡的固有周期接近于浮动平台的共振周期。压力变化源于空气室体积的变化，其中所述空气室体积的变化又由于水团相对于浮动平台的垂直运动而造成。
为了能够详细理解实现本发明上述特征、优点和目的的方式，可参照示出在附图中的本发明的实施方式给出已经在发明内容部分进行总结的本发明的更加具体的描述部分。然而应当注意，附图仅示出本发明典型的实施方式，因而不要将其视为限制本发明的范围，原因为本发明还可允许具有其他等同的有效实施方式。其中所述附图为图1为单柱式浮动平台的侧视图，图中绘出了接附到浮动平台壳体上的、本发明的振荡抑制系统的能量吸收室；图2为本发明浮动平台沿图1所示的线2-2的剖视图；图3为本发明能量吸收室的剖视图；图4为本发明能量吸收室的剖视图，图中绘出了其上的阀门通气装置；图5A-5F为本发明能量吸收室的可供选择的实施方式的剖视图；图6A为单柱式浮动平台的侧视图，图中绘出了紧固到浮动平台壳体上的、本发明的直径分级的能量吸收室；图6B为本发明浮动平台沿图6A所示的线6B-6B的剖视图；图7为单柱式浮动平台的局部分解侧视图，图中绘出了结合在浮动平台壳体上的、本发明的振荡抑制系统的环形能量吸收室；图8为本发明浮动平台沿图7所示的线8-8的剖视图；图9为本发明振荡抑制系统的一个可供选择的实施方式的剖视图，图中绘出了多个结合在浮动平台壳体上的能量吸收室；图10为多柱式浮动平台的局部分解侧视图，图中绘出了结合在浮动平台的四个支撑柱之内的、本发明的振荡抑制系统；图11为本发明浮动平台沿图10所示的线11-11的剖视图；图12-17为侧视图及剖视图，图中绘出了本发明的振荡抑制系统的可供选择的实施方式；图18为表示本发明的平台及振荡抑制系统的示意图；图19为表示包括有受控通气装置的本发明的振荡抑制系统的示意图。
具体实施例方式
现参看图1，图中所示为一个以附图标号10总体标示的单柱壳体式浮动平台。浮动平台10包括一个在水面16的上面突出的、在其上支撑着一个平台甲板15的柱或壳体元件14。浮体18从壳体14的基部径向向外延伸。浮动平台10通过锚筋(tendon)锚定到海底上。
在典型的锚筋设计方案中，使用钢筋将浮动平台10紧固到海底上。随着石油蕴藏的勘探和开采向更深的水域延伸，该锚筋系统的设计方案变得更为关键，并且开始在平台的成本方面占据支配地位。必须将锚筋系统设计成在容许的最小和最大张力之间操作，以抑制固有的共振运动并且限制由每一应力循环所造成的疲劳损伤。后两者通常通过增大钢筋的横截面积而得以实现，这样增大了钢筋的轴向刚性。但是，这么做增大了锚筋的重量，并且降低了平台10的有效承载能力。
在平台设计方案中包括振荡抑制系统的做法可降低与限制运动及旨在防止疲劳(fatigue-driven)的锚筋设计方案相关的成本附加费。通过将异相力施加在TLP系统上，抵消外力，振荡抑制系统抑制了锚筋系统中的垂直和旋转共振。
依据本发明，抵消平台系统中的预期或非预期的振动通过提供抵消力而得以实现，其中所述抵消力的提供通过一个调谐的振动吸收器振荡抑制系统进行。调谐的振动吸收系统在功能上类似于用于防止机器设备振动或者高大建筑结构体摇动的系统，但是在本应用情形中，其由水团(water mass)和气弹簧组成。参看图18，本发明的调谐式振荡抑制系统在构思上类似于双自由度的成对振荡器(oscillator pair)，其中，与大的质块-弹簧系统，质块M、刚性弹簧K，相关的能量自然地传送到小的质块-弹簧系统上，质块m、刚性弹簧k。设置有辅助弹簧kg，所述辅助弹簧kg表示本发明的能量吸收室中的水位的流体静力学复位，并且使得解决方案稍微不同于典型的解决方案。参看图19，在本发明中，平台10为大质块Mp，锚筋20为大弹簧Kp，在一个或多个能量吸收室中的水为小质块mw，而在能量吸收室上部分中的空气则为较小的刚性弹簧ka。流经阀门或节流板的空气流ma为气弹簧ka提供阻尼作用，空气流ma用于调整调谐式振荡抑制系统的阻尼。
总之，本发明振荡抑制系统中的空气-水室的操作如同用于将能量从浮动平台传递到水中的附属的(parasitic)质块-弹簧系统。
振荡抑制系统的技术规格由技术要求控制，其中所述技术要求即为腔室中水团垂直振荡的固有频率应当近似于浮动平台系统的固有频率。振荡抑制系统的固有振荡频率取决于组合在一起的气弹簧和水柱刚度对水柱质块的比率。为了在振荡抑制系统的固有周期和浮动系统的固有周期之间维持固定的比率，振荡抑制系统中的水团和刚度必须以相同的比例发生变化。
对于描述在本申请中的无源振荡抑制系统，空气室体积的变化导致压力的变化，其中所述体积变化由水团相对于浮动平台的垂直运动而造成。作用在浮动平台上的、源于压力变化的净力与振荡抑制系统的总的水线面积(waterline area)成比例。单个振荡抑制室的横向尺寸应当小于水中的柱长，以抑制第二即水平方向的水团移位。
增大振荡抑制系统水中的柱长使得水团增大、还使腔室内的表面重力波的相对影响降低、并使以上标为kg的流体静力弹簧的相对作用降低。
尽管在理论上有可能在调谐式振荡器没有任何阻尼的情况下，在一段非常狭窄的频率范围上，完全消除掉浮动平台的共振运动，但是在实际中，激振力及响应有可能会在相当宽的频率范围上产生。由于具有振荡抑制系统，浮动平台垂直方式的共振响应中的每一个共振响应的共振频率被划分成两个不同的频率，使共振变换到更高以及更低频率。由于振荡抑制系统的低阻尼，这些新的共振频率上的外压(External forcing)会导致浮动平台发生大于所希望的共振响应。随着振荡抑制系统的阻尼的增大，接近初始共振频率之处的响应将增大，但是在新的共振高峰处的响应将减小。可找到最佳阻尼，亦即使浮动平台在所有频率上的最大响应均得到最小化的阻尼。
再次参看图1，本发明的平台10设置有一个或多个紧固在平台10的壳体14上的能量吸收室。在图1所示的构形中，能量吸收室包括三个绕着壳体14均匀间隔开的缸体30。缸体30包括一个通开的底端32和一个封闭或局部开孔的上端34。缸体30被部分填充上水团36。缸体30的上部分填充上形成气弹簧38的空气或其他气体。水团36在缸体30内顶着气弹簧38垂直振荡，从而抑制平台10的共振式振荡。
图3和4所示为在没有摩擦或流体动力阻力作用在缸体30中的水团上的情况下，本发明振荡抑制系统的一种阻尼装置。通过流经孔口33或控制阀门35的受控的空气流动，能够在平台发生大的共振式振荡以及产生与之相关的大的锚筋应力之前，抑制(damp)平台10的振荡抑制系统、并且从系统中除去大的能量脉冲。
可以利用各种能量吸收室的构形，以增强或减弱能量吸收室中的流动湍流度，从而改变平台10的振荡抑制及控制系统的能量吸收特征。图5A-5F示出了能量吸收室的若干个实施方式。在图5A中，能量吸收室为具有通开的底端和封闭的顶部的缸体40。能量吸收缸体40可包括位于缸体40的水团部分中(图5B)的或者空气体部分中(图5C)的筛板或隔板42。还可将筛板或隔板同时结合在缸体40的空气或水团部分中。在图5D中，缸体40包括尖锐的下端44，而在图5E中，缸体40的下端46则具有平滑的向外展开的进入到缸体40底部内的入口。在图5F中，缸体40包括同心地安装在缸体40之内的管体48，以控制晃动并提供附加的阻尼表面。本发明振荡抑制及控制系统的特征还可通过缩短或加长能量吸收缸体40的水团部分和/或空气体部分而得到调整。然而，水团的过大的流体动力或摩擦阻尼会使振荡抑制系统无效，从而应当加以避免。
现参看图6A和6B，本发明的振荡抑制系统包括绕着平台10的壳体14安装的能量吸收室50。腔室50为直径分级的缸体，其包括下部分52，其中所述下部分52的直径小于上部分54的直径。位于上部分54中的滞留空气形成了气弹簧56。能量吸收室50的分级的直径构形使得平台的设计者能够灵活地限制能量吸收室50的高度，与此同时仍可控制气弹簧56的体积。尽管对于一个特定的设计方案而言，水部分52的直径优选为恒定，但是通过改变气弹簧56的尺寸和形状而使得具有灵活性，从而可改变能量吸收室50的上部分54的体积，以对本发明的振荡抑制系统进行调谐。振荡抑制系统的精准调谐还可通过增大能量吸收室50的下部分52而非上部分54的直径而得以实现。
现参看图7和8，图中绘出了本发明的振荡抑制装置的一个可供选择的实施方式，其中，平台60包括结合到平台壳体的结构体之内的振荡抑制系统的环形构形。振荡抑制系统包括一垂直环形室62，其在底部63之处通开，而在其顶部65之处则封闭或局部开孔。环形室62的外表面64可界定平台壳体的外径。将环形室62结合到平台60的壳结构体之内可节约制造成本，并可使经济地获得一种大容量的振荡抑制系统成为可能。振荡抑制系统的容量可通过改变平台壳体的外径或者环形室62的内壁66的直径而得以改变。
可通过将环形室62隔成多个腔室68而进一步改变环形室62的能量吸收特征，如图9所示。通过在形成环形室62的内外表面64和66之间将隔板70安装在环形室62之中，而形成了腔室68。分隔的环形室中不是所有的节段均需要用作能量吸收室。
图10和11所示为用于多柱式平台的振荡抑制系统的一个实施方式。在该实施方式中，本发明的振荡抑制系统包括一个或多个安装在平台80的四个柱子84之内的能量吸收室82。能量吸收室82优选为位于柱子84之内。能量吸收室82的顶端由板86封闭，其中所述板86将室82紧固在平台支撑柱84之内。外接于室82的打开的下端的凸缘板88隔断平台支撑柱84的底端。也可按类似于图1所示以及以上所述的本发明的实施方式，将能量吸收室82接附到平台柱84的外表面上。
现参看图12-17，图中显示了本发明的振荡抑制系统的各个可供选择的实施方式，这些实施方式可由于环境标准和/或平台设计标准的原因而变成符合需要。可供选择的振荡抑制系统的构形包括球形气弹簧室90(图12和13)、弧形能量吸收室92(图14和15)、以及被设计成与平台壳体构成一体的或者安装在平台通海井(moonpool)中的能量吸收室94(图16和17)。
尽管显示在图中的、以及在上面的论述中提及的能量吸收室主要涉及单一室，但是可对任何能量吸收室进行垂直分隔，以限制腔室内自由表面的水平延伸度(extent)。垂直分隔将防止会扰乱振荡体动力学的重力波的产生。垂直隔板可仅在水线附近延伸，或者向上延伸到能量吸收室的全长。
在所有实例中，一种或多种气体可用以代替在以上本发明的描述部分中所述的空气。这些气体，例如二氧化碳或氮，具有弹性，可实现在本发明描述部分中所述的空气的功能，并且可增添其他特性，比如更佳的侵蚀控制性能或更佳的压力/体积控制性能。
尽管已经显示出并描述了本发明的多个实施方式，但是在不偏离本发明的基本范围的前提下，可设计出其他的以及进一步的实施方式，另外，本发明的范围由权利要求书确定。
权利要求
1.一种用于对锚定在水体中的浮动平台的固有共振进行限制的振荡抑制系统，包括a)至少一个支撑柱，该支撑柱具有在水面之上延伸的上部分以及在水面之下延伸的下部分，所述至少一个支撑柱适于在水面之上支撑一设备甲板；b)一个或多个能量吸收室，所述能量吸收室安装在所述至少一个支撑柱内或者安装在其周围。
2.根据权利要求1所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室包括一上部分和一下部分，所述上部分封闭而所述下部分打开。
3.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室包括一气弹簧，其中所述气弹簧由位于所述能量吸收室的所述上部分中的封闭气体以及包含在所述能量吸收室的所述下部分中的水团形成。
4.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室所具有的尺寸可用于形成与浮动平台固有的垂直和/或旋转振荡频率几乎匹配的固有振荡频率。
5.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室包括用于使气体从所述上部分中受控地释放出来的装置，以调整其能量吸收特征。
6.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室包括用于增强或减弱所述能量吸收室中水运动的湍流的装置，以调整其能量吸收特征。
7.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其包括安装在所述能量吸收室的所述下部分中的隔板。
8.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其包括安装在所述能量吸收室的所述上部分中的隔板。
9.根据权利要求7所述的振荡抑制系统，其包括安装在所述能量吸收室的所述上部分中的第二组隔板。
10.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室的所述下部分终止于一尖锐的下边缘，所述下边缘界定了一通到所述能量吸收室的所述下部分中的尖锐开口。
11.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室的所述下部分终止于一向外展开的下边缘，其中所述下边缘界定了一通到所述能量吸收室的所述下部分中的平滑开口。
12.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其包括位于所述能量吸收室之内的垂直隔板。
13.根据权利要求3所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述气弹簧由位于所述能量吸收室的所述上部分中的空气形成。
14.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室的所述上部分的直径大于所述能量吸收室的所述下部分。
15.根据权利要求1所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述支撑柱包括一环形能量吸收室，其中所述环形能量吸收室界定所述支撑柱的外表面。
16.根据权利要求15所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述环形能量吸收室包括间隔开的轴向隔板，其中所述隔板沿着所述环形能量吸收室的轴向长度延伸，从而在其内形成多个能量吸收室。
17.根据权利要求1所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述平台包括多个支撑柱以及一能量吸收室，其中所述能量吸收室安装在所述一个或多个支撑柱之中或者安装在其周围。
18.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室的所述上部分为球形。
19.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室的所述上部分为棱形。
20.根据权利要求2所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室界定成一与所述支撑柱的弧度相对应的弧形节段轮廓。
21.根据权利要求1所述的振荡抑制系统，其包括用于调整所述能量吸收室的能量吸收特征的装置。
22.根据权利要求1所述的振荡抑制系统，其特征在于，将所述能量吸收室与壳体构造成一体。
23.根据权利要求1所述的振荡抑制系统，其特征在于，所述能量吸收室安装在所述支撑柱上，位于延伸穿过所述支撑柱的通海井之内。
24.一种用于石油钻井及开采的海上深水设备，包括a)一平台，该平台具有一适于通过浮力支撑平台重量的壳体装置；b)安装在所述壳体装置之中或其周围的、用于使所述设备获得一选定的固有共振周期的能量吸收装置，所述能量吸收装置包括用于调整其能量吸收特征的装置；c)连接到所述设备上、用于将所述设备紧固到海底上的锚定及锚筋系统装置。
25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述能量吸收装置包括一个或多个具有一弹簧的腔室，其中所述弹簧由位于所述腔室的上部分中的封闭气体以及包含在所述腔室的下部分中的水团形成。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，用于调整所述腔室的能量吸收特征的所述装置包括安装在所述腔室上的通气装置。
27.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述通气装置包括安装在所述腔室的所述上部分上的控制阀门。
28.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述通气装置包括位于所述腔室的上部分中的孔口。
29.一种用于使海上浮动结构体的起伏、倾斜和/或摇晃运动最小化的设备，包括a)能量吸收装置，包括一个或多个安装在所述结构体的一柱子之中或其周围的腔室，所述柱子部分地浸没在海中；b)所述腔室包括形成在所述腔室的上部分中的一气弹簧以及包含在所述腔室的下部分中的水团，借此，可对所述腔室中水的固有的振荡共振频率进行调整，以最小化所述结构体的起伏、倾斜和/或摇晃运动；c)其中，所述腔室包括用于调整所述腔室的能量吸收特征的装置；以及d)连接到所述结构体上、用于将所述结构体紧固到海底上的锚定及锚筋系统装置。
30.根据权利要求29所述的设备，其包括用于使气体从所述腔室的所述上部分中受控地释放出来的通气装置，以控制所述能量吸收装置的能量吸收振荡器阻尼特征。
全文摘要
本发明提供一种用以抑制浮动平台的垂直及旋转共振的振荡抑制系统。该振荡抑制系统包括安装在浮动平台壳体之中或其周围的能量吸收室。可将所述腔室单独地接附到结构体上或者将其一体构造成所述结构体的一部分。该腔室由位于上部分中的气体和位于下部分中的水团组成。该腔室的上端封闭或局部开孔通气，而在其底端打开。位于腔室上部分中的封闭气体气弹簧，对浮动平台以及水团起作用。通过改变作用在浮动平台系统上的、与外力成异相的气弹簧的压力，实现对浮动平台系统的共振式振荡进行抑制。
文档编号B63B39/03GK1926023SQ200480042511
公开日2007年3月7日 申请日期2004年11月3日 优先权日2004年11月3日
发明者史蒂文·J·莱弗里特, 迈克尔·W·斯皮兰, 奥里奥尔·R·赖肯, 史蒂芬·E·基比 申请人:海马设备股份有限公司