深海系泊系统模型截断技术研究

【摘要】：随着人类对海洋油气需求的不断扩大,现有的浅水油气资源已经不能满足需要,人们已经把目光投向深海,各种新型的深海采油平台也应运而生并得到了快速发展。模型试验是对海洋平台及其系泊系统设计进行检验的重要手段之一,但对于深海平台系泊系统模型试验时,通常会遇到一个问题,海洋工程水池的深度和跨度不能满足系泊系统的需要,只能对系泊线采取等效截断处理。本文以此为动机,从水池深度不足和跨度不足两个方面对深海系泊系统截断技术进行了深入系统的研究,并通过模型试验予以验证。论文主要就以下方面进行了探讨。 首先,由于对系泊线进行静态特性分析是对系泊系统初步分析的基本方法,是对模型试验时系泊系统等效截断设计的基础,为了后续章节使用方便,根据悬链线理论推导了系泊线的静态特性方程,并编写了相应计算分析程序,通过实例验证了程序的准确性。该程序可用于各种不同类型的系泊线静态特性分析。 其次,对一深水内转塔式FPSO系泊系统进行数值模拟计算,从而为后续的深水池模型试验和试验方法的验证提供准备。应用频域势流理论计算FPSO在规则波下的波浪载荷和线性响应RAO, QTF等。考虑系泊线、立管与FPSO之间的耦合效应,在时域内对整个系统进行总体性能分析。对系泊线的模拟,采用拟静态分析和动态分析两种方法并进行比较。将计算结果与MARIN水池已有试验结果进行比较后发现,系统的静态特性和在环境载荷下的FPSO总体响应都吻合很好,证明了计算方法和各参数设置的合理性。对于系泊线的受力,动态分析结果与试验结果吻合良好,但拟静态分析结果偏低,这也是目前不可避免的问题。以上的工作证明了数值模拟的可靠性。 再次,针对海洋工程水池深度不能满足系泊系统模型试验要求的问题,从悬链线式系泊系统、钢悬链立管系统和张紧式系泊系统三方面进行分析,分别提出了等效水深截断设计的方法,步骤和计算公式。对于悬链线式系泊系统,一定要保持截断前后系泊线的悬链线特性不变,据此确定系泊线长度和系锚点位置,以及其它特性参数。对于钢悬链立管系统,立管材料单一,截断方法与悬链线式系泊系统类似。对于张紧式系泊系统,针对截断因子较大和较小两种情况分别提出截断方案,以满足不同的截断需要。并根据所提截断方案,对DEEPSTAR内转塔式FPSO系泊系统,分多种情况和不同作业水深,分别进行了等效水深截断设计,并对截断前后系统的静动态特性进行比较,符合情况良好,证明截断设计是合理的。 然后,针对海洋工程水池跨度不能满足系泊系统模型试验要求的问题,从截断因子不同出发,提出三种截断方案：当截断因子较大时,只对底部系泊线进行截断处理,或者只对中间部分系泊线进行截断处理,当截断因子较小时,对底部和中间部分系泊线都进行截断处理。并仍以DEEPSTAR的FPSO系泊系统为研究对象,选择不同的水池跨度,进行多方案截断设计,通过分析发现,从静态特性结果看,只对底部系泊线进行截断的效果最好,但从时域耦合动态结果看,三方案的截断效果都很好,截断前后FPSO的运动、系泊线的受力都吻合良好。 最后,对于前述的内转塔式FPSO系泊系统,在哈尔滨工程大学50m×30m×10m的深水池进行模型试验,主要包括FPSO的自由衰减和在规则波作用下的运动响应试验,FPSO系泊系统在静水中和不规则波中的试验。首先进行全水深914m的试验,然后将其系泊系统分别截断到736m和460m水深进行试验,736m和460m截断水深试验结果与914m全水深试验结果以及数值计算结果吻合较好,进一步验证了数值计算和截断设计的正确性。最后对两截断水深试验分别进行数值重构,并向全水深系统外推,外推结果与全水深试验结果吻合良好,在一定程度上验证了混合模型试验方法。 总之,本文对深海平台系泊系统从数值模拟计算,等效截断设计,深水池模型试验三个方面进行了系统的分析与研究,提出了多种截断方案以适应各种不同的试验要求。对于优化截断设计,系泊系统动态响应,数值模拟计算方法与模型试验技术,混合模型试验方法的验证,等等,都得出了有意义的结论,对今后该领域的相关研究提供了有益的参考。