新概念沙漏型FDPSO主浮体和系泊系统设计方法研究_姚宇鑫.caj

【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。 

【Abstract】 With the oil exploitation gradually developing towards deep water, the relative problems about the ocean floating platforms as fundamental facilities have become the research hotspots. At present, there are three kinds of ocean platforms all over the world, which include Tension leg platform (TLP), Semi-submersible platform and Spar platform. Although these platforms have played an important role in offshore petroleum industry, the deficiencies of them still exist. For instance, TLP platform is ... 

【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；