浅海新型FPSO-IQFP多点系泊系统设计研究

海上油气生产要求FPSO具有低幅运动的特性,因此系泊系统性能的优劣直接影响生产作业的效率和安全。针对新概念FPSO-IQFP(圆角倒棱台形FPSO)的浮体特点和边际油田经济性开发的需要,设计一套经济有效的多点系泊系统。首先,将钢制悬链线系泊系统和聚酯纤维张紧式系泊系统作为备选方案,根据定常力计算结果并参照工程经验,给出两种系泊系统的初始设计方案,并进行二者的静特性分析,探讨系泊参数对系泊系统受力和位移的影响规律;在此基础上,结合时域计算结果,确定系泊系统的优化设计方案;最后,给出系泊系统的回复力和浮体位移之间的关系曲线,并在静力范围内比较两种系泊系统的优劣性。静力分析结果初步验证,较之悬链线系泊系统,张紧式系泊系统用于浅水作业的IQFP上更具优越性。     

深水半潜式平台系泊系统动力特性研究

探讨张紧式系泊系统的基本特征,比较张紧式和悬链线式系泊半潜平台运动和动力响应特性,分析拖曳力系数变化对张紧式和悬链线式系泊动力效应的影响,以及张紧式和悬链线式系泊缆节点运动特点,从而为改善半潜平台系泊系统动力效应提供参考.     

顺应式海洋平台慢漂运动物理模型试验研究

为研究顺应式海洋平台慢漂运动的影响因素,以截断圆柱和漂浮方箱为例进行了不规则波作用下的慢漂运动模型试验。测量了不同系泊刚度条件下的漂浮方箱以及相同系泊刚度条件下的截断圆柱和漂浮方箱在静水中自由衰减运动和在不规则波中的运动响应,并将运动响应分解成一阶波频运动响应和二阶低频运动响应,分析了系泊刚度和浮体形状对浮体运动的影响。通过物理模型试验发现了系泊刚度及浮体形状对顺应式系泊浮体一阶运动标准差和二阶低频运动平均漂移值和标准差的关系。结果表明由于顺应式浮体的固有周期远离波浪谱峰周期时,系泊刚度以及浮体形状对慢漂运动的一阶运动响应影响不大;二阶低频运动相对偏离平衡位置的平均值和标准差均随系泊刚度增大而减小,浮体形状同样对慢漂运动的二阶低频纵荡运动响应影响较大。试验结果为实际海洋工程的外形选择和系泊刚度选择提供数据支持。     

新型全潜式浮式风机在不同风况下的动力响应分析

针对一种新型全潜式浮式风机,应用FAST软件建立风电机组-塔筒-浮式平台-系泊系统的时域耦合分析模型,研究其在不同风况下的动力响应。计算结果表明:风速对于该浮式风机的动力响应影响明显,浮式平台的纵荡、纵摇以及风机叶片根部弯矩与风机在不同风速下受到的推力相关,由于新型全潜式浮式风机垂荡方向刚度很大,风速变化对于其垂荡运动影响相对较小;各风况下,系泊缆始终处于张紧状态,新型全潜式浮式风机运动幅值较小,具有良好的运动性能。     

深海平台系缆形状和张力分析

考虑海底地形的变化、系缆的拉伸形变及海流力等因素,研究了深海平台系缆形状和张力分析方法采用集中质量法,得到系缆方程组,采用牛顿法求解该非线性系缆方程组,建立系缆形状和张力的计算方法。计算了平坦海底和海底地形凹凸变化时水深1 018 m情况下的系缆形状、系泊张力和浮体平衡位置。计算结果表明,海底地形对于深海系泊系统张力影响较大,而计算系缆形状和张力、系泊浮体的运动时,需要考虑海底地形的影响。     

双体波浪能装置运动及系泊系统特性研究

波浪能是一种清洁、可再生的新型能源,波浪能发电装置在海上作业时会受到变化的风、浪、流载荷作用,需要系泊系统保证其稳性和安全性。以适用于中国南海500 m水深的振荡双浮体式波浪能发电装置为研究对象,运用频域计算与时域计算结合的方法对双浮体及其系泊系统的运动响应和动力载荷进行计算,获取极端海况与工作海况下浮体运动和系泊缆索张力的时历数据。参照BV船级社NR-493规定的海上浮式结构物系泊安全系数规范,对3种系泊方案进行安全校核和对比分析。选定其中一种系泊方案,通过改变系泊系统以及能量转换器（PTO）的参数,探究参数变化对双体波浪能装置运动响应以及系泊系统特性的影响,为类似应用于深水的双体波浪能装置系泊系统的设计提供参考。     

新模块化单桩缓冲系泊浮式集成结构系统研究

为配合我国南海重要岛礁陆域拓展及海洋资源开发,提出了一种基于新型单桩缓冲系泊与波浪能装置(WEC)集成的具有潮汐自适应特性的模块化浮体结构系统。基于三维势流理论,综合考虑浮体模块与单桩缓冲结构的相对运动及相关波浪能装置的机械耦合机理,重点研究了新型单模块浮式结构系统在典型海况下的动力响应特征,获得了单桩缓冲系泊系统的初步优化设计参数,并对极端海况进行安全校核,提出了优化自存策略。数值结果表明,此带有波浪能装置的新型单桩缓冲系泊系统,不仅可以有效地降低浮体模块的运动响应幅值并改善平台舒适度,还可以获得可观的发电量,而且在极端海况下,可以通过调整阻尼装置系统来稳定浮体模块的运动。     

新型圆筒型FPSO串靠外输作业耦合水动力响应分析

针对1 000 m水深作业的新型圆筒型浮式生产储卸油系统（FPSO）,选择多点系泊FPSO和穿梭油轮串靠外输方案,分析串靠方案在中国南海的可行性。FPSO和穿梭油轮作业时两者之间相互影响的研究较为重要,通过ANSYS-AQWA建立水动力耦合分析模型,基于多浮体水动力学方法进行时域耦合仿真模拟。在FPSO作业海况下,分析了串靠外输时系泊锚链及系泊大缆的张力特性和两浮体的运动响应,对大缆的长度和刚度参数变化进行了分析。结果表明：串靠外输方案满足新型圆筒型FPSO的作业环境。随着系泊大缆长度增加,其张力最值逐渐减小,FPSO和穿梭油轮的最小间距逐渐增大。两浮体最小距离稳定在83 m左右。随着系泊大缆刚度增加,其张力最值增大,相比于大缆长度,大缆刚度对耦合系统的影响较弱。     

半潜式平台完全时域耦合运动分析

采用三维频域GREEN函数法计算浮体的水动力特性,并运用非线性有限元法对系泊缆索进行模拟,通过完全时域耦合方法求解整个系泊系统的时域控制方程,得到半潜式平台系统的运动响应和系泊缆索的张力变化情况,并对这些响应结果的波频和低频成分进行了分离,讨论了各频率响应成分对平台系统运动的贡献。     

考虑浮体升沉及张紧环运动深海立管固有振动特性研究

研究深海顶张力立管(TTR)的固有振动特性。通过考虑两种不同的分析模型,研究沿水深变化的轴力以及张紧环运动对于立管固有振动频率和振型的影响。考虑立管顶端动边界条件及立管轴力随水深变化,提出了计算深水顶张力立管固有振动频率的方法,给出考虑浮体升沉及张紧环运动时顶张力立管的固有振动特性。结果表明,考虑变轴力和张紧环的影响是计算立管固有频率需要考虑的;立管浮体的运动,导致立管频率显著变化,从而改变立管的共振特性。     

Shallow Water Effects on Surge Motion and Load of Soft Yoke Moored FPSO

Much attention should be paid to a large FPSO moored permanently in an oil field with water depth of only about 20 m, since shallow water effects on the hydrodynamics may bring about collision and damage. A 160kDWT FPSO with a permanent soft yoke mooring system is investigated with various shallow water depths and focuses are the low frequency surge motion and mooring load. Computation for the FPSO system is made based on linear 3-D potential fluid theory and time-domain numerical simulation method. Corresponding model test is carried out in the ocean engineering basin of Shanghai Jiao Tong University. It is shown that, in the surge natural period, low frequency surge motion and mooring force increase remarkably with the decrease of water depth. Especially, the smaller the ratio of water depth and draught is, the quicker the increase is. The shallow water effects should be taken into account carefully for determining the design load of a single point mooring system.     

新型深海系泊系统及数值分析技术

随着海洋油气资源开发逐渐向深海转移,传统的悬链式系泊系统在技术和经济上遇到难以逾越的障碍。作为一种新型的适用于深水和超深水环境的系泊系统,绷紧索系泊系统面临广阔的应用前景。文章对这种新型系泊系统的发展情况进行了介绍,基于有限元数值分析技术,对系泊系统的两个关键特性,即系缆的绷紧-松弛特性以及纤维系缆的动刚度特性进行了分析和处理,通过算例考察了深海平台运动引起的系缆力响应。     

圆筒型FPSO优化设计与水动力性能分析

针对圆筒型海上储油装置FPSO垂荡运动性能较差、无法安装干式井口的问题,设计了带延伸筒体与矩形阻尼结构的圆筒型FPSO,根据延伸筒体与矩形阻尼结构是否通海分为两种型式。建立水动力计算模型,比较分析不同延伸筒体和阻尼结构型式对FPSO水动力性能的影响。针对南海作业海域,设计了悬链式系泊系统,基于JONSWAP波浪谱对FPSO的运动进行时域预报,并对系泊系统进行校核。分析结果表明:通海型FPSO垂荡固有周期显著提升,可以错开南海百年一遇谱峰周期,通海型FPSO满足钻井、安装干式井口的运动响应要求,系泊系统系缆张力满足规范要求。     

Study on a new mooring system integrating catenary with taut mooring

Analyzed are the merits and demerits of catenary mooring system and taut mooring system, which are commonly used nowadays. As falling somewhere between these two systems, a new mooring system integrating catenary with taut mooring is proposed. In order to expound and prove the advantages of this new system, the motion performance of a semi-submersible platform is simulated by employing full time domain coupled analysis method. A comparison of the result of new mooring system with that of taut mooring system shows that the movement of the platform using the new type mooring system is smaller than that using the taut mooring system, which ensures a better working condition. Furthermore, the new mooring system is also compatible with the characteristics of catenary mooring system, which eliminates the requirement of anti-uplift capacity of the anchors.     

Investigation on Touching Sea Bottom by a FPSO in Bohai Oilfield with Shallow Water

As one of the key safety problems, the motion performance and touching sea bottom of a FPSO are paid much attention by the ocean oil companies when the FPSO is exposed to survival storms in the shallow-water working areas. In this paper, timedomain numerical simulations are carried out on a 160 kDWT FPSO with a Yoke mooring system moored in the BZ25-1 oilfield with a water depth of 16.7m. The results are compared with those of the corresponding model tests. Good agreement shows that the time-domain simulations can be used to predict the performance of the FPSO in shallow-water reasonably. It is found that the touch of seabed by a fully loaded FPSO occurred few times under survival storm conditions. Therefore, the FPSO should be less loaded than that in the fully loaded condition under the survival storms.     

八角形FPSO与穿梭油轮串靠外输中碰撞风险分析

针对300 m作业水深下的八角形FPSO,提出采用穿梭油轮串靠的外输作业方案,研究外输过程中穿梭油轮与FPSO之间由于过分纵荡运动而引起的碰撞风险发生概率。建立由八角形FPSO及其系泊系统、穿梭油轮、系泊大缆等组成的浮式多体系统分析模型,在外输海况条件下,得到穿梭油轮与FPSO间距的时历曲线,结合极值理论,对过分纵荡运动进行预报,进而对外输系统的碰撞风险进行分析;揭示海流的方向变化对于外输系统碰撞风险的影响规律。     

Numerical and experimental study on hydrodynamic interaction of side-by-side moored multiple vessels

This paper aims to investigate the basic interaction characteristics of side-by-side moored vessels both numerically and experimentally. A higher-order boundary element method (HOBEM) combined with generalized mode approach is applied to analysis of motion and drift force of side-by-side moored multiple vessels (LNG FPSO, LNGC and shuttle tankers). Model tests were carried out for the same floating bodies investigated in the numerical study in regular and irregular waves. Global and local motion responses and drift forces of three vessels are compared with those of calculations. Discussions is highlighted on applicability of numerical method to prediction of sophisticated multi-body interaction problem of which motion behavior is very important to analysis of mooring dynamics of deep sea floating bodies.     

渤海油田浅水软刚臂系泊FPSO触底分析

在线性三维势流理论的基础上,采用时域计算方法对BZ25—1油田16万吨级FPSO不同吃水条件下的碰底情况作了分析研究。数值计算结果与模型试验进行了比较,两者吻合较好,说明应用时域计算方法可以从理论上预报FPSO在浅水中的触底情况。这对我国渤海等浅水海域油田应用FPSO系统进行开发具有一定的意义。