FPSO系泊系统失效原因探讨

随着海上油田规模的不断扩大和新油田的勘探开发,未来我国服役的FPSO数量会进一步增加。系泊系统的完整性关系到FPSO作业安全,通过对FPSO系泊系统故障进行统计,分析其失效原因,为FPSO系泊系统完整性管理提供参考。     

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.     

极端海况下重力式网箱系泊系统数值模拟

开展系泊系统水动力研究对于大型深海重力式网箱在恶劣海况条件下的长期使用具有重要意义.首先采用集中质量法构建重力式网箱系泊系统简化力学模型,基于海洋工程水动力分析软件O rcaFlex建立重力式网箱数值模型,并通过水池物理模型试验验证了在规则波工况下数值模拟结果的可靠性;进而针对钦州湾20 m水深的重力式网箱系泊系统开展了极端海况下的水动力数值研究,极端海况采用了百年一遇极端波浪条件,考虑网箱结构的对称性特点,代表性地分析了0°与45°两种浪向角下系泊缆绳张力变化的差异.研究结果表明,当浪向角为0°即平行于系泊系统中轴线时,缆绳张力幅值较小且受力均匀.研究结论对同类型重力式网箱系泊系统的科学布置具有一定的参考价值,并为大型深海重力式网箱的规模化运行提供前期研究基础.     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

锚泊浮式结构波浪上运动的频域算法

介绍一种计算系泊浮式海洋结构在波浪上运动响应的方法,与一般现有的系泊结构动力计算方法不同,它是应用频域法考虑了系泊系统与结构运动间的动力耦合,特别是应用二阶摄动方程,解出系泊浮式结构系统的二阶慢荡运动。该方法能正确地确定慢漂运动、低频锚链力等在工程设计中感兴趣的数据,适用于油轮、半潜平台、转塔式FPSO以及张力腿平台等各种型式的浮式结构和系泊方式。程序的计算结果经过了大量的与相应模型试验结果的校核。表明所给出的结果可靠。     

Truss spar平台多点系泊力学分析

将truss spar平台主体和系泊系统看作耦合系统,采用ANSYS/AQWA在时域对truss spar及其系泊系统进行耦合动力响应分析,在8点和12点系泊情况下获得4种不同工况下平台主体的垂荡和纵荡响应和系泊缆的张力响应。结果表明:当系泊系统处于破损状态时,平台的纵荡要远大于系泊系统处于完整状态时的水平位移;极限工况下,平台的运动和张力响应要比作业工况下的响应更大;相对于8点系泊系统,12点系泊系统的运动和张力响应更小。     

渤海FPSO非常规应急解脱方案选择

渤海运营FPSO共计7条,其单点均采用软钢臂系泊系统与FPSO连接。重点阐述了软刚臂系泊系统在解脱方案制定时应遵循的原则,并对非常规解脱提供了几种方案模型和适应性分析,供特殊情况下的FPSO非常规解脱方案制定时选择和参考。     

基于模拟退火算法的FPSO系泊系统数值计算与仿真

浮式生产储油卸油装置(FPSO)系泊系统的优劣对于其工作安全具有重要意义。该文基于模拟退火算法对近浅海的FPSO系泊系统设计进行优化,以平台游动范围、吃水深度和钢桶倾角三者最小为优化目标,运用微元思想对其系泊系统的钢管和锚链在特定环境、系泊参数及平台稳性约束条件下进行静态分析。利用模拟退火算法的可达全局最优的特点,建立平衡方程,计算并仿真了5种不同型号锚链在指定经济作业下的不同最优目标条件的工作状态。计算结果表明,该方法适用于对FPSO在不同环境下安装的系泊系统运行状态进行分析,对其设计和选择具有指导作用,且能提高优化效率和准确性。     

锚链动态效应对海上浮式风力机整体系统动响应的影响

建立了海上浮式风力机包括弹性叶片、塔架以及SPAR浮体和悬链线式系泊线的整体系统动力模型,并基于改进的三维动态悬链线理论和有限元进行了5MW大型风力机的动响应数值模拟和分析;与以往的准静态方法和简化模型不同,本文考虑了系泊系统的动态特性(例如惯性力和阻尼力)、以及大尺寸柔性部件叶片、塔架等的弹性动力,分析了在波浪载荷下的风力机系统动响应.给出了悬链线式系泊线上的惯性载荷与黏性水动阻力等动态效应对系泊张力及其运动特性的影响,通过与仅考虑静态回复力的准静态法结果对比,分析了系泊系统动态特性对风力机结构响应的影响.我们的数值结果表明:考虑系泊线的动态特性,其动张力会明显增大,系泊线松弛-张紧的冲击张力幅值差可达到准静态值的10倍以上.当波浪频率远高于系统频率时,系泊系统的动态效应会加速结构瞬态项的衰减,而波浪频率与系统频率接近时,系泊系统的动态特性能明显降低浮体的响应位移,幅值降低约20%.     

深水半潜平台张紧式系泊系统耦合动力响应研究

采用时域耦合动力分析方法,并考虑系泊缆的非线性动态特性和平台与系泊缆之间的相互作用,分析张紧式系泊系统的系泊缆流体动力系数、系泊缆张力倾角、系泊缆布置角度、系泊缆数目等对平台系泊性能的影响.结果表明,不同的系泊参数对系泊系统性能均有不同程度的影响,合理选取系泊参数能有效控制系统的运动响应和系泊缆动力效应.     

缆绳直径对多浮体系统动力性能的影响

为了解多浮体系统动力性能与系泊缆直径的关系,利用频域势流理论对柔性多浮体系统进行理论分析,计算出浮体运动RAO(响应幅值算子),讨论了波向角为0°,45°和90°工况下系泊缆直径对浮体运动响应和缆索张力的影响。结果显示,系泊缆直径从56mm渐增至114mm时,穿梭油轮的最大水平位移减小,最大横摇角增大,柔性装置的水平运动响应增强,浮体间最大系泊缆力的最大张力增大2~5倍;受柔性装置扭转效应的影响,最大系泊链力随直径渐增而迅速增大。分析表明,系泊缆直径是调节多浮体系统性能的一个重要参数,对整个系统的动力性能有显著影响,设计时应予以充分考虑。     

非线弹性系泊缆系泊性能

针对材料特性为非线性的纤维缆,使用有限元法建立了非线弹性缆索方程的数值模型.在不同水深情况下,针对不同材料的4点系泊系统,通过分析比较浮体最大允许位移内各系泊系统的位移-回复力关系,以及缆索上端点水平张力占总张力的比重,得到使用轻质纤维缆的张紧系泊系统在深水环境下较其他形式的系泊系统具有优势.对材料特性为非线弹性的聚酯纤维缆计算缆上端点的张力,材料特性使用线性的应力应变关系拟合非线性特性,其结果与采用非弹线性模型的相应结果进行对比,发现线性化的拟合计算不能真实反映缆索内的实际张力情况,说明了使用非线弹性模型的必要性.以一Spar的系泊系统为例,分析了3种轻质纤维缆的动力特性差异,发现使用聚酯纤维能得到更好的系泊性能.     

软刚臂系泊系统水平系泊力原型测量方法

以渤海某在役的浮式储油卸油装置(FPSO)软刚臂为研究对象,对其系泊力的测量方法从应变、位移和运动姿态3个方面进行了讨论,并对测量的精度及准确性进行了分析.结果表明,3种方法在测量精度上大体相同,而长期稳定性和成本上倾角仪(运动姿态)方法要好于其他两者.系泊力原型测量方法的应用,不但可以使作业者有效保障现役FPSO的系泊安全,而且其测力结果亦可作为软刚臂系泊性能评估的重要参考.     

时变风中Spar平台系泊系统的耦合动力分析

在中国南海东部百年一遇的台风海况下,考虑不同风载荷的计算方式,对某Classic-Spar平台及其系泊缆索的动力响应作了时域非线性数值模拟.首先将平台频域水动力结果变换到时域;然后运用非线性有限元方法计算张紧式系泊缆索的动张力特性;最后运用四阶龙格-库塔法在时间域内计算平台及其系泊系统的非线性耦合运动方程.分析结果表明:在时变风的作用下,平台运动不仅会偏离平衡位置,而且由于时变风的特征频率通常在Spar平台水平面运动的自振频率附近,因此相对于稳态风,考虑时变风的影响将会激起平台大幅度的水平面慢漂运动响应,从而诱发很大的系自张力.     

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.     

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。     

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.     

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。     

漂浮式潮流电站系泊张力分析

漂浮式潮流电站是潮流能开发的一种典型方式,系泊系统的设计分析是潮流电站开发的重点和难点之一,由于水轮机产生的流力巨大,系泊系统分析时需要对水轮机进行分析和考虑.基于(计算流体动力学)CFD技术,得出水轮机受力和水动力性能,应用软件对潮流电站锚链受力进行计算,对系泊系统进行校核.从结果中可以看出,由于水轮机的影响,对电站系泊系统提出了相当高的要求,设计的系泊系统满足要求.分析计算接近工程实际,计算结果将为实际工程应用提供理论依据和数据支持.     

基 于 悬 链 线 理 论 的 系 泊 系 统 势 能

为研究系泊系统在定位过程中的势能变化,使用悬链线公式,推导了3种常见系泊方式系缆的构形及张力分布.分析了下端点固定的单根锚泊线的重力势能和弹性势能随上端点位置的变化情况,对比了势能间接求导所得的水平张力与直接计算所得的水平张力,发现两者吻合良好,符合能量守恒定律,验证了势能计算结果的准确性.针对系泊系统由9根复合缆组成的深水平台,分析了其系泊系统势能随浮体水平位置的变化情况,比较了各浪向上的位移与回复力关系,发现其系泊性能在各个浪向上接近,对环境适应能力强.针对系泊系统破损的工况,计算得到了系泊系统势能分布图以及各浪向上的位移与回复力关系,发现使用势能分布法能全面有效地反映系泊系统的各个方向性能,具有重要的工程参考价值.