水上软刚臂系泊FPSO水动力响应特性试验研究

摘要

浮式生产储卸油系统(FPSO)的诸多优点使其成为目前海洋石油开发的主流设施。随着我国近海浅水油气田的开发，越来越多的FPSO及FLNG将系泊工作于浅水域。工程实践表明软刚臂的单点系泊方式在浅水域的海洋环境中应用优势明显，软刚臂系泊FPSO在浅水中的水动力响应特性研究也越来越受到学界的重视。
　　本论文基于物理模型试验研究了浅水水上软刚臂系泊FPSO的运动与系泊力响应特性。通过静水衰减试验得到了各自由度运动的固有周期，结果发现纵荡运动具有明显的低频特性，并且其阻尼远小于垂向运动阻尼。通过水平刚度的物模试验与数值模拟，发现软刚臂水平刚度对系泊塔高度、船体吃水与软刚臂压载舱重等参数十分敏感。在风浪流联合作用工况中，运用控制变量方法，对影响船体运动与系泊塔水平系泊力响应的各种参数进行了敏感分析，结果发现水平系泊力响应对系泊塔高度尤为敏感。进一步地，讨论了波浪的周期、非线性及低频特性对系泊塔水平系泊力响应的影响。
　　分别使用互相关函数法和快速傅立叶变换法，对波浪与运动量的能量谱进行了估计，并对浅水不规则波浪的特征进行了分析。结合浅水波浪理论，研究了共线荷载联合作用工况中各自由度运动响应机理。通过时域分析得到了纵荡共振运动的产生机理，通过相干分析得到了垂荡与纵摇的运动响应特性。进一步地，对非共线荷载联合作用工况中船体各自由度运动响应特征作出总结。
　　对FPSO船触底、甲板上浪及船艏碰撞软刚臂压载舱的极端运动响应特性进行分析。通过分析船底与海底最小间距对触底安全性作出评价，总结了船艏与船尾的甲板上浪形式，概括了碰撞现象的产生规律。
　　通过对各种环境荷载组合工况作用下的船体运动响应和软刚臂水平系泊力响应展开探讨，总结出浅水水上软刚臂系泊FPSO的水动力响应特性，相关结论可为工程应用提供一些参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 理论分析与数值模拟

1．2．2 原型监测

1．2．3 物理模型试验

1．3 论文的主要研究内容

2 模型试验布置

2．1 试验设备及物理模型

2．1．1 试验设备及仪器标定

2．1．2 相似律介绍

2．1．3 FPSO物理模型

2．2 海洋环境条件模拟

2．2．1 不规则波模拟

2．2．2 环境荷载组合

3 静水工况及规则波工况试验

3．1 水平刚度特性

3．1．1 水平刚度物理模型试验

3．1．2 水平刚度数值拟静态分析

3．2 静水衰减试验

3．3 规则波工况试验

3．4 小结

4 共线风浪流作用工况运动响应机理研究

4．1 试验工况

4．2 试验结果描述

4．3 浅水波浪及其能量谱估计

4．3．1 波浪能量谱估计

4．3．2 浅水波浪特征

4．3．3 风和流对波浪的作用

4．4 6．0m吃水工况各自由度运动响应分析

4．4．1 纵荡运动共振响应时域分析

4．4．2 纵荡运动与系泊塔水平系泊力相干分析

4．4．3 垂荡运动响应机理分析

4．4．4 纵摇运动响应机理分析

4．5 8．0m吃水工况运动响应分析

4．6 小结

5 海洋环境荷载对运动与系泊力响应的影响分析

5．1 荷载方向组合对运动及系泊力响应的影响

5．1．1 极端波况

5．1．2 作业波况

5．2 浅水波浪周期对运动及系泊力响应的影响

5．3 浅水波浪非线性对系泊力响应的影响

5．4 浅水波浪低频特性对运动和系泊力响应的影响

5．5 EC-2环境工况各自由度运动响应特性分析

5．6 小结

6 结构尺度参数对运动与系泊力响应的影响分析

6．1 系泊塔高度变化对运动响应及系泊力的影响

6．1．1 系泊塔高度变化

6．1．2 水深与系泊塔高度同时变化

6．2 吃水变化对运动响应及系泊力的影响

6．3 软刚臂压载舱重变化对运动响应及系泊力的影响

6．4 结构尺度参数敏感性分析

6．5 小结

7 水上软刚臂系泊FPSO极端运动响应分析

7．1 触底分析

7．2 甲板上浪分析

7．3 碰撞及拉伸分析

8 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 进一步研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢