浮式海水淡化装置系留系统水动力分析

文章参考某海水淡化装置的具体参数、工作环境及其系留系统的布缆方式,利用大型海洋水动力分析软件OrcaFlex建立该海洋浮式海水淡化装置系留系统的水动力分析模型,研究该模型的运行过程,结合系留系统以及风、浪和流的联合作用,分析系缆的系泊张力变化情况和水动力,并对该系留系统的设计和施工提出指导性建议和细节性要求。     

极限海况下Spar平台系泊系统耦合动力分析

在复杂的风浪流海洋环境中,Spar及其系泊系统的耦合作用受多方面的影响。对极限海况下的某Classic-Spar平台及其系泊缆索的动力响应做了时域非线性耦合研究。重点分析了极限海况下一根或者多根系泊缆索断裂时平台运动及其缆索张力动力响应的统计特性。分析结果表明,在风浪流同向且共线的极限海况下,不同位置处的系泊缆索发生断裂,对整个平台系泊系统安全的影响程度不尽相同,尤其以迎浪方向系泊缆索的断裂影响显著。     

一种适用于深水浮式海洋平台结构的新型系泊系统设计及水动力性能分析

作为浮式结构最常采用的两种系泊方式,悬链式系泊和张紧式系泊皆存在不足。本文提出了一种新型系泊系统,并以一深水FPSO为例,采用完全时域耦合分析方法,对不同工作水深情况下的浮体及新型系泊系统的运动性能进行了数值模拟,并将该新型系泊系统的仿真结果与传统的张紧式系泊系统进行了比较,分析了新型系泊系统在浮体运动性能、缆索张力等方面的改善,同时探讨了该新型系泊系统的最佳工作水深。     

海洋平台浮托安装的数值实验研究

相较于传统的吊装法,浮托安装法是目前一种比较安全、经济、可靠的大型组块海上安装方法。本文对某平台上部组块的海上浮托安装进行了数值模拟,应用ANSYS-AQWA软件建立上部组块-驳船-系泊系统模型,在时域内对模型就位状态下的运动响应进行了耦合动力分析。重点研究了不同波浪工况下上部组块-驳船-系泊系统模型关键点的运动以及系泊张力的变化情况。研究结果对实际工程中应用浮托安装法施工具有重要的参考意义。     

基于风险的内转塔单点系泊线强度设计

随着安全管理意识的提高,海洋工程结构物的设计正在由基于规范的设计逐步转变到基于风险的设计。根据系泊线年腐蚀磨损量,按照钢缆和锚链的截面损失率,考虑截面损失变化的不确定性,建立系泊线承载能力随时间变化的概率密度模型。根据势流理论,建立FPSO及其系泊系统的水动力模型,求解设计海况下系泊线张力的时间历程,拟合系泊线最大张力的概率分布。根据可靠性理论,求解系泊线断裂的概率。按照系泊系统的不同工作年限,绘制系泊系统失效概率变化的曲线。结果表明,不同的风险接受准则,以及系泊缆的直径缩减速率对于系泊线的抗拉强度和寿命具有重要影响。概率化的系泊系统风险评估工作,为基于风险的FPSO系泊系统设计提供了参考。     

半潜式海洋平台定位系统的控制系统研究

以海洋平台定位系统作为研究对象,阐述了平台定位的主要组成和工作原理,设计了满足速度控制、同步控制和恒张力控制的不同运行模式下的系泊绞车液压系统,分析了液压系统各主要元件在系统中的作用。采用伪微分反馈控制算法对系泊绞车进行控制,并给出了同步控制的策略和恒张力的计算调定方法。Matlab仿真表明,伪微分控制算法具有很好的动态响应特性,完全满足海洋平台系泊定位的要求。     

聚酯系缆损伤对绷紧式系泊系统动力响应影响的数值分析

由于聚酯缆绳具备优异的力学性能,促使以其为主体系缆的绷紧式系泊系统得以广泛应用和发展。但聚酯系缆具有复杂的黏弹性和黏塑性,且由于在安装和使用过程中可能产生不同程度的损伤,使得聚酯系缆的动刚度特性发生演变,从而对系泊系统的动力响应产生直接影响。以一系泊于1 020 m水深的Spar平台为例,运用ABAQUS软件建立了由聚酯缆绳组成的系泊系统有限元模型,并利用ABAQUS子程序将损伤缆绳动刚度经验公式进行导入计算,以更好地反映系缆真实的动刚度变化。基于该有限元模型,计算了在相同水流、波浪工况下,不同损伤度、不同损伤系缆的系缆张力历程和平台的横荡、纵荡位移响应,分析了不同损伤度、不同损伤系缆对系缆张力及平台位移的影响。这些成果对把握绷紧式系泊系统在聚酯系缆有损伤情况下的非线性动力响应及其安全应用具有重要的参考价值。     

安装误差对半潜漂浮式风机悬链线系泊系统性能的影响

由于浅水深条件下悬链线系泊系统的性能对系泊缆长度和几何形状更为敏感,悬链线系泊系统的安装误差对其性能的影响较深水条件下的更为显著。因此首先对适用于半潜漂浮式风机的悬链线系泊系统施工进行研究,分别确定了锚安装位置误差、系泊缆预铺误差和系泊缆与漂浮式基础回接误差的来源,并根据施工条件给出了误差值。之后,以浮体动力学仿真作为手段,对系泊缆系统施工误差对其性能的影响进行基于时域仿真的量化研究。研究表明,锚安装位置误差对系泊系统性能影响不大,但系泊缆预铺和回接的误差对系泊系统性能的影响较大。系泊缆回接的误差可造成系泊缆张力平均值和标准差与设计值偏差近20%,可能对系泊系统疲劳寿命评估产生较大的影响。与系泊缆回接误差相比,系泊缆预铺误差的产生原因更为复杂,由于系泊缆预铺误差往往导致系泊缆长度增长,存在误差的系泊缆张力的各项统计值总体偏小,但可能会造成同组无误差系泊缆的张力过载。     

深海系泊系统动张力有限元计算

考虑深海聚酯尼龙系泊缆的拉伸和弯曲变形,取正交坐标和切向量描述任意结点的6个广义位移,缆变形的几何非线性,基于细长杆理论推导缆索单元的刚度矩阵和质量矩阵,得到12×12的非线性单元特性矩阵,利用有限元软件计算系泊系统的动张力.针对水深1 800 m由12根缆定位的Spar平台,考虑水流对系泊系统的作用,计算了不同外激励下的系缆动张力,讨论了激励频率对系缆张力的影响.结果表明,建立的缆索单元特性矩阵可以较好模拟深海聚酯缆的力学性能,并且得到的深海系泊缆动张力变化规律和力学特性是合理的.     

深海SPAR平台系泊系统耦合动力分析

随着海洋石油向深水领域的拓展,SPAR平台以其诸多优点逐渐成为海上油气生产的主流设施。主要研究SPAR与系泊系统间的耦合响应问题,在讨论了浮体在波浪中运动求解方法之后,阐述了如何利用非线性有限元技术对系泊缆索和立管进行动力分析和张力计算,以及浮体与系泊系统耦合计算的相关理论,对浮体和系泊系统耦合计算模型进行了描述。通过对某SPAR进行系泊系统耦合计算和对计算结果的讨论,证明了深海SPAR系泊系统耦合计算的正确性。     

Analysis on Motion and Cable Dynamic Tension for An ALT-Tanker System

A two-degree freedom model for an ALT-tanker system is established corresponding to the pitch of the ALT and the surge of the tanker.Tension in the mooring cable between the ALT and the tanker is represented by an unsymmetrical,piecewise-nonlinear function.Wave load on the tower is evaluated by use of the Morison equation.The first order wave load acting on the tanker is calculated by the linear diffraction theory based on the 2-D Helmholtz equation,and the near field approach of Pinkster is used to evaluate the second order drift force.The dynamic equation of motion is established based on the principle of D'lembert.Dynamic response and cable tension of a mooring system composed of an 88.4 m ALT and a 100000 t grade tanker are calculated.The influence of wave frequency,wave excitation amplitude,wind and current force on ALT-tanker motion and cable tension is discussed.     

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。     

畸形波作用下锚泊方柱系泊张力特性研究

基于物理模型试验，探究畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力差异问题。讨论相对波高、相对周期和畸形波参数α₁对系泊张力的影响。结果显示:畸形波参数α₁和浮体系泊张力显著相关。在α₁=2.0～2.83范围内，畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值可达不规则波作用的1.9倍。在相对波高H_s/d=0.032～0.097范围内，畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值显著大于不规则波的作用结果，但畸形波和不规则波对应的1/3值及平均值几乎一致。就相对周期影响而言，迎浪侧系泊张力最大差别出现在谱峰周期T_p0p范围内。频域方面采用小波分析方法讨论畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力时频谱特征，两种波浪作用下系泊张力时频特征有显著差别。     

Biofouling on mooring lines and power cables used in wave energy converter systems—Analysis of fatigue life and energy performance

This study presents an analysis of a wave energy converter (WEC) system consisting of a buoy, a mooring system, and a power cable connected to a hub. The investigated WEC system is currently under full-scale testing near Runde in Norway. The purpose of the study was to investigate the characteristics of the entire system, primarily with regard to energy performance and the fatigue life of the mooring lines and power cable, considering the effects of marine biofouling and its growth on the system’s components. By means of parametric study, the energy performance and fatigue life of the mooring lines and power cable were investigated considering two mooring configurations, three biofouling conditions, four sea states in a scatter diagram, and three wave and current directions. Hydrodynamic and structural response simulations were conducted in a coupled response analysis using the DNV-GL software SESAM. Energy performance analyses and stress-based rainflow counting fatigue calculations were performed separately using an in-house code. The results show that, for a WEC system which has been deployed for 25 years, biofouling can reduce the total power absorption by up to 10% and decrease the fatigue life of the mooring lines by approximately 20%.     

内孤立波下深水半潜式平台系统动力响应研究

我国南海海域海洋环境条件复杂且海水密度垂直层化现象显著,内孤立波活动频繁,因内孤立波而造成海洋开采平台破坏的案例屡见不鲜。依托水动力计算软件AQWA二次开发功能,采用Kdv方程,借助Fortran语言将深水半潜式平台立柱、浮箱、系泊系统3部分的内孤立波作用力叠加到外力项中,联合求解半潜式平台的6自由度动力响应特性。数值模拟结果表明,在内孤立波作用下,半潜式平台的运动及系泊线张力均受到了显著的影响。在不考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台在纵荡和横荡方向上产生较大的漂移运动,最大偏移量较无内孤立波情况下增加了8倍;系泊线最大张力提高了17%,增加了系泊线断裂的风险。在考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台的纵荡和横荡运动响应在原响应基础上继续提高15%,但是系泊线张力变化不大。内孤立波不同浪向下的平台纵荡和横荡响应相差也很明显;系泊系统合力在不同方向上的大小决定了平台不同方向上运动的大小。     

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。     

波浪作用下刚性框架浮体及其锚绳运动数值模拟精度分析

由小尺度刚性杆件构成的复杂结构近年来多用于海洋平台建设和海洋监测浮标制作以及海洋增养殖人工浮鱼礁的设计。采用有限单元法和集中质量点法建立波浪作用下刚性框架浮体及其锚绳运动数值模型,探讨空间单元划分、时间离散步长、数据保存格式对刚性框架浮体和柔性锚绳运动模拟精度的影响,分别给出此三者之间的匹配关系。研究结果表明:框架浮体的单元划分可依据是否出水给定,单元的划分比建议取0.05;锚绳的单元划分与其上端连接的浮体浮力有关,当锚绳的拉力主要由上端浮体浮力产生时锚绳单元的划分影响较小,当锚绳的拉力主要由波浪力产生时锚绳单元的划分比建议取0.02;空间单元划分与时间离散步长存在匹配关系,通过减小时间步长来追求数值模拟精度时必须同时考虑保存运动物理量截断误差的影响。     

Experimental and numerical investigations on the intact and damage survivability of a floating–moored oscillating water column device

This paper investigates the intact and damage survivability of a floating–moored Oscillating Water Column (OWC) device using physical model experiments and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. Different extreme wave conditions have been tested using irregular and regular wave conditions. The device was moored to the tank floor via four vertical taut lines and the effect of the mooring line pre–tension on the device response was studied. It was found that the instantaneous position of the floating device was a key factor in the survivability analysis such that a certain irregular wave train that might not include the largest wave could induce the maximum response. Reducing the pre–tension minimized the maximum surge, but significantly increased the maximum tension due to mooring slack events causing snatch loads. A design regular wave with a period equal to the peak period and a height of 1.9–2.0 times the significant wave height could reasonably predict the same maximum line tension as the irregular sea state, but a smaller wave height was required to achieve the maximum surge. A single failure in the mooring system increased the maximum tension by 1.55 times the intact tension. For a damaged mooring system, using the same design regular wave condition derived from the survivability analysis with an intact mooring system could result in overestimating the maximum tension by more than 20% in comparison to the tension from the irregular sea state, but a smaller regular wave height or a different regular wave condition representing another sea state could lead to the same maximum tension. This highlighted the importance of investigating survival conditions with a damaged mooring system instead of simply using the same conditions derived for the intact mooring system.     

规则波中铰接塔-油轮系统的动力响应分析

论文研究铰接系泊塔-油轮系统波流联合作用下的动力响应。考虑铰接塔-油轮单点系泊系统系缆刚度的非线性,将尼龙系缆处理为分段非线性刚度模型,采用M orison公式计算铰接塔的波浪载荷,采用线性波浪绕射理论计算波浪对油轮的作用,建立了两自由度耦合的分段非线性运动微分方程。计算了高177 m的铰接系泊塔和93 500 t油轮构成的FPSO系统的耦合动力响应,并讨论了系统运动对于系缆张力的影响。