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浮托安装系统耦合动力响应研究

许鑫  
【摘要】:近年来,随着陆地石油储量的不断枯竭和人们对能源需求的持续增长,海洋油气开发得到了迅猛的发展。海洋平台作为海洋油气开发的必要装备,其需求量正在快速增长。与此同时,海洋平台的安装技术和配套装备也是油气开发系统中不可缺少的一部分,它的滞后也会大大制约海洋油气开发的进度。如今各类型的海上平台都在向大型化、综合化方向发展,平台结构物的整体重量不断增加,使得平台上部模块的安装难度不断增大。大型平台上部模块的安装作为一类高风险、高附加值产业,已被各大石油公司和工程公司所重视,成为了海洋工程研究的一大热点。浮托法是一种新型的大型组块安装方法,它通过驳船运输上部组块到安装位置,在拖轮和定位装置的辅助下与平台下部结构对准后,再利用落潮和增加驳船吃水的方式将上部模块的重量缓慢转移到下部结构上。与其他安装方法相比,浮托法具有作业成本低、时间短、起重能力大等优点。目前,该方法已被应用在各个海域和各种类型的平台上,随着它的日益成熟和完善,已经成为组块海上安装的首选方法。在浮托安装中,驳船和组块在风、浪、流等各种环境载荷下受迫运动,同时通过LMU和DSU等对接装置相互耦合,另外还通过锚链、水平系泊缆、靠垫等定位装置与导管架及海底相互作用,构成了一个复杂的多体耦合系统。此外,在安装过程中组块的重量不断从驳船向导管架转移,驳船的压载和平均吃水均在不断变化,整个系统的动力特性也随之改变,使得问题更加复杂。本论文采用理论分析、数值计算、模型试验以及实船监测多种方法相结合,对浮托安装中的多体耦合动力响应、载荷动态转移、驳船水动力性能以及多驳船间的水动力干扰特性等问题进行了全面、深入地探索和研究。第二章中,针对单船浮托安装中的最核心问题——多体对接和载荷转移,进行了受力分析和数值模拟。剖析了对接耦合装置lmu与dsu的作用机理,推导出了驳船与组块的相对位移与耦合作用力之间的关系式;研究了驳船随时间变化的压载分布对整体重力和质量模型的改变;另外对驳船任意姿态的实时浮力进行了计算。从牛顿第二定律出发建立了静水中载荷动态转移的多体耦合运动方程,成功地对静水中以及正弦外力激励时的浮托载荷转移过程进行了模拟。第三章中,选择适合的计算方法对浮托驳船受到的水动力载荷进行了计算。考虑到驳船下沉的速度缓慢,提出了一个缓变湿表面问题的假设,对变平均湿表面问题进行了简化。先在三维频域势流理论的基础上计算随时间变化的多个湿表面边值问题,得到相应的水动力系数,再通过插值得到任意吃水的频域水动力系数,然后通过时频转换求得任意吃水时的驳船水动力载荷。第四章中,考虑驳船和组块受到的所有外力和相互作用力,建立多体耦合时域运动方程并求解,得到驳船和组块的运动和各构件上的受力等。并将计算结果与模型试验结果进行比较,从而验证了数值计算方法和程序的可靠性和准确性。另外,对载荷转移动态过程开展了全时域模拟研究,基于缓变平均湿表面假设,考虑吃水变化时的波浪力和水动力系数,另外通过分布质量点的方法模拟压载水的变化,直接对湿表面静水压力积分计算恢复力,最终模拟出了载荷转移的全过程。第五章中,针对单船浮托开展了大量、全面而精细的试验研究。在水池中对驳船、导管架、组块以及各连接机构进行了精确模拟,并设置了一系列的环境条件,研究浮托安装系统的动力响应。将浮托安装的动态过程分解成若干步骤,对每个步骤所处状态分别进行研究,最终得出了不同阶段浮托安装系统的动力特性和规律。寻找到浮托安装中的危险阶段以及每个阶段在不同的海洋环境下的危险部位,对今后的工程设计提供了指导。第六章中,针对浮托安装的实际工程作业,建立了一套针对性的实时监测集成系统,可对风浪流潮等海洋环境、驳船运动以及靠垫应力进行实时采集和分析。使用该监测系统对荔湾3-1平台浮托安装海上作业过程进行了全程监测和记录,对实际施工进行了指导,降低了作业风险,同时得到的实测数据对模型试验和数值计算提供了参考。第七章中,在单船浮托研究的基础上,对双船浮托中的耦合动力问题进行进一步探索。首先针对多浮体在波浪作用下的水动力干扰问题进行研究:以小间距并列双驳船系统为例,通过模型试验获得两驳船的水动力响应结果,探索浮体间水动力干扰的作用机理;采用频域势流理论计算双驳船的水动力系数,并根据试验结果讨论其修正。然后同时考虑水动力干扰与连接件耦合,使用本文开发的时域计算程序,对多浮体系统在波浪作用下的动力响应进行了时域模拟,得到了各船体之间的相对运动和耦合受力,并通过与试验结果进行对比,验证了该程序的可行性。综上所述,本文针对浮托安装系统多体耦合响应、驳船水动力与定位性能、对接耦合性能以及双船浮托驳船间的水动力干扰进行了研究。通过数值计算实现了浮托安装载荷转移过程的模拟仿真,并通过试验和实测方法进行了验证。经过分析不同状态下的动力响应特性,得出了浮托安装中的危险阶段以及每个阶段在不同的海洋环境下的危险部位,对今后的工程设计提供了指导。另外,本文成果中的实测系统多次直接应用到实际的海上安装中,准确预报了施工中各重要指标数据,有效地降低了海上安装作用的风险,具有十分重要的意义。


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