張力腿平台

第一代張力腿平台，即傳統類型的張力腿平台，應用時間長、分佈範圍廣、平台數量多、設計理論成熟，在張力腿平台發展的歷史中佔有很重要的地位。

從1984年至今，世界上建成投入生產的傳統類型張力腿平台共有11座，尚未發生過傾覆、沉沒等重大事故，擁有優良的工作記錄，由此堅定了業界對TLP這種新興海洋平台結構的信心。在其發展的20年時間裡，世界各國的研究者和工程技術人員積累了豐富的設計應用經驗和技術數據，為以後張力腿平台的發展打下了堅實的基礎。

在已建成的11座傳統類型的張力腿平台中，Shell石油公司在1994—2001年7年間連續建造的5座張力腿平台具有一定的代表性，分別為Auger、Mars、Ram、Ursa和Brutus。

通過第一代張力腿平台的生產實踐，進一步證明了張力腿平台在深海域半剛性半柔性的優良運動性能和經濟性，但是同時亦發現傳統的張力腿平台結構形式仍存在著一定的不足。

①在水深超過1200m的極深水水域，隨著張力筋腱長度的增加，出現了張力腿自重過大的問題，並且由於張力筋腱在深水中的受力情況發生改變，因此影響了平台的定位性能。

②在降低造價、改善受力情況和運動性能的方面，傳統類型張力腿平台的本體結構仍需要進一步改進。

③差頻載荷是一個緩慢變化的力，它將和同樣緩慢變化的張力腿平台平面內的運動發生共振。另外，風的激振力也在這個差頻範圍內，必然會加劇這種慢漂運動。

④波浪的高頻分量和高頻水動力會引起張力腿平台平面外的共振，通常稱為Springing和Ringing。張力腿平台結構這兩個問題隨著水深的增加而加劇，對結構的安全性有很大的影響。

⑤傳統的張力腿平台是通過海底基礎固定入位的，隨著水深的增加，海底基礎的設計、施工變得十分複雜。

因此，張力腿平台所具有的經濟、安全和良好的動力特性在更深水域中均不能得到充分的發揮，傳統類型的張力腿平台結構已經不能很好地適應更深的水域。各國學者對張力腿平台結構形式的不斷改進完善非常重視，因此，混合式張力腿平台及懸式張力腿平台等新型的張力腿平台便應運而生

工作原理及性能張力腿平台設計最主要的思想是使平台半順應半剛性。它通過自身的結構形式，產生遠大於結構自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩餘部分就稱為剩餘浮力，這部分剩餘浮力與預張力平衡。預張力作用在張力腿平台的垂直張力腿系統上，使張力腿時刻處於受張拉的繃緊狀態。較大的張力腿預張力使平台平面外的運動（橫搖、縱搖和垂盪）較小，近似於剛性。張力腿將平台和海底固接在一起，為生產提供一個相對平穩安全的工作環境。另一方面，張力腿平台本體主要是直立浮筒結構，一般浮筒所受波浪力的水平方向分力較垂直方向分力大，因而通過張力腿在平面內的柔性，實現平台平面內的運動（縱盪、橫盪和首搖），即為順應式。這樣，較大的環境載荷能夠通過慣性力來平衡，而不需要通過結構內力來平衡。張力腿平台這樣的結構形式使得結構具有良好的運動性能。張力腿平台的張力腿系統在初始位置是直立的，平台的縱盪運動將不引起縱搖，但一般會和平台的垂向運動相耦合，即縱盪引起垂盪。在運動過程中沒有一個張力腿鬆弛，它們始終保持等長度平行狀態。如果有任意一個張力腿未校準，則會破壞這種理想的平衡性質。因此在張力腿平台的設計中，張腿錨固位置容許的偏差量很重要。同時，設想使用非平行的張力腿，這樣的張力腿雖然亦可將平台固定於某一空間位置，但不平行的張力腿必然會在空間相交於一點，這一點將是平台橫盪引起首搖的旋轉中心。張力腿平台在張力腿系泊系統張力變化和平台本體浮力變化控制下，平台平面內的運動固有頻率低于波浪頻率，而平面外的運動固有頻率高于波浪頻率。一座典型的張力腿平台，其垂盪運動的固有周期為2～4s，而縱橫盪運動的固有周期為100～200s；橫搖、縱搖運動固有周期均低於4s，而首搖的運動固有周期則高於40s。整個結構的頻率跨越在海浪的一階頻率譜兩端，從而避免了結構和海浪能量集中的頻率發生共振，使平台結構受力合理，動力性能良好。迄今為止，張力腿平台有著良好的安全記錄，這與結構設計上的成功是密不可分的

分類目前世界上在建和在役的張力腿平台共有21座，這些張力腿平台的基本工作原理一致，但是結構形式以及應用方式卻各不相同，為了清楚地區分它們，以下從三個方面對這21座張力腿平台進行分類，在以後的文章中將從每類中選出數個平台做詳盡的介紹。1、按照總體結構分類可以分為兩個大類，即第一代張力腿平台和第二代張力腿平台；2、按照採油樹位置不同分類可以劃分為濕樹平台和干樹平台兩大類。3、按照功能和應用方式分類可以分為大載荷張力腿平台、迷你型張力腿平台、井口張力腿平台三大類；按照總體結構從1984年至今的20年時間裡，對張力腿平台結構形式的優化一直是人們關注的熱點問題。為了進一步降低張力腿平台的成本，提高其適應性、穩定性和安全性，全世界的研究機構和石油公司不斷提出新形式的張力腿平台，並將其投入實際生產領域進行檢驗，從而形成了多種多樣的張力腿平台家族。根據張力腿平台結構形式進化的階段，大致可將它們分為兩個大類，即第一代張力腿平台和第二代張力腿平台。第一代張力腿平台是最早出現的張力腿平台，也是當今世界上數量最多的張力腿平台，目前在役和在建的平台共12座，佔世界張力腿平台總數的一半以上，而且仍在不斷發展壯大。第一代張力腿平台的總體結構形式已經在前面介紹過了，在此不再贅述。為了將它與此後發展起來的其他結構形式的張力腿平台相區別，又將其稱為傳統類型的張力腿平台。自1984年以來，傳統類型的張力腿平台在生產實踐中不斷發展，其理論研究和工程應用已經趨於成熟。20世紀80年代Hutton和Jolliet平台的生產應用，為傳統張力腿平台提供了豐富的數據積累和優良的工作記錄。進入90年代以來，傳統類型的張力腿平台繼續飛速發展，SnorreTLP和HeidrunTLP分別於1992年和1995年相繼建成，使北海的張力腿平台數量達到了3座；從1994年到2001年，Shell石油公司又在墨西哥灣連續製造了5座傳統類型的張力腿平台，分別是AugerTLP、MarsTLP、Ram僤漀眀攀氀氀吀LP、UrsaTLP和BrutusTLP；1999年，BP也建成了該公司的第一座張力腿平台MalinTLP；2003年，Unocal公司在印度尼西亞的加里曼丹島以東海域建成了WestSenoTLP，從而首次將張力腿平台引入到亞洲海域。這些張力腿平台保持著張力腿平台工作性能的多項世界紀錄，其中，HeidrunTLP的排水量達到290310t，是世界現役的張力腿平台中噸位最大的一座；SnorreTLP日產石油190000桶（1桶=158.9873dm3）、天然氣3.2×10^6 m3，保持張力腿平台生產能力的世界紀錄；而UrsaTLP的工作水深則突破了千米大關，至2004年仍保持著張力腿平台工作水深的世界紀錄。屬於第一代張力腿平台的有Hutton、Jolliet、Snorre A、Auger、Heidrun、Mars、Ram、Powell、Ursa、Marlin、Brutus、WestSeno A和WestSeno B。第二代張力腿平台出現於20世紀90年代初期，它是在第一代張力腿平台的基礎上發展起來的。第二代張力腿平台在繼承傳統類型張力腿平台優良運動性能和良好經濟效益的同時，對結構形式進行了優化改進，使張力腿平台更適合於深海環境，並且降低了建造成本。世界海洋工程界發展第二代張力腿平台的積極性很高，各大公司紛紛提出了種類繁多的平台設計方案。總的來說，目前投入生產實踐的第二代張力腿平台共分為三大系列，分別是由Atlantia公司設計的SeaStar系列張力腿平台、由MODEC公司設計的MOSES系列張力腿平台以及由ABB公司設計的延伸式張力腿平台（簡稱ETLP）。關於這些第二代張力腿平台的結構形式和特點，將在以後的章節中詳細介紹。屬於第二代張力腿平台的有：SeaStar、TLP、MOSES TLP、ETLP、Morpeth、Allegheny、Typhoon、Matterhorn、Prince、MarcoPolo、KizombaA、KizombaB和Magnolia。另外，除了以上這些已投入實際生產應用的張力腿平台以外，在過去的20年裡，全世界的研究者和工程技術人員還提出了不少很有價值的設計方案，並且圍繞這些方案進行了廣泛而深入的研究和實驗。雖然由於種種原因，這些平台設計方案至今仍未進入生產領域，但是了解它們，對於開拓人們的思路，更好地進行下一步的研究是大有裨益的。所以，後面的文章里有選擇性地介紹了兩種新型的張力腿平台，以期對讀者能起到啟迪作用。按照採油樹位置按照採油樹安裝位置的不同，當今世界上的張力腿平台可以劃分為濕樹平台和干樹平台兩大類。濕樹平台（wettreesplatform）的採油樹位於海底，平台上安裝有獨立的全套生產處理設施以支持一定數量的海底油井。海底油井通過柔性輸油管和鋼製懸鏈線立管（簡稱SCR）與平台上生產設施相連，平台上的全部生產活動都要通過這些管線來進行。其優點是採油樹位於海底，減少了平台上體的負載，不需要建造體積龐大的平台主體，因而降低了平台的總體造價，由於不安裝垂直的張緊式立管，因此不需要考慮平台吃水變化對生產立管的影響，從而簡化了平台的設計。濕樹平台非常適用於分佈面廣、出油點分散的油田。它以柔性輸油管和SCR組成分佈廣泛的海底管線系統，再以濕樹平台作為管匯中心，便可以控制較廣的區域。另外，濕樹平台的生產儲備能力具有很大的彈性，新增的設備和海底油井容易加裝到現有的生產系統中，對油田的遠期開發比較方便。已建成的有Hutton、Jolliet 、Snorre A、Auger、Heidrun、Mars、Ram/Powell、Ursa、Marlin、Brutus 、Prince、Kizomba A、Matterhorn、WestSeno A、MarcoPolo、Magnolia、Kizomba B和WestSeno B。干樹平台（drytreesplatform）的採油樹則位於平台之上，由垂直生產立管直接連接到位於平台井口甲板的採油樹上。張力腿平台優良的運動性能，使其在安裝干樹系統方面具有很大的優勢。因為平台與生產立管之間的相對運動量較小，因此可以採用結構簡單、造價低廉的立管張緊裝置。干樹平台的生產活動主要通過頂張緊立管來進行。其優點是海底油井和表面干樹直接通過生產立管垂直連接，可在平台上體安裝鑽塔，使張力腿平台自行實現鑽井、完井功能，避免了遠期油田開發中需要調用其他鑽井設施而使平台生產中斷的問題。另外，由於採油樹位於平台之上，因此維修方便，易於管理，還省去了將海底採油樹回接到平台上體的硬體費用。已建成的有Morpeth、Allegheny 和Typhoon。需要指出的是，世界上現有的張力腿平台大多是所處海域的中心平台，有的張力腿平台除了在平台上體安裝有干樹系統，能夠自行進行探采和控井工作之外，同時還通過柔性輸油管和SCR與附近油田的海底採油系統或其他衛星平台相連，作為其石油處理和輸出的中心。在此情況下，這些張力腿平台自身就結合了干樹和濕樹兩種系統。因此，在對各張力腿平台進行分類時所依據的標準是看該平台是否擁有支持干樹系統的能力。按照功能和應用方式目前張力腿平台的功能和應用方式非常靈活，如果以此為標準進行分類，可將世界上21座張力腿平台劃分為大載荷張力腿平台、迷你型張力腿平台、井口張力腿平台三大類。大載荷張力腿平台（largedeckloadTLP）是這三種張力腿平台中歷史最悠久的一種類型，它是一種體積巨大、造價昂貴的張力腿平台形式，能夠支持一套高生產能力的原油處理設施。目前全世界共有9座大載荷張力腿平台，其中3座位於北海油田，6座位於墨西哥灣。因為張力腿的預張力很好地限制8了平台的垂盪運動，因此控井設施可以安裝在這種平台的上體，以便於設備的維護和修理工作。在歷史上，這種生產系統之所以得到業界的青睞，主要原因就在於它能夠安裝干樹採油系統。但是，由於其高昂的造價和對極深水環境的不適應性，人們現在已經逐漸失去了對建造大載荷張力腿平台的興趣。當工作水深超過1200m 時，張力筋腱自重過大是大載荷張力腿平台最主要的問題。屬於大載荷張力腿平台的是：Hutton、Snorre A、Auger 、Heidrun、Mars、Ram/Powell、Ursa、Marlin和Brutus。迷你型張力腿平台（Mini-TLP）並不是一種簡單縮小化的傳統類型張力腿平台，它通過對平台上體、立柱以及張力腿系統進行結構上的改進，從而達到優化各項參數，以更小噸位獲得更大有效載荷的目標。迷你型張力腿平台相對於同等規模的傳統類型張力腿平台，具有體積小、造價低、靈活性好、受環境載荷小等優點，非常適合於開發中小油田。而且與大載荷張力腿平台不同，迷你型張力腿平台能夠在極深水環境中穩定地工作，這也是它之所以能夠逐漸取代大載荷張力腿平台，佔據當今張力腿平台建造主流的最重要的原因。屬於迷你型張力腿平台的有：Morpeth、Allegheny、Typhoon、Prince、Matterhorn、Marco Polo和Magnolia井口張力腿平台（Tension Leg Wellhead Platform，簡稱TLWP）是一種經濟型的張力腿平台。與前兩種張力腿平台不同，井口張力腿不能獨立進行生產工作，在它的平台上體只安裝有控井設施，而其他的石油生產和處理設施都安裝在一艘位於平台附近的輔助生產設施上，如FPSO（浮式生產儲油裝置）等。TLP和FPSO之間通過管線相接，共同形成一套完整的海上油田開發系統。這種組合充分發揮了張力腿平台本體與生產立管系統之間相對運動量小、運動性能優良的優點，加之FPSO運動靈活、裝載量 大、造價相對較低的長處，因此由張力腿平台承擔鑽探和井口操作的各項功能，而原油處理、儲藏和運輸等工作由FPSO完成。這一系統經過實踐檢驗，已被證明是一種有效且經濟的海上油氣開發方式，十分適合在沒有或是缺少海底管線系統和永久性基地，且需要進行鑽探、完井和油井維護工作的油田區域使用。屬於井口張力腿平台的有：Jolliet、Kizomba A、West Seno A、Kizomba B和West Seno B。