损伤聚酯纤维系缆动刚度特性实验研究

系泊系统设计和分析是深海油气开发平台的关键问题,对于采用合成纤维系缆的绷紧式系泊系统,由于材料属性和安装、使用等因素可能造成缆绳不同程度的损伤,因此有必要研究损伤缆在复杂海况下的非线性动力特性尤其是动刚度演变规律。采用合成纤维系缆循环加载实验系统,对6 mm和8 mm的聚酯(polyester)缆绳试样进行实验研究。引入损伤度指标衡量缆绳的损伤程度,通过剪切股纱减小缆绳的有效承载面积以制造损伤,分别考察了损伤度、平均载荷、应变幅值和循环周次对缆绳动刚度的影响。通过量纲分析得到损伤缆动刚度相似准则,在此基础上分析实验数据获得考虑各主要影响因素的动刚度演变经验公式。这些工作为今后更为复杂的全尺寸损伤缆绳的动刚度研究奠定了基础。     

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。     

超深水混合缆绷紧式系泊系统非线性循环动力分析

由于高强聚乙烯(HMPE)和聚酯(polyester)缆绳具有各自独特的材料性能,因此提出在超深水绷紧式系泊系统中,采用高强聚乙烯和聚酯组成的混合缆作为系缆。以一系泊在超深水处的FPSO为例,系缆分别采用聚酯缆绳、高强聚乙烯缆绳以及混合缆。比较了循环载荷作用下,不同绷紧式系泊系统的动力响应。分析表明,在超深水中采用混合缆能够设计出合宜刚度的系泊系统,使系泊系统既有保持海洋浮式结构物在平衡位置的能力,又有风暴载荷下良好的生存能力。较理想的混合缆构型是:在靠近海底部分,采用高强聚乙烯缆绳;而在靠近海面部分,采用聚酯缆绳。这些认识对混合缆应用于超深水绷紧式系泊系统具有重要的参考价值。     

新型深水系泊系统非线性循环动力分析

深水绷紧式系泊系统以合成纤维材料系缆作为主体系缆,由于系缆复杂的力学特性以及绷紧式系泊方式的特点,在设计、分析和工程应用中会带来新的有待深入认识的问题。以一系泊浮体的动力响应分析为例,考察了循环载荷作用下纤维系缆的动刚度特性,比较了悬链式系泊与绷紧式系泊动力响应的特点。分析表明,绷紧式系泊具有优良的系泊性能,但同时会发生复杂的张力响应。这些认识对于绷紧式系泊系统的研发和工程应用具有重要的参考价值。     

深水系泊高强聚乙烯缆绳的蠕变及破断实验研究

相对于同一破断强度的聚酯(polyester)缆绳,高强聚乙烯(HMPE)缆绳具有更高的刚度、更小的自重和直径、更易运输和安装的优点,因此高强聚乙烯缆绳被引入到系泊系统以替代聚酯缆绳。然而高强聚乙烯缆绳又存在易发生蠕变甚至蠕变破断的不利因素,研究其蠕变和蠕变破断的力学特性就显得尤为迫切。首先设计了合成纤维缆绳实验系统,对HMPE子股缆绳开展了系统的蠕变和蠕变破断实验。基于实验数据,分析了HMPE子缆的蠕变和蠕变破断特性;通过调研HMPE试样的蠕变实验数据,提出了HMPE考虑温度和载荷影响的HMPE纱线蠕变率经验公式,采用该经验公式并结合已有的缆绳比尺换算关系,可以推算出HMPE缆绳的蠕变率;此外,基于所获得的蠕变破断实验数据,提出了HMPE缆绳在定常载荷下的蠕变寿命经验公式。这些成果对HMPE缆绳应用于深水绷紧式系泊系统具有重要意义。     

新型深水系缆非线性动力特性研究进展

随着海洋油气资源开采逐渐向深海发展,新型绷紧式系泊系统正替代传统悬链式系泊系统广泛应用于深水平台的系泊中.作为一种采用合成纤维材料系缆的新型系泊系统,系缆复杂的力学特性是其工程应用需要首先认识并解决的关键技术问题.介绍了在复杂海洋环境条件下合成纤维系缆的非线性动力特性,包括动刚度、绷紧-松弛、蠕变、应力松弛以及疲劳破坏等特性,总结和评述了针对这些特性开展的国内外相关研究,也对今后需要继续深化的研究进行了展望,以期为国内在此方向开展的数值模拟和实验研究提供重要参考.     

循环荷载作用下合成纤维系缆粘弹塑性应力应变关系

在循环载荷作用下,合成纤维系缆的应力应变关系表现出明显的非线性特性,直接影响系泊缆绳的动力响应。如何针对其在循环载荷作用下的应力应变关系进行准确的定量描述是有关绷紧式系泊系统设计的关键问题。国内外研究者之前的研究不能反映缆绳的载荷历史、蠕变特性以及刚度变化过程,因此提出一个粘弹性粘塑性模型来描述合成纤维系缆的应力应变关系。本模型能够反映合成纤维缆绳的时间变化特性以及在整个加载—卸载过程中的刚度变化。此外,提出了明确的参数确定方法及步骤,基于简单的蠕变实验可以确定模型的各个参数。将两种载荷条件下聚酯缆绳的实验结果与模型结果进行对比,二者吻合较好,证明了模型的有效性和可靠性。本研究对于绷紧式系泊系统的研发和工程应用具有重要意义。     

海洋系泊工程中合成纤维系缆研究述评

在回顾合成纤维缆绳的分类和工程应用的基础上,概述了各类纤维缆绳的优缺点和工程适用性。介绍了合成纤维系缆实验技术的国内外研究进展,并综述了合成纤维缆绳的破断强度、动刚度、蠕变、蠕变回复、蠕变破断和疲劳破坏的研究现状,在此基础上展望了今后需要继续开展的合成纤维系缆研究方向。这将为海洋系泊工程中合成纤维系缆的研究和应用提供重要参考。     

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。     

绷紧式系泊缆冲击张力特性研究

采用集中质量法研究了绷紧式系泊系统中系缆由于松弛-张紧过程产生的冲击张力。建立系泊缆绳离散的集中质量模型,对其独立单元进行受力分析并建立了单元的运动方程。给定缆绳上端点简谐激励,通过Ansys中的Aqwa模块,分析了缆绳的运动响应;针对缆绳运动响应过程中的三种状态进行了模拟计算,探讨了冲击张力产生的条件;研究了缆绳初始预张力、上端点激励幅值和频率、拖曳力系数、弹性模量以及单位长度质量对动态张力的影响。研究结果表明:这些影响因素不仅会影响缆绳动态张力的大小,也会对缆绳中的冲击张力产生一定的影响。     

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。     

码头系泊船舶模型试验

通过对一艘50kDWG码头系泊船舶的模型试验，得出了系泊缆绳张力随外载荷变化的一般规律，对码头系泊有一定的参考价值。     

Fundamental analysis of deep sea mooring line in static equilibrium

The integrated equations of deep sea mooring lines in static equilibrium under consideration of gravity force and line elongation are obtained. The most useful forms of the equations for designing deep sea mooring system are those in which horizontal displacement and horizontal and vertical components of tension are obtained as functions of line length, water depth, critical tension and unit weight of line.When the dynamic simulation of a buoy system is carried out, line tensions acting on the buoy should be represented as a linear function of displacement. Therefore the linearisation method is introduced by use of linearisation coefficient matrix. Translation formulae for the matrix from two to three dimensions is also presented.The influence of line elongation on the horizontal component of tension in a taut mooring condition is important, therefore the elongation of stretched deep sea mooring line must be considered carefully. Also, the scaling law under consideration of line elongation in static equilibrium, which is necessary in estimation from a small sized experiment, is discussed.     

Study of Disconnectable Riser Turret Mooring System Applied in the South China Sea

- The present research has been made on the Disconnectable Riser Turret Mooring (DRTM) System which could be used in the oil fields of the South China Sea. The selection of the principal dimensions and their effect on the characteristics of the system have been discussed. By means of a computer program, the synthetical appraisement has been made in the ultimate mooring condition, disconnecting condition and reconnecting condition respectively. Mean-while, a comparison has been made between DRTM system and CALM system. It has been indicated that DRTM is suitable for the South China Sea and has technological and economical preponderance.     

浪流作用下系泊船舶撞击力和系缆力试验研究

以某25万吨矿石码头工程为例,分别进行了单流、单浪和浪流共同作用下,系泊船舶撞击力和系缆力试验。研究了不同水位、不同船舶载度、不同浪流夹角,单流、单浪和浪流共同作用时对船舶撞击力和系缆力的影响。分析了该码头工程护舷和缆绳的布置情况,为工程设计提供了依据。     

防风单点系泊系统系泊力试验研究

通过物理模型试验,得到了3种船型在不同工况组合下的偏荡幅度、偏荡周期以及系泊力实测数据。试验得出了船舶在台风与波、浪、流共同作用下,单点系泊力的主要影响因素为风速、流速、波浪、船舶种类、水线上下侧投影面积比和系泊系统的刚性。选出了本文理论意义明确合理的适合单点系泊系统使用的防风系泊力表达形式,即奎因公式。采用系泊力试验数据在奎因公式的基础上导出的防风系泊系统系泊力计算公式,并给出了公式中的重要参数表达式。     

Design Curves for Mooring Lines of Turret Mooring Systems

This paper presents a series of design curves to aid in the selection of turret mooring systemsfor tankers based Floating Production Storage and Offloading(FPSO)systems.These curves are appropri-ate to water depths ranging from 100m to 600m.The curves can be used as a preliminary design tool,al-lowing the designer to quickly evaluate alternative mooring system configurations,including the numberof mooring lines,the characteristics of chain and wire rope to be deployed and the initial tension.With aknowledge of the total environmental force and vessel motion characteristics,the designer can determinethe appropriate system for closer evaluation.