Публикации
Расчёт морской плавучей платформы
ВВЕДЕНИЕ
Морские плавучие платформы – это комплексные инженерные системы, сложные в разработке в плане требований безопасности, надёжности и долговечности. Среди прочих областей применения, плавучие платформы используются для добычи нефти и газа из морских месторождений, т.е. в промышленности мирового масштаба с многомиллиардным доходом. Платформы в течение длительного периода времени находятся под воздействием суровых морских условий, начиная с больших волн и заканчивая сильным ураганным ветром. Обеспечение безопасности человека, находящегося на платформе, и сохранности самой платформы имеет первостепенное значение для разработчика.
Беспрецедентное экономическое давление и рост международной конкуренции заставляют фармацевтические компании постоянно искать способы получения конкурентного преимущества на рынке...
Как правило, оптимизации кораблей проводятся в расчётных режимах (например, чтобы получить оптимальные эксплуатационные качества при расчётной осадке и скорости);
Рис.1 – Платформы типа spar от Technip
На сегодняшний день компания Technip является мировым лидером в области управления проектами, проектирования и строительства объектов для энергетической отрасли. Компания является лидером по производству морских плавающих платформ и постоянно внедряет новшества в разработку и строительство этих сложных систем за счёт использования современных инструментов инженерного проектирования, таких как численное моделирование. Внедрение численного моделирования в цикл (спираль) разработки компании позволило быстро и экономически выгодно разработать эффективную конструкцию морской плавучей платформы.
СЛОЖНОСТИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПЛАВУЧИХ ПЛАТФОРМ
Technip занимается разработкой платформ типа Spar. Эти платформы работают на глубине от 590 до 2382 метров и используют как изолированную, так и не изолированную от воды фонтанную арматуру. Spar – это единственная по своей сути устойчивая платформа с центром плавучести выше центра тяжести, что обеспечивает устойчивость. Существует три вида платформ типа spar – классический spar, spar с ферменным лонжероном и spar с ячеистым лонжероном (см. Рисунок 1). Платформы типа spar обычно пришвартовываются с помощью системы швартовки с натянутыми или и полу-натянутыми якорными растяжками и райзерами (подъемными трубопроводами или водоотделительными колоннами?) для обеспечения циркуляции жидкого потока морских вод к платформе. Классический spar имеет корпус цилиндрической формы, ферменный spar имеет цилиндры в верхней части и ферму в нижней части для минимизации вертикальной качки, а ячеистый спар состоит из нескольких вертикальных цилиндров. В настоящее время Technip расширяет своё портфолио и разрабатывает другие виды платформ, например, платформы с натяжными вертикальными якорными креплениями и полупогружные платформы.
К сложностям разработки морских платформ типа spar относятся:
-
Необходимость точно знать нагрузки со стороны окружающей среды на платформу.
-
Оценка динамики движения и динамических нагрузок на конструкцию от сильного ветра, от течения и нелинейных/случайных волн.
ЦИКЛ РАЗРАБОТКИ В TECHNIP
Обычный цикл разработки в Technip начинается с определения размеров корпуса, удовлетворяющих рабочим, установочным и перевозным условиям. Затем проводится анализ общей производительности платформы в экстремальных условиях эксплуатации. Общая характеристика платформы связана с движением платформы в воде, и её анализ обычно выполняется с помощью полуэмпирических решателей, которые аналитически объединяют гравитационные и инерционные силы и эмпирически учитывают силы, возникающие вследствие вращения и вязкости. Для калибровки инструментов анализа общей производительности проводятся испытания масштабной модели, хотя обычно такие испытания правильно моделируют только гравитационные и инерционные силы (Число Фруда), а не силы вязкости (Число Рейнольдса). Если полученные результаты не соответствуют требованиям производительности, весь анализ и испытания новой модели проводятся заново до тех пор, пока не будут выполняться конечные критерии производительности. Даже многочисленные модельные испытания не могут дать полной уверенности в реальном поведении модели. Кроме того, испытания модели не могут дать однозначного ответа на вопросы относительно ударного воздействия волн на конструкцию, резонанс конструкции при волновой нагрузке, «заплеск» волны на колонны и заливание палубы. Обращаем также внимание на то, что многие из подобных вопросов связаны с границей воздух-вода (свободная поверхность).
Рисунок 2 – Цикл разработки в Technip без CFD (слева) и с использованием CFD (справа)
-
Меньшая неопределённость
-
Меньший период разработки
-
Большая степень оптимизации
В обычном цикле разработки в Technip используется полуэмпирический инструмент собственной разработки MLTSIM для расчёта корпуса, позволяющий получить гидродинамические коэффициенты. Инструмент FMOOR используется для моделирования швартовки платформы, а также для квазистатического анализа. Наконец, для калибровки эмпирических инструментов проводятся испытания модели. Недавно в цикл разработки компании были включены средства CFD, позволяющие дополнить цикл разработки и модельные испытания, избавить от неуверенности в результатах испытаний модели до их практической апробации и расширить результаты моделирования после их практического внедрения. Однако, из-за высокой стоимости средств CFD, полуэмпирические инструменты, используемые для корреляции данных более 20 лет, будут продолжать играть главную роль в процессе разработки. Применение CFD будет расти для тех случаев, когда физические испытания не могут дать точных результатов или невозможны.
STAR-CCM+ КАК ВИРТУАЛЬНЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ БАССЕЙН
Для проведения численного моделирования Technip использовала программный продукт от компании CD-adapco – STAR-CCM+, современный, расчётный пакет, хорошо подходящий для различных областей применения в нефтегазовой промышленности. Главные особенности, отличающие STAR-CCM+ от других инструментов численного моделирования – точное описание свободной поверхности жидкости в задачах разрушения волны и удара волной, движущиеся модели, включая модель динамического взаимодействия жидкости и твёрдого тела (Dynamic Fluid-Body Interaction – DFBI, перекрывающиеся сетки, мощный пре/пост процессоры.
Ограничивающими факторами для использования CFD-средств в инженерном моделировании являются вычислительные затраты, которые определяются аппаратными ресурсами и расчётным временем. Собственные аппаратные ресурсы Technip включают вычислительный кластер (144 ядра), который позволяет смоделировать от 30 секунд до 1 минуты движения платформы менее чем за день. В вычислительном центре Техаса (TACC) имеются дополнительные вычислительные ресурсы: более 10 тысяч ядер, что составляет 10% от общего количества ядер кластера Stampede. Эти ресурсы доступны через партнёрскую программу TACC (STAR). Доступ к TACC позволяет выполнять несколько решений для 3-часового движения платформы приблизительно за день. 3 часа – это средняя продолжительность времени прохождения шторма в заданном месте.
Обычно для гидродинамического расчёта морской платформы требуется сетка высокого разрешения, определяющая свободную поверхность. Это особенно важно при моделировании экстремальных условий окружающей среды с сильной нелинейностью волн, на которое тратится много времени и вычислительных ресурсов. В методологии моделирования существуют и другие пробелы, препятствующие разработке модели. Компания Technip попыталась восполнить все технологические пробелы в существующей у нее методологии моделирования и внедрить в свой цикл разработки эффективный инструмент с полностью интегрированной CFD- методологией.
Методика VOF (Volume of Fluid – VOF), используемая в STAR-CCM+ имеет множество волновых моделей для различных сценариев, которые хорошо моделируют свободную поверхность. В случае с морской платформой, «Модель волны Стокса 5-го порядка» (5th order Stokes Wave model) хорошо подходит для условий глубокой воды, что актуально для большинства плавающих платформ типа spar. Однако такая модель 5-го порядка не подходит для расчёта высоких волн на мелководье; для таких случаев компания разработала нелинейную волновую модель для мелководья. Кроме того, при моделировании Spar-платформы требуется очень большая расчетная область для демпфирования волн в направлении от платформы. STAR-CCM+ имеет возможность демпфирования волн только в направлении их движения. Чтобы минимизировать вычислительные затраты вследствие очень большой расчётной области, Technip разработал специальный метод наложения Эйлера (Euler-Overlay method – EOM), где Эйлерово решение используется для расчёта удаленной от конструкции платформы области, а уравнение Навье-Стокса, осреднённое по Рейнольдсу (Reynold Averaged Navier Stokes - RANS) с DFBI - в близкой окрестности конструкции. Метод наложения, основанный на законах сохранения (?), используется на пересечении областей RANS и Эйлера и аккуратно объединяет эти два решения. Этот метод значительно уменьшает размер расчётной области, тем самым сокращая время расчёта и вычислительные ресурсы, а также избавляет от необходимости решать уравнения RANS для более широкой области.
Рисунок 3 – Решение методом EOM: решение Эйлера (красный цвет), Навье-Стокса (голубой цвет) и область наложения двух решений (зелёный цвет)
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА EOM
Technip успешно использует метод Эйлерова наложения со STAR-CCM+ для расчёта предельных нагрузок на различные конфигурации конструкций. Прежде чем принять решение об использовании того или иного метода, Technip сначала проводит тщательное сравнение полученных результатов с экспериментальными данными. Для валидации метода EOM было смоделировано воздействие длинногребневой волны на вертикальный столб. CFD-область такого трёхмерного расчёта составляла 2 метра, область с решением Эйлера – 105 метров, как показано на рис.4. Значения импульсов, действующих на столб, полученных методом EOM, соответствуют данным физических испытаний, что свидетельствует об эффективности выбранного метода (см. Рис.4).
Рисунок 4 – Профиль длинногребневой волны вокруг вертикальной колонны
Благодаря превосходным результатам этот метод был введён в цикл разработки компании. Ниже приведены примеры использования метода EOM для различных проектов:
-
Вибрационный анализ морской платформы Spar с гравитационным фундаментом (Gravity-Based Spar – GBS): Вибрации – это явление, которое испытывают платформы с натяжными креплениями и стальные гравитационные платформы, когда эти конструкции создают значительные ответные амплитудные отклики на резонансной частоте и высшие гармоники, потенциально приводящие к усталостному разрушению в течение срока эксплуатации. Для анализа вибраций новой гравитационной платформы под воздействием коротко-гребневой волны применялся метод ЕОМ. На рисунке 5 показаны усечённая шестигранная сетка вокруг GBS, профиль свободной поверхности и профиль давления. С помощью метода EOM для волны в течение 15 секунд было получено решение 2-го порядка с минимальным периодом захвата данных 7.5 секунд методом EOM. Физические испытания модели GBS были трудно осуществимыми из-за нерегулярности волн, ограничивающих силу, вызывающую нагрузку на платформу. CFD анализ методом EOM позволил провести полноценное исследование этой GBS при высоких нагрузках. Сравнение результатов статической и динамической нагрузки от волн приведено на рисунке 7. Численные расчёты показали увеличение динамической волновой нагрузки на конструкцию вследствие резонанса.
Рисунок 5 – Сравнение результатов расчёта момента колонны с модельными испытаниями
Рисунок 6 – Усечённая сетка вокруг морской гравитационной платформы (слева) и профиль волны вокруг морской гравитационной платформы (справа)
Рисунок 7 – Сравнение статического (черная кривая) и динамического (красная кривая) опрокидывающего момента морской гравитационной платформы
-
Анализ воздушного просвета и вибрации платформ с натяжным якорным креплением (TLP – Tensioned Leg Platform): Чрезвычайно важно учитывать воздушные просветы под палубой морской платформы, т.к. от них зависит воздействие волн на нижнюю часть конструкции. Technip использовала метод EOM для исследования воздушного просвета и вибрации TLP. Модель натяжных якорных креплений была построена в STAR-CCM+. Напряжение в креплениях возникает вследствие вибрации конструкции. Поле давлений креплений с подветренной и наветренной сторон показано на рис.8. Результаты численных расчётов хорошо согласуются с результатами физических испытаний. Напряжение в креплениях с подветренной стороны связано с частотой волн, а напряжение с наветренной стороны - с частотой собственных колебаний TLP при вертикальной и килевой качке. Результаты CFD-расчёта воздушного просвета и волнового воздействия хорошо согласуются с модельными испытаниями.
Рисунок 8 – Профиль давления платформы с растянутыми опорами при подъёме волны
-
Расчёт движения полупогружной платформы: Моделирование движения полупогружной платформы также выполнялось с помощью метода ЕОМ. Для расчёта использовались численные модели движения системы швартовки и подъемных трубопроводов. С помощью модельных испытаний были получены данные по передаточной функции (Response Amplitude Operator – RAO) вертикальной качки, получаемой статистически для определения поведения и ответной реакции платформы в условиях волн. Численный расчёт методом EOM дал превосходные результаты RAO вертикальной качки полупогружной платформы.
Рисунок 9 – Давление на полупогружную платформу при подъёме волны (верхний рисунок); Сравнение CFD-результатов RAO вертикальной качки и моделирование волн с равномерным спектром (нижний рисунок)
-
Оптимизация формы полупогружной платформы с изолированной фонтанной арматурой: Нефтегазовая промышленность прилагает огромные усилия на поиск наиболее эффективного решения для полупогружной платформы с изолированной фонтанной арматурой в суровых глубоководных условиях. Главный аспект при такой разработке – минимизировать движение по вертикали, которое может привести к разрушению верхней части (верхних строений) платформы и системы райзеров (подъемных трубопроводов). Компания Technip разработала новые формы корпуса. CFD-расчёты на основе метода EOM позволили создать оптимальную конструкцию полупогружной платформы с изолированной фонтанной арматурой в условиях вертикальной качки.
Рисунок 10 – CFD-расчёт: Передаточная функция вертикальной качки для различных форм полупогружной платформы с изолированной фонтанной арматурой
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенные выше примеры свидетельствуют о том, что численное моделирование является эффективным способом замены физических испытаний, позволяющим на ранних этапах проектирования найти наиболее рациональную форму конструкции морской плавучей платформы. Численное моделирование сокращает время и стоимость физических испытаний, а также общее время разработки продукта. Средства CFD также могут использоваться после проведения физических испытаний для расширения вариативности разработанной конфигурации. Кроме того, численное моделирование позволяет получить больше информации о протекающих физических процессах по-сравнению с испытаниями. Экономичность такого метода, например, видна из общих вычислительных затрат на выполнение расчётов на 640 ядрах 5-минутного движения платформы TLP и движения в течение часа полупогружной платформы. На расчёты было затрачено 8 и 2, соответственно. Такие затраты составляют незначительную часть от общих проектных затрат. Потенциальная экономия времени и вычислительных ресурсов может доходить до миллионов долларов. Отдача от инвестиций в численное моделирование при проектировании морских платформ чрезвычайно высока. Technip и в дальнейшем планирует широкое использование усовершенствованное численное моделирование волн и системы швартовки/райзера (подъемных трубопроводов) в цикле разработки морских платформ. Эйлеров метод наложения (Euler Overlay Method), используемый в STAR-CCM+, доказал, что является весьма полезным инструментом моделирования, обеспечивающим эффективность и экономичность процесса разработки.
