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张力腿平台的历史、现状和明天
作者：魏徵
一、产生的背景
随着全球人口的增加与当今科学技术的发展，人类生存空间逐步向海洋与空中拓展。海洋蕴藏着丰富的可供人类从事生产、生活的资源，包括石油资源、动力资源、矿产资源、化工资源、生物资源等，海洋是人类开发的主要领域。目前，全球对海洋的开发利用已经进入日趋完善和成熟的阶段。根据统计，21世纪将是一个海洋开发利用空前迅猛发展的时期，这种开发也将是全方位的，从现在人类需求来看，海洋开发利用主要集中在以下几方面：
①海底石油资源的开发利用；
②海底矿物资源的开发利用；
③海水及其所含物质资源的开发利用；
④海洋作为交通、通信通道的利用；
⑤海洋能源（包括波能、潮汐能、温差能等）的开发利用；
⑥海洋空间的开发利用。
无论以什么形式对海洋开发利用，都必须以海洋工程设施为桥梁。近20年来，随着全球对能源需求量的不断增加，各国对海洋油气的勘探和生产更加重视，从而涌现出大量新型的开采设备及其科学的结构形式和先进的检测维修方法。
世界上第一座近海石油平台于1947年建在墨西哥Couissana海域，平台高出水平面6米。从此以后，各类海上建筑物陆续出现。海洋工程设施因开发的内容不同其形式也有很大的不同，而对应每一项开发因完成的功能不同其所用的工程设施也有很多不同的形式。仅就石油开发而言，就拥有百余种海上工程设施。目前世界海洋石油平台约有2000座。海洋石油平台按所用建筑材料可分为钢结构石油平台、混凝土石油平台和钢结构混凝土混合平台，其中大多数海洋石油平台是钢结构形式。钢结构石油平台由钢套管作为油气生产过程中的主要支撑结构。按平台结构形式又大致分为钢套管平台、重力式平台、顺应式平台。海洋工程中选择什么样的平台结构形式主要考虑平台所处的海洋环境，包括风、流、浪等载荷，水深，海底地质条件以及平台的安装和组建方法等。
随着海洋开发愈来愈向深海推进，油气资源的开发也不断进军深海。一般深海海域中自然环境十分恶劣，环境载荷比较复杂，对海洋工程设施的理论
分析、设计安装等的要求就更加严格和精确。21世纪初，海上油气开发可望达到水深为2500m以上的所谓极深水海域。据2000年的统计，在当时世界上近2000座海洋石油平台中，只有65座可以在750m 以上深水区作业的半潜式平台和钻井船，其中仅25座能有效地工作在1000m以上的深水区。可以说，随着深海开发形势的发展，适应深海作业的海洋工程建筑面临着非常严峻的挑战。
由于深水作业的不断增加，各种传统的移动式平台（如半潜式平台和钻井船等），其运动性能和定位难以满足深水作业的要求，而各类固定式平台（如重力式平台和导管架平台等），因自重和工程造价随水深变化而大幅度地增加，也已不能适应深海环境，所以必须发展新型的平台。从20世纪50年代以来，一些国家不断进行这方面的研究探索，并设计出顺应式平台（compliant platform）。在近20年，顺应式平台已得到广泛的发展和应用。其显著特点是具有特殊的结构形式，从而使工程造价较低，结构安全性良好。张力腿平台（tension leg platform，简称为TLP）就是顺应式平台结构的典型。
二、诞生与发展
1954年，美国的R.O.Marsh率先提出了采用倾斜系泊索群固定的海洋平台方案，被公认为张力腿平台的鼻祖，之后30年是张力腿平台的理论研究探索和工程酝酿阶段，各国学者对张力腿平台进行了艰难而又富有成效的研究，并有一批实验平台相继建成。
1962年，英国石油开发公司在苏格兰附近海域30m 水深处建造了一个124t的三角形张力腿平台试验平台“Triton”，并进行了全面理论分析和实验研究。结果表明，该类型平台在波浪中运动性能优异，大大推进了张力腿平台相关研究和发展。
1974年，美国深海石油技术公司在加利福尼亚附近海域60m水深处安装了一座650t的张力腿试验平台“DeepOilX-1”，并进行了长达5年的试验研究和理论分析对比，在波浪中运动性能、张力腿内张力变化规律和海底锚固基础等方面得出了大量有益结论和数据。同一时期，日本、挪威、荷兰、意大利等国的相关海洋工程科研机构也投入了大量人力、物力进行理论和实验研究，提出了种类繁多的张力腿平台方案。其后，在张力腿平台总体性能、主尺度优化、张力腿内张力变化特性和施工安装等各个具体环节进行了全面深入的研究分析。我国相关科研机构亦密切注视张力腿平台技术的发展。20世纪 80年代，中国船舶研究中心进行了将近10年的张力腿平台模型实验研究，为发展我国的张力腿平台技术做出了开拓性工作。
1984年，Conoco公司在北海157m深的Hutton油田安装了世界上第一座张力腿平台，这标志着张力腿平台技术的完全成熟与工程技术化，并正式应用于实际生产领域。此后，在逐步深入的理论实验研究基础上，1989年建成了Jolliet平台，1992年建成了Snorre平台，1994年建成了Auger平台，1995年安装了世界上第一座混凝土张力腿平台，1998年建成了第一座Sea Stars TLP，1999年的Ursa TLP将水深记录改写为1158m，2001年建成了第一座MOSES TLP， 2003年又安装了第一座 ETLP。张力腿平台的家族在短短的20年内飞速发展，将人类开发海洋的脚步不断向前推进。目前世界上在役和在建的张力腿平台共有21座，平台的生产区域从北海和墨西哥湾到西非沿海，再到东南亚海域，已逐步扩展到全球各大海上石油产区，形成了人类深海采油领域不容小视的力量。
三、理论前沿
通过对已建的张力腿平台的设计研究、投入生产以及后期的实验监测，全世界的研究者们已经掌握了大量有关张力腿平台的工作性能和技术核心的资料，特别是围绕Hutton张力腿平台的设计、安装、投产等方面的研究更是取得了突破性的进展。如K.P. Caveny提出了张力腿平台设计中关于重量与浮力关系的一个基本公式，即：自重+套管张力+张力腿预张力=浮力。Norman Ellis等对Hutton TLP的甲板以及平台本体进行了较为详细的结构设计，并利用有限元方法进行了整体的静力、动力分析和局部结构（包括立柱、浮箱以及连接节点）的研究。另外，对甲板与柱体以及立柱与浮箱（采用矩形截面）之间的安装匹配也进行了研究。Jeff Tetlow等对其锚链系统以及张力腿的部件进行了详细的分析研究。John Allen Mercier等研究了张力腿平台受风、浪、流作用下的响应，并与实验进行了比较，指出张力腿平台的二阶响应不容忽视。Skil beck，G.H. Wilton，B.C. Richardson等对张力腿平台立柱与系索、系索与基础以及甲板与立柱之间的连接进行了理论和实验的研究；Tan S.Gie利用线性的三维流势理论分析了TLP在不规则海域内的动力响应；E.Richard Jeffery指出如果忽略系索的动力效应，虽然对正确估计平台的波浪诱导运动不会产生大的影响，但是会导致系索的动应力计算错误；W.C.deBoom计算了规则波作用下系泊力的二阶的谐和分量，并进行了不规则波中张力腿平台的低频运动与系泊力联合作用下的时域分析；C.Petrauskas通过理论计算和实验验证，指出了Springing力的存在，Springing力即周期为波浪周期一半的二阶力，并且由于水动力阻尼很小，其作用不容忽视，等等。
另外，在工程设计方面，H.Bradshaw研究设计了HuttonTLP的基础，包括底盘、桩的设计、结构分析、桩与底盘的连接以及建造安装等。T.E.McDonell提出了甲板的优化，包括甲板的设计、陆地建造以及安装等问题。M.M. Salama，H.J.Hart，H.Bradshaw，G.J.White研究了HuttonTLP具体建造安装，包括地点的选择，井口底盘、基础，张力腿的安装，临时锚链系统各部分的匹配等问题。这些研究成果具有重要的学术和工程价值，是后续研究的基础。
综上所述，关于张力腿平台的研究内容一般集中于以下几个方面：
①结构优化设计；
②结构动力分析；
③结构的施工与安装方法；
④整体平台的系统管理（包括结构的现场监测）。
其中，平台结构的动力分析研究是整个张力腿平台设计的核心部分，它决定了最终结构的设计方案，以及结构的构造和施工、安装的方法。有关张力腿平台动力分析研究的历史，将在以后的文章中讲述。
长期的生产实践证明，张力腿平台在深海作业中具有运动性能好、抗恶劣环境作用能力强、造价相对于固定式平台较低等优点。因此张力腿平台作为优秀的深海平台，自其诞生之日起一直蓬勃发展，是今后一段时期内深水石油平台的主要形式之一。
四、结语
我国是一个海洋大国，有着近500万km2的海域，周边深水海域中蕴藏着丰富的油气资源和其他矿产资源。因此关注张力腿平台的发展并开展相应的研究工作，对我国未来深海资源开发有着十分重要的意义。 |
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发表于 2010-12-3 14:51
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