增压系统海上安装作业分析

摘要

水下增压系统作为海洋油气运输的重要设备之一，已在深海油气工程中得到越来越多的应用。增压系统海上安装作业涉及到大尺度、大重量、超深水等难题，所以进行安装分析数值方法的研究显得十分必要。本文以实现增压系统深水安装为目的，并确定悬垂安装法（PIM）为解决方案。通过时域计算方法、CFD理论、集中质量法等数值方法，对整个安装作业流程进行模拟分析。
　　本文首先对安装分析所需要的参数进行计算。对于海上作业船，在ANSYS中建立船体湿表面元模型，并导入 AQWA软件中进行频域水动力分析，计算其附加质量、阻尼和波浪力等参数。然后为了控制船舶的作业位置，应用PID控制理论和卡尔曼滤波原理编写动力定位程序，将C++代码封装为DLL文件；之后的时域分析中OrcaFlex直接调用DLL文件实现对船舶姿态的控制。对于增压系统水动力分析，基于CFD方法构建数值水槽模型，模拟定常来流求解增压系统阻力系数；之后强迫增压系统在数值水槽中震荡，计算其各方向附加质量系数。
　　随后将悬垂安装过程分为吊装入水和安装下放两个独立阶段，综合考虑船舶运动方程、基于集中质量法的缆索方程、增压系统运动方程等，采用时域多体耦合方法进行求解。通过时域分析方法计算各个阶段每一时刻增压系统运动响应、缆索张力等结果，对安装过程中较危险时刻（穿越自由液面、切断吊装缆索等）进一步分析校核。针对浪向、波高、流向、流速等环境参数进行敏感性分析，分别讨论环境载荷对吊装入水和安装下放过程的影响，给出海上作业施工建议。提出添加抑制缆索和增大浮子直径的改进措施，并用OrcaFlex软件验证其对安装下放阶段的作用。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 大型设施海上安装方法调研

1.3 本文主要工作

第2章 悬垂安装作业分析理论

2.1 船舶在波浪中的势流理论

2.2 船舶波浪中的时域运动分析方法

2.3 水下绕流场模拟的CFD理论

2.4 缆索数值模拟理论

2.5 本章小结

第3章 船舶海上作业运动控制

3.1 频域水动力分析

3.2 动力定位系统模拟原理

3.3 动力定位模拟算例分析

3.4 本章小结

第4章 水下增压系统水动力分析

4.1 水下结构水动力计算综述

4.2 水下增压系统数值模型

4.3 增压系统水动力系数计算

4.4 本章小结

第5章 海上安装作业模拟与分析

5.1 PIM法海上安装作业流程

5.2 安装分析相关参数

5.3 吊装入水阶段分析

5.4 安装下放阶段分析

5.5 安装下放过程的分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢