新概念沙漏型FDPSO主浮体和系泊系统设计方法研究

发布时间：2017-10-31 00:00

  本文关键词：新概念沙漏型FDPSO主浮体和系泊系统设计方法研究

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【摘要】：随着海洋油气开发持续向深水推进,浮式海洋平台作为深海开发最为基础和重要的工程装备,其相关问题成为国内外研究的热点。目前,全球范围内广泛应用的各类浮式海洋平台,如张力腿平台(Tension-Leg Platform, TLP)、半潜式平台(Semi-Submersible)和Spar平台等,均存在着明显的不足。TLP平台张力键的自重随水深增加而急剧增大,半潜式平台和Spar平台的承载能力有限且需要众多辅助系统配合工作,这些都极大地限制了上述类型的平台在深海环境下的应用。因此,近年来浮式海洋平台呈现出向多功能一体化发展的趋势。作为这一理念的成功实例,浮式生产储油系统(Floating Production Storage and Offloading system, FPSO)和浮式钻井生产储油系统(Floating Drilling Production Storage and Offloading system, FDPSO)等概念越发受到青睐。本文的主要工作是在对各类深水浮式平台的性能进行分析、总结的基础上,提出了一种沙漏型浮式结构物的新概念,并在此基础上完成了一种新型FDPSO的外形初步设计,使其在保持传统船型和圆筒形FDPSO优势的同时具有抵抗深海恶劣海况的能力。该系统包括沙漏型浮体和与之相匹配的各种功能模块,以期为深水油气开发提供一种全新的工程装备和解决方案。本文的研究内容包括以下几个方面：针对新型对接圆台状沙漏型的浮式主体,采用水动力分析软件AQWA研究了浮式主体的水动力性能。定性分析了下倾角、水线面半径和排水体积对于浮体所受波浪载荷和运动响应幅值算子(Response Amplitude Operator, RAO)的影响。进一步,分析了浮体粘性阻尼和非线性回复刚度对垂荡运动响应的作用。采用势流理论和工程近似方法推导了新型浮体所受的垂荡入射、绕射波浪力和附加质量的近似表达式,进而推导出垂荡运动RAO最小值处频率的估算公式。然后根据稳性的定义和浮体外形的几何关系得到浮体初稳性的计算公式,概括出需要遵循的设计准则,并制定出沙漏型浮体外形的设计方案。依据此方案设计出新概念沙漏型浮式主体,并与具有相同功能的圆筒形浮体(Sevan Marine公司提出)和八角形浮体(中国海洋石油总公司提出)进行比较。通过比较稳性、浮体垂荡和纵摇运动RAO以及甲板上浪次数可以发现,相比圆筒形和八角形浮体模型,沙漏型外形设计能够显著提高平台的稳性和各项水动力性能。为了更好地验证沙漏型概念的性能优势以及理论分析方法的正确性,进而论证沙漏型浮式平台主浮体设计原则和方案的可行性,进行了物理模型水池试验。试验主要针对沙漏型浮体的水动力性能,如纵(横)摇运动周期,粘性阻尼系数,运动RAO,不规则波作用下的运动响应等。试验观测结果验证了沙漏型浮式平台的性能优势,并且为后续设计与分析计算提供了依据。在此基础之上,分析月池形状和尺寸对沙漏型浮体水动力性能的影响,制定了沙漏型FDPSO浮体外形参数设计方案,通过对比传统船型、圆筒形和半潜式三种浮体模型的垂荡和纵摇等运动性能,确定了沙漏型FDPSO的性能优势。此外,进一步研究了初始重心位置和惯性矩对平台水动力性能的影响,为后续设计提供了理论依据和设计原则。配合沙漏型新概念浮式平台,选择了适合于深海作业环境的绷紧式系泊系统,并分析了浮体低频纵荡阻尼、风流载荷系数、系泊缆拖曳力系数、系泊缆悬挂点和悬挂角度等对系泊性能的影响。依据规范要求,对所设计的绷紧式系泊系统进行了强度和限位性能的校核。针对疲劳分析,在规范要求的基础上,将纤维缆的动刚度特性引入疲劳损伤预报中。最终,给出了具有工程实际意义的指导性结论,为沙漏型新概念FDPSO提供了经济可靠的深海系泊方案。
【关键词】：沙漏型浮式平台 对接圆台状FDPSO 稳性 水动力性能 甲板上浪 粘性阻尼 主浮体设计方案 水池试验 绷紧式系泊 纤维缆 动刚度 疲劳分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-25
• 主要符号表25-29
• 1 绪论29-53
• 1.1 海洋油气资源开采的发展趋势29-31
• 1.2 深水浮式平台的总体介绍31-42
• 1.2.1 半潜式平台32-33
• 1.2.2 张力腿平台33-35
• 1.2.3 Spar平台35-37
• 1.2.4 FPSO37-39
• 1.2.5 FDPSO39-41
• 1.2.6 深水浮式平台的性能对比41-42
• 1.3 传统船型FPSO/FDPSO的性能局限42-44
• 1.4 新概念FPSO/FDPSO的研究进展44-51
• 1.4.1 Sevan系列浮式平台45-46
• 1.4.2 SSP系列浮式平台46-48
• 1.4.3 MPSO圆柱型浮式平台48-49
• 1.4.4 半潜式FDPSO49
• 1.4.5 八角形浮式平台49-50
• 1.4.6 倒棱台形破冰型浮式平台50-51
• 1.5 本文的主要研究内容51-53
• 2 新概念沙漏型FDPSO的概念设计53-68
• 2.1 新概念FDPSO的设计思路53-57
• 2.1.1 浮式平台螺旋交互式设计53-56
• 2.1.2 新概念浮式平台设计参考规范56-57
• 2.2 新概念沙漏型浮式结构物概念57-62
• 2.3 新型对接圆台状沙漏型FDPSO概念设计62-67
• 2.4 本章小结67-68
• 3 沙漏型浮式平台主浮体的设计方法和性能分析68-113
• 3.1 沙漏型浮式平台的运动性能分析68-84
• 3.1.1 外形参数的选取68-69
• 3.1.2 外形参数对平台运动性能的影响69-84
• 3.2 基于浮体垂荡运动性能的设计原则84-101
• 3.2.1 粘性阻尼和非线性刚度对垂荡运动响应的影响分析85-89
• 3.2.2 垂荡入射波浪力89-91
• 3.2.3 垂荡绕射波浪力91-94
• 3.2.4 垂荡附加质量94-96
• 3.2.5 垂荡运动响应幅值算子96-100
• 3.2.6 基于垂荡运动性能的主浮体外形设计原则100-101
• 3.3 基于浮体稳性的设计原则101-104
• 3.3.1 浮式海洋工程结构物完整稳性衡准101-102
• 3.3.2 基于初稳性的浮体外形设计准则102-104
• 3.4 新概念沙漏型浮式平台外形设计方案104-112
• 3.4.1 海域环境条件106-107
• 3.4.2 数值计算模型107-108
• 3.4.3 垂荡和纵横摇运动性能分析108-110
• 3.4.4 耐波性分析110-111
• 3.4.5 稳性分析111-112
• 3.5 本章小结112-113
• 4 沙漏型浮体水池试验113-142
• 4.1 试验设施113-116
• 4.1.1 试验水池及造波系统113
• 4.1.2 测量仪器113-116
• 4.2 试验目的与试验内容116-117
• 4.2.1 自由衰减试验116
• 4.2.2 规则波运动响应试验116
• 4.2.3 不规则波运动响应试验116-117
• 4.3 模型试验基本理论117-120
• 4.3.1 坐标系定义117-118
• 4.3.2 相似理论118
• 4.3.3 数据统计118-120
• 4.4 模型参数及布置120-123
• 4.4.1 模型参数120-122
• 4.4.2 试验布置122-123
• 4.5 波浪载荷123-125
• 4.5.1 规则波123-124
• 4.5.2 不规则波124-125
• 4.6 数据测量与分析125-141
• 4.6.1 自由衰减试验125-127
• 4.6.2 规则波试验127-129
• 4.6.3 不规则波试验129-141
• 4.7 本章小结141-142
• 5 沙漏型FDPSO主浮体设计方法和性能分析142-164
• 5.1 月池对浮体运动性能的影响142-149
• 5.2 沙漏型FDPSO主浮体外形设计149-151
• 5.3 沙漏型浮体运动性能分析151-158
• 5.3.1 沙漏型浮体与船型FPSO的性能比152-155
• 5.3.2 沙漏型浮体与圆筒形和半潜式浮体的性能对比155-158
• 5.4 重心位置对浮体运动性能的影响158-160
• 5.5 质量惯性矩对浮体运动性能的影响160-163
• 5.6 本章小结163-164
• 6 沙漏型FDPSO系泊系统设计分析164-198
• 6.1 深海系泊系统发展概况164
• 6.2 系泊系统基本参数164-165
• 6.3 浮式平台深水系泊系统的计算方法165-170
• 6.3.1 深水浮式结构物运动方程165-166
• 6.3.2 浮体的低频纵荡运动阻尼计算166-167
• 6.3.3 浮体所受风、流载荷系数求解167-170
• 6.4 系泊系统设计参数分析170-180
• 6.4.1 系泊缆拖曳力系数对系泊性能的影响171
• 6.4.2 悬挂点和悬挂角度的设计原则171-174
• 6.4.3 悬挂点位置和角度的算例验证174-177
• 6.4.4 系泊缆分组布置方案的性能对比177-180
• 6.5 沙漏型浮体深水系泊系统强度和限位性能校核180-183
• 6.5.1 系泊系统设计校核规范概述180-181
• 6.5.2 绷紧式系泊性能规范校核181-182
• 6.5.3 绷紧式系泊性能时域校核182-183
• 6.6 系泊系统的疲劳性能183-197
• 6.6.1 疲劳损伤分析及计算流程184-186
• 6.6.2 合成纤维系缆的动刚度特性186-191
• 6.6.3 疲劳损伤算例分析191-197
• 6.7 本章小结197-198
• 7 结论与展望198-201
• 7.1 全文总结198-199
• 7.2 创新点摘要199
• 7.3 研究展望199-201
• 参考文献201-209
• 附录A 南海S4海域波浪双变量散布图209-210
• 附录B 南海S4海域波浪散布图的离散海况210-211
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果211-213
• 致谢213-215
• 作者简介215-216
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书216

【参考文献】

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