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。     

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。     

圆筒型FPSO阻尼结构的阻尼性能研究

针对圆筒型海上储油装置FPSO,研究其不同类型阻尼结构的阻尼性能,以便有效减小此类结构的垂荡运动。提出U型和倒U型两种不同的圆筒型FPSO阻尼结构型式,采用CFD方法模拟浮体的强迫运动,计算分析阻尼结构的阻尼特性,对比了传统垂荡板结构、U型阻尼结构、倒U型阻尼结构的阻尼性能,详细分析阻尼结构的不同参数包括高度、筒体间距、开孔情况等三个因素对于阻尼特性的影响,基于CFD方法,分析了不同阻尼结构阻尼形成的机理。计算分析表明,倒U型阻尼性能最好,U型和倒U型阻尼结构与筒体间距增大后阻尼增大,阻尼结构高度增加或开孔增加后阻尼降低。     

三维复杂结构Spar平台垂荡板垂荡水动力性能研究

对三维复杂结构Spar平台垂荡板进行垂荡运动的数值模拟,并对垂荡板附近流场及水动力系数进行对比分析。结果表明:在主板尺寸相同情况下,主板边缘附近较小的角钢结构会对垂荡板流场产生明显影响,并导致水动力性能的较大差距;水动力系数计算结果与流场分析的结论一致。虽然复杂板架结构的三维建模及网格划分难度很大,但是在Spar平台垂荡板工程设计中不能完全采用简化光滑平板代替真实、复杂结构形式的垂荡板进行水动力性能的计算。     

基于非线性能量阱的半潜式平台垂荡响应抑制研究

半潜式平台由于吃水浅、水线面小导致垂荡响应较大,为采油树的选择以及钻井、采油等作业带来了许多制约因素,增加维护和作业成本。针对这一问题,本文提出了一种带有非线性能量阱(Nonlinear energy sink, NES)的半潜式平台结构。根据NES减振原理,将活动式垂荡板作为NES系统的具体结构,通过建立带有NES系统的半潜式平台动力学模型,以减小平台垂荡响应为目标,优化设计了NES系统参数。考虑海况变化问题,对NES系统和调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)系统的垂荡响应抑制性能、系统能量传递进行了对比分析。结果表明：NES系统对半潜式平台的垂荡响应具有明显抑制效果,NES系统的共振俘获现象可以使平台与其发生靶能量传递(Targeted energy transfer, TET),同TMD系统相比,NES系统对不同海况波浪谱峰周期变化的鲁棒性更强。     

随机波浪下Truss Spar平台垂荡运动时域分析

研究Truss Spar平台在随机波浪下的垂荡运动特性。采用ITTC双参数谱,考虑绕射作用,数值计算了平台所受的随机波浪力。利用已有的水动力试验和数值模拟结果及Morison方程,估计了Truss Spar平台垂荡方向的附加质量和粘滞阻尼大小。考虑非线性阻尼和瞬时波面的影响,运用Runge-Kutta数值迭代算法,比较了不同随机波浪参数对平台运动响应的影响,特别是波浪特征周期接近垂荡固有周期时。结果表明,当波浪特征周期接近平台垂荡固有周期时,平台产生大幅垂荡运动,频域的运动分析结果比时域结果偏小。     

深水圆筒型钻井平台张紧式系泊系统设计

基于我国南海海域环境条件,对一座深水圆筒型钻井平台设计一套张紧式系泊定位系统,利用SESAM软件对平台运动响应和缆索张力进行分析计算,得到主要运动响应为纵荡、纵摇和垂荡。分别考虑0°和180°的环境载荷方向,对比得到0°方向的缆索张力更大,且6号和7号缆承受了主要的环境力。分析了平台运动的影响因素,认为缆索夹角设定为35°时较优,适度增大系泊缆初始长度和减小两端锚链长度可较为有效地降低系泊缆受力,系泊缆总根数保持12时（4根×3组）为最优方案。根据分析结果对初始系泊方案进行了优化,在风暴工况下系泊缆最大受力减小了约14.8%。钻井作业工况和一根系泊缆破断工况下,系泊缆受力和平台位移均能满足规范要求。     

半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。     

垂荡板对半潜式风机基础拖航过程中水动力性能及运动响应的影响分析

垂荡板对半潜式风机基础水动力性能有极大的影响,从而影响基础拖航安装过程的安全。为了研究垂荡板对半潜式基础拖航过程中运动响应的影响,建立了拖缆—WindFloat浮式风机半潜式基础拖航系统模型。首先,基于三维势流理论,采用AQWA开展了拖航系统的频域水动力分析,分析了垂荡板的尺寸及形状对基础水动力性能的影响规律;进一步采用时域方法对拖航系统的运动响应进行分析,探究了垂荡板的尺寸及形状在不同浪向下对基础运动响应的影响规律。结果表明：垂荡板能有效抑制基础的垂荡RAO,但垂荡板形状对基础的水动力性能无明显影响;具有圆形垂荡板的半潜式基础在拖航过程中的运动性能略优于六边形垂荡板,在原设计基础上继续增大垂荡板尺寸对基础运动响应的抑制效果呈现先增大后减小的趋势,说明半潜式风机基础存在一个最优的垂荡板尺寸。     

海洋平台抛锚方式模糊优化设计方法

海上钻井平台由于工作地点经常发生变化,工作环境条件随之改变,锚泊抛锚方式就要相应更改。本文针对深海半潜平台及其悬链线式系泊定位系统,运用平台与锚链耦合运动时域分析方法,对其水动力性能进行探索,并提出一种运用模糊算法计算平台抛锚方式优化设计方法,此方法可使钻井平台在风暴自存工况和钻井工作工况下更快更好地找到最佳抛锚方式。以一典型的半潜式钻井平台为例进行数值模拟,结果表明本文提出的方法是可行的,能够很方便地找到比较好的抛锚方式来满足相关要求。这种锚泊优化设计方法可为平台及其系泊系统设计提供参考。     

单点系泊FPSO气隙预报的时域和频域分析

以单点系泊的FPSO为研究对象,Matlab软件为计算工具,在百年一遇的极限海况下,采用频域和时域方法对FPSO的气隙进行了数值模拟。针对频域计算结果,预报FPSO在不同浪向下的上浪危险点,并基于时域和频域计算结果,比较FPSO的气隙预报的差异。分析表明:频域方法能够用来快速预测气隙危险点的位置,但是会相对低估各个上浪分析点处的气隙高度值,而且无法考虑风标效应,频域方法无法模拟FPSO在实际环境中真实的气隙变化过程,这会高估在横浪下的FPSO的危险性。     

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。     

A Time Domain Computation Method for Dynamic Behavior of Mooring System

A quasi-steady time domain method is developed for the prediction of dynamic behavior of amooring system under the environmental disturbances,such as regular or irregular waves,winds and cur-rents.The mooring forces are obtained in a static sense at each instant.The dynamic feature of the moor-ing cables can be obtained by incorporating the extended 3-D lumped-mass method with the known shipmotion history.Some nonlinear effects,such as the influence of the instantaneous change of the wettedhull surface on the hydrostatic restoring forces and Froude-Krylov forces,are included.Thecomputational results show a satisfactory agreement with the experimental ones.     

The Behaviour of LNG Carrier Moored to a Jetty Exposed to Waves,Swell,Unsteady Wind and Current

—Most terminals for tankers are piers and sea islands,while other types include single pointmoorings and multiple-buoy moorings.The LNG and LPG carrier moored to the jetty is a very commonterminal for transfer of gas in open seas.It is important to estimate the motions and line tensions of theLNG carrier when it moors to a jetty in metocean environment.Normally,the motions of the LNG carrierwould be restricted by the loading arm,which is connected to LNG carrier＇s manifold.An example of125,000m~3 LNG carrier moored to a jetty exposed to a set of environment conditions is given.Amathematical model which is based on the equations of motion in the time domain is used to the analysisof LNG moored to an offshore jetty exposed to waves,swell,wind and current.By means of a time do-main computer program TERMSIM computations are carried out to determine and optimize the lay-outand/or orientation of the jetty and mooring gear in terms of forces in mooring lines and fenders and theenvelope of motions of the loadi     

Response based design metocean conditions for a permanently moored FPSO during tropical cyclones: Estimation of greenwater risk

Response based analysis (RBA) is used to establish the design metocean conditions (DMCs) of a generic weather-vaning FPSO off the North West Shelf (NWS) of Australia for determining greenwater severity. A vessel heading prediction tool, an essential component of the RBA analysis for weather-vaning vessels, is developed and evaluated by comparing with full-scale measurements from an operating FPSO. Locations at the bow, amidships and the stern of the vessel are found to be susceptible to greenwater risks and the vessel is often exposed to oblique waves during tropical cyclones. Long-term extrapolation is performed to estimate 1 in. N-year return relative wave-vessel motions represented by both the most probable maximum relative wave-vessel motion within a storm r_mp, and the maximum individual relative wave-vessel motion r_Max. It is observed that r_Max ˜ (1.1–1.2) r_mp. The use of r_Max allows for the variability of the short term maxima per storm and also the fact that the peak in response might not come in the most severe sea-state. Given the focus on greenwater rather than wave severity, the slightly larger value of r_Max at a given return period is used for assessment of greenwater risk. The sea-states that lead to r_Max at a 1 in 100 year level are identified and subsequently used for characterising the wave groups causing maximum relative wave-vessel motion at various locations around the vessel. For a given location, the shapes of the wave time histories which give rise to extreme relative wave-vessel motions in a set of design metocean conditions are similar, indicating that a ‘design wave’, derived within the framework of linear wave theory, may be a useful approach to tackle highly nonlinear and complex greenwater overtopping problems.