等效水深截断系统优化设计研究

世界范围内海洋油气开采正在向500～3000m的深海进军．然而,对深海全水深系统进行模型试验相当困难：目前世界上没有一家水池有足够的空间可以在常规缩尺比下容纳一个工作在1000～3000m之间的完整的顺应式系泊浮式生产系统．面对该挑战,目前看起来最可行的就是所谓的混合模型试验技术．应用该技术的首要工作就是设计等效水深截断系统．我们研究了深海平台混合模型试验方法的优化设计问题．研究过程中,主要考虑了截断水深和全水深系统的静力特性相似．将截断水深和全水深系统静力特性相似程度的数值作为目标函数建立了等效水深截断系统优化设计数学模型．通过选择适当的设计准则,可减少截断水深和全水深系统之间的动力特性差异．为计算系泊系统的静力特性,采用四阶龙格一库塔法来求解单根锚泊线的静力平衡方程．当单根锚泊线的静力特性计算出来后,总系泊系统的静力特性可以用拉格朗日插值方法计算出来．建立了锚泊线材质数据库,以锚泊线材质名和直径作为关键字．选用经过改进的混合离散变量模拟退火法和离散复合形法来进行优化计算．采用C＋＋语言基于面向对象方法开发了计算机程序．具体优化计算时,先分别用两种优化法计算出相应的结果,然后选取较好的一个作为最终结果．为考察开发出的计算机程序,文中以一个工作水深为320m的10万吨内转塔式系泊FPSO为例进行了等效水深截断系统优化设计计算,截断水深选为160m,并选取几个典型工况对截断系统和全水深系统都进行了缩尺比为λ=80的模型试验,比较两者的试验结果发现,该文的截断系统设计是成功的．作者将结合一个具体实例对以前发表的关于深海平台混合模型试验方法的论文进行总结．     

深水半潜式平台模型试验与数值分析

以一座工作水深为1.5 km的深海半潜式钻井平台及其锚泊系统为例,对其在280 m等效截断水深锚泊系统系泊下的6自由度运动和锚链受力进行模型试验研究,缩尺比取为1∶70.采用非线性时域耦合分析法对原深海半潜式钻井平台系统进行数值分析,并将模型试验和数值分析结果进行比较.结果表明:等效截断水深锚泊系统在静力方面可较好地模拟全水深锚泊系统,动力相似上的不足导致其锚链受力最大值与全水深锚泊系统的相差较大;截断水深模型试验对全水深锚泊系统系泊下的半潜平台运动响应的预报较为可信,而平台锚系的受力情况需辅以数值模拟进行研究.     

转塔式系泊储油轮的动力分析

为研究转塔式系泊储油轮的动力响应,应用二阶频域摄动理论计算了其在压载状态下的一阶运动响应、二阶运动的响应谱及锚泊线张力谱,并与相应的模型试验结果进行了比较.试验中浪向角为180°,波谱采用PM谱和白噪声谱.理论计算涉及二阶慢荡阻尼,为此进行了模型在规则波上的衰减试验,系泊形式由弹簧系统代替锚泊系统.频域计算中的二阶慢荡阻尼参考弹簧系统在不规则波下试验所得的阻尼值.计算分析以及与实验结果的比较表明,理论结果和相应的试验结果符合较好.弹簧系统在不规则波下的阻尼值可作为频域计算中二阶慢荡阻尼的参考.二阶频域摄动理论可用于分析转塔式系泊储油轮的动力响应     

非线弹性索对系泊系统性能的影响

随着船舶的大型化、海洋平台的多样化以及其工作水深的不断加深,锚泊设计过程中锚泊线的成分也由设计初期的单一化向多成分化发展。材料的多样化更是为锚泊设计提供了丰富的选择空间,将对加入非线弹性拉伸材料的系泊线进行数值模拟分析,采用分段外推-校正的方法,计算分析了相同水深下非线弹性拉伸材料对系泊系统变形、张力以及刚度的影响,并且进一步研究了不同水深的情况。结果表明,加入非线弹性拉伸的材料能够有效地降低系泊线张力及自身刚度,加入此种材料的组合系泊系统更适用于浅水。     

深海半潜式平台锚泊系统等效水深截断模型试验设计

以拟在哈尔滨工业大学大气边界层风洞及波浪模拟水槽中进行模型试验的一座工作水深为1 500m的深海半潜式平台锚泊系统为例,缩尺比取为1∶100.介绍深海锚泊系统等效水深截断设计的原理及流程.考虑锚泊线的重力、张力、海流力及弹性伸长,采用分段外推法进行静力分析.基于静力等效原则,在保证锚泊线数目和布置一致的情况下,对其在400m等效水深截断模型进行试验方案设计,满足单根锚泊线和整个锚泊系统静恢复力特性近似相同.采用非线性有限元时域分析方法分别对全水深锚泊线和截断水深锚泊线进行动力分析,比较2种锚泊线在各种环境荷载激励下的动力性能差别,并对二者基于动力特性的等效设计提出改进措施.     

深海单柱式平台及其系泊系统的截断水深模型试验

阐述了由水平截断引起的水深截断系泊系统的水平回复力特性难于在所有方向上与全水深保持一致的问题,提出了垂向截断因子γV、水平截断因子γH的概念,分析了水深截断系泊系统等效设计的难点.针对一工作在1.5 km水深的新型单柱式(Spar)平台,介绍了水深截断系泊系统设计流程,给出适合Spar平台特点的等效设计原则,提出了采用特殊装置延长张紧式系泊缆水平跨距的方法,解决了深海Spar平台及其系泊系统在现有水池进行截断水深模型试验的问题.     

内转塔式FPSO截断技术及其总体响应

对一作业水深914 m的内转塔式FPSO平台系泊及立管系统进行等效水深截断设计,以解决海洋工程模型试验水池尺度有限的问题.调整系泊线及立管的长度、轴向刚度和单位长度质量,保证其悬链线形状以及静态特性与原系统一致.截断因子较大时,只对系泊线中间部分等效截断,截断因子较小时,海底部分也要适当截断,并分别推导出相应计算公式.最后对整个FPSO系统进行时域耦合分析,比较发现截断后系泊系统静态特性、平台总体响应和系泊线受力都与全水深情况和已有模型试验结果吻合良好.表明截断方法是合理可行的,能保证截断前后平台性能一致.     

深水非线性弹簧截断张紧式系泊系统动力特性

通过分析张紧式系泊系统的力学特性,提出用弹簧系统代替被截断系泊线并准确模拟其刚度特性的方法.截断水深以上系泊线刚度保持不变,讨论弹簧长度、位置及非线性系数的确定方法,保证截断前后系统的静力特性相似.提出改变截断后系泊线直径和单位长度质量的计算方法,准确模拟系泊线的动力特性.将一作业水深3 048m的FPSO内转塔式系泊系统分别等效截断到1 000m和500m,通过静态分析和时域动态分析可知:截断前后系泊线的预张力、顶部张角、静力特性曲线、平台总体响应和系泊线受力都符合良好,证明了所提截断方案的合理性和正确性.     

深水网箱的单锚腿系泊系统动力特性分析研究

随着网箱养殖的快速并且向深远海发展,传统的辐射式多点系泊方式的应用受到限制。论文在软钢臂的特点上设计出一种适用于网箱系泊的单锚腿系泊系统,依据三维势流理论得到浮筒的水动力系数为基础,求解了系泊系统的刚度,完成了海域实测与数据验证;其次,在时域范围内建立了系泊系统与网箱的动力分析模型,计算了极端海况、多组合情况下锚泊线顶端激励、浮筒与底部重量的运动响应,并对相互间影响关系进行了分析。研究结果对养殖网箱新型系泊系统的设计提供了一种思路。     

新概念深水半潜式生产平台水动力截断试验与数值计算

对一新型深海半潜式生产平台的水动力性能进行模型试验和数值计算分析.与传统直立柱结构的半潜式平台不同,该新型平台的4根立柱在水线面以上向内倾斜.由于平台工作水深为1.5 km,模型试验时需通过数值分析进行等效截断设计.对平台6自由度运动响应和系泊缆受力的研究表明,模型试验结果与数值计算结果基本一致,该新型半潜式生产平台具有良好的水动力性能,满足规范要求.
     

锚泊浮船坞的水动力性能

提出了一种浮船坞锚泊系统响应分析的数值计算模型,运动方程在时域内求解．三维混合积分方程法用于计算浮船坞在频域内的水动力系数和波浪扰动力,并消除了不规则频率的影响．假想作用力法用于模拟锚泊线的作用,考虑了锚泊线的弹性和流力作用．计算和实验证明,在锚链中设置块重能减小浮船坞的最大运动幅值及锚链张力峰值．由于波频运动的影响,交叉锚泊系统其锚链所受的张力幅值比开式锚泊系统大,从而使得交叉锚泊系统锚链的疲劳寿命比开式系统短．     

等效水深截断系统模型试验结果可用性研究

以一工作水深为320 m的转塔式浮式生产储油系统(FPSO)为例研究了被动截断式的混合模型试验方法,选择截断水深为160 m,先后进行了截断系统和全水深系统模型试验,并对两者结果进行了比较.结果发现,在保证静力特性相似并且截断程度不大的情况下,等效水深截断系统模型试验能在一定程度上代替全水深系统模型试验.     

码头系泊缆绳张力的蒙特卡洛算法

系泊船舶缆绳张力的模型实验研究和理论计算对于缆绳的选取、系泊设备的设计、系泊方式及预紧力的确定,以及船级社规范的制订都有着重要的指导意义,国内对码头系泊的研究相对较少,且主要依赖于模型实验,本文对系泊船舶缆绳张力的计算建立了数学模型,用蒙特卡洛算法对系泊非线性方程组进行了求解,并编制了计算程序,与实验结果相比,有较好的一致性,用此数学模型的方法求解船舶在风浪流联合作用下缆绳的静张力是可行的。     

浮式生产储油轮诱导软刚臂系泊系统的动力响应

建立软刚臂系泊系统的理论模型和动力方程,模拟实际几何与物理特性及作用机制.开发误差判断结合变步长迭代搜索的数值逼近求解方法和软件,计算分析软刚臂系泊系统在浮式生产储油轮(FPSO)空间6自由度运动诱导下的动力响应特性,并进行模型试验验证.结果表明,该模型的数值计算与试验结果符合很好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊FP-SO系统动力性能的实时监测或理论预报.建议进一步研制实时监测装置,实现安全监控与防护.     

截断系泊系统不同恢复力矩特性对于深水半潜式平台摇摆运动的影响

以工作在1.5km水深的半潜式平台为例,在截断水深模型实验中,设计5套符合水平及垂向回复力、最大单根缆受力特性相似的截断系泊系统,使之具有不同的力矩特性曲线.通过时域耦合计算,比较在这些截断系泊系统下平台的摇荡运动的差异,并与实验结果对比分析.结果表明,水深截断系泊系统的力矩特性是否相似对半潜式平台摇荡运动有一定影响,平台的水平偏移越大时影响越显著.说明在截断系泊系统设计中,保持与全水深系统一致的力矩相似特性的必要性.     

工作水深对浮式平台波浪砰击影响的敏感性分析

运用风洞和水池试验结果修正后的数值模型,同时考虑平台承受的风、浪、流环境载荷,及全尺度锚泊系统,以一典型半潜式平台为例,利用ANSYS-AQWA软件对半潜式平台波浪砰击次数和砰击载荷进行了非线性数值分析.在300、400和500m工作水深,45°、90°和180°3个载荷方向上建立9个工况,以及每个工况下的10个子工况,利用挪威船级社规范,研究了工作水深对平台的波浪砰击次数和砰击载荷影响的敏感性.针对各工况中的10个子工况结果,以90%的Gumble分布值作为最终的平台气隙的结果.通过数值模拟研究表明:相同的环境载荷、锚链类型和预紧力的情况下,平台的工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响非常敏感.因此,在平台设计过程中应充分考虑工作水深对平台气隙和波浪砰击的影响.     

一种简易单点系泊系统的可行性研究

针对渤海海域海上油田的开采,提出了一种简易单点系泊系统,并在考虑风、浪、流三种截荷同时的作用的情况下,对该系统的可行性从总体上加以论证,利用设计谱理论计算油驳的波浪诱导纵荡和,利用经验公式计算油驳风力和流力,将以上三种力线性叠加得系泊力;利用设计波理论,由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式计算平台自身所受波浪力,利用经验公式计算风力,在考虑平台同时受到系泊、力、波流力、风力的作用下,计算平台的结构应力,最后选用Ａ     

基于Sesam的柔性连接浮式栈桥波浪动力特性分析

为了保证浮式栈桥能够在波浪中正常使用,基于三维势流软件Sesam对系泊浮式栈桥的运动响应与缆绳张力进行非线性时域耦合数值预报。分析了桥节间有无缆绳连接、浪向角等因素对浮式栈桥运动响应的影响。计算结果表明,浮式栈桥的运动响应与缆绳张力受缆绳连接与浪向的影响很大。在有义波高为1.25m谱峰周期为6s时,有缆绳连接的桥节间相对纵荡最大幅值是无缆绳连接时的0.54倍;当浪向为90°时,浮式栈桥横荡方向与垂荡方向运动幅值范围最大;当浪向为105°时,桥节间相对纵荡运动幅值最大。综上所述,桥节间有缆绳连接可以大幅度减少其相对运动幅值,在布置浮式栈桥时,建议选取浪向角为150°~180°。