摘要: 在深水油气开发中，张力腿平台（TLP）是一种主要的海洋结构形式。一座完整的张力腿平台通常包括三部分：平台本体或上部浮体（Hull），是漂浮于海面之上的平台主体结构；张力筋腱（Tendon），作为构成张力腿的主要构件，将平台本体向下拉紧至位于海底... 展开 在深水油气开发中，张力腿平台（TLP）是一种主要的海洋结构形式。一座完整的张力腿平台通常包括三部分：平台本体或上部浮体（Hull），是漂浮于海面之上的平台主体结构；张力筋腱（Tendon），作为构成张力腿的主要构件，将平台本体向下拉紧至位于海底的水下井口，通常情况下，每根张力腿包含2至3根张力筋腱；立管，主要应用于张力腿平台的具体立管形式为顶部张紧式立管（TTR），用于钻井、油气的生产及其他介质的传输。此外，为了维持TTR立管的顶部张力，每一根立管都由一套张紧器（Tensioner）系统连接至平台上部浮体。近年来，张力腿平台筋腱、立管等柔性构件的局部失效响应问题逐渐成为了国际海洋工程领域的热点问题，而我国目前尚无自主建造且在位运行的张力腿平台，开展上述问题的深入研究将对我国大力发展深海装备设计制造具有重大意义。 首先，本文针对张力腿平台的局部系泊失效问题，基于三维势流理论及面元方法提出了张力筋腱失效数学模型，并给出了系泊失效模拟方法。以一座张力腿平台为研究对象，通过与其常规水动力分析结果进行对比，验证了所提出模型、方法及计算过程的正确性。而后，预报其发生张力筋腱一次性失效及渐进性失效前后的耦合水动力响应。考虑了不同方向的环境载荷以及不同的筋腱失效位置。分析结果给出了上部浮体的运动响应、剩余张力筋腱及顶部张紧式立管的受力变化情况。研究结果表明：局部系泊失效后，较完整系泊状态下，平台的运动及结构响应会明显变化，且时间历程可先后划分为瞬态阶段和稳态阶段，不同环境载荷条件下，两个阶段的响应变化幅度有所不同。在极端海况下，张力腿平台某一处关键位置的局部系泊失效将可能衍变为整体系泊失效。 然后，就浮体与立管间的张紧器强耦合动力响应问题，本文基于多体动力学提出了一套TLP平台浮体-TTR立管张紧器耦合动力模型，并给出了对应的数值模型构建方法。还对一种4油缸液压气动式张紧器（HPT）进行建模，并通过测试其垂向及侧向回复力进行了验证。另外，将详细的TTR立管堆叠模型应用于立管整体性能分析中，还提出了一种基于中央立管计算分析的立管阵列简化模型。通过该耦合动力模型在规则波及不规则波中的水动力计算，得出了不同的张紧器动力响应时间历程。研究表明，该类型多油缸张紧器在波浪等周期性载荷作用下不仅存在垂向动力响应，还会产生侧向动力响应。并且，不同位置油缸具有不同的响应时历。而不同参数的波浪激励下，浮体与立管之间的耦合运动表现也不同。 最后，围绕立管张紧器的局部失效响应问题，本文以建立的浮体-立管张紧器多体耦合动力模型为基础，提出张紧器局部失效数学模型及模拟方法。通过控制失效油缸的液压张力成分，对张紧器失效前后的响应时间历程进行模拟。在数值模型构建时考虑了健康立管与失效立管的共存问题，计算时还考虑了多种环境载荷条件的影响。分析结果给出了失效张紧器不同油缸的响应行为、平台和立管的整体形态变化。所得主要结论有：液压气动式张紧器局部失效过程可先后划分为健康阶段、瞬态阶段及稳态阶段。当油缸失效意外发生时，张力及冲程响应仍远离其设计极限，不会诱发后续的渐进性失效问题。提升液压气动式张紧器系统的可靠性以避免初始意外失效的发生是减少因张紧器局部失效而造成损失的关键。 收起