深海系泊系统动力特性研究进展

系泊系统设计是深海平台开发的关键问题之一。由于深海环境载荷和系泊材料物理特性及系缆构型影响,系泊系统分析涉及流固耦合非线性、非线性流体动力及整个系泊系统的运动稳定性。总结深海系泊系统关键理论和技术研究的前沿问题,包括系泊系统系缆建模、系泊系统耦合动力分析的理论和方法等,重点分析系泊系统非线性动力学问题的研究进展,并且提出了深海系泊系统需要深入研究的若干动力学问题。     

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。     

基于多体分析的浅水FPSO和水下软钢臂系泊系统运动特性研究

基于多体动力分析方法进行FPSO和水下软钢臂系泊系统的运动特性研究。相较于非线性弹簧模拟软钢臂系泊系统或者其他近似模拟方法,多体分析方法可以充分考虑系泊系统具体结构形式及其动力项对FPSO运动性能的影响,更好的预报系统运动响应和系泊力。本文将FPSO和水下钢臂结构模拟成2个具有6自由度的独立结构,两者用系泊链组进行连接。基于三维势流理论应用汇源分布法,首先在频域内进行FPSO的水动力参数分析,进而在时域内对系统进行耦合动力分析。本文重点讨论系泊系统黏性力和二阶波浪力对系统响应的影响,计算结果发现系泊系统黏性力对系泊力有一定影响,而在浅水条件下二阶波浪力的计算对准确预报系统运动及系泊力非常重要。     

多锚链系泊浮筒非线性漂移运动的时域模拟

本文对多锚链系泊浮筒漂移运动的非线性效应进行了讨论。在波浪力和锚链系泊力都是非线性的条件下,对浮筒的运动作时域模拟,并把计算单个系泊锚链流体动力作用的Koterayama W.方法推广到多系泊锚链的情形。计算了规则波和波群中系泊浮筒漂移运动的时间历程,讨论了其运动与波高、频差的关系。可以指出,系泊浮筒系统总漂移运动受锚链流体动力的影响很大;在波群中,其幅值主要受波高支配,与频差的关系较小。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

水下系泊监测平台非线性振动稳定性分析

针对水下系泊监测平台在水流涡激作用下的稳定性问题,考虑了浮体在振动过程中的变形,建立了其流固耦合的非线性动力学方程,利用谐波平衡法进行了非线性特性定性分析,Melnikov方法进行稳定性判据研究及影响因素分析,以系统出现混沌状态为稳定性控制条件,重点研究了系泊缆支撑间距对稳定性的影响,并计算出支撑间距的临界值。结果表明,系统稳定性随支撑间距增加而降低,当支撑间距超过临界值后,稍微增加都可能导致系泊监测平台振动偏离振动轨道而造成局部失稳甚至结构破坏。为保证监测平台的稳定性,应增加支撑数量,且支撑的间距不能超过系统发生失稳的临界值。     

海洋灾害环境与工程结构物作用的耦合分析

项目针对波浪、海流和内波等灾害海洋环境与海洋工程结构物相互作用问题,首次建立了非线性波浪—平台—系泊系统耦合作用的全时域非线性分析模型,首次引入源造波技术和镜像格林函数方法,解决了深海工程中的非线性波浪模拟难题。     

计算规则波中系泊浮体运动响应的能量法

本文根据广义迦辽金法原理,提出了在规则波作用下计算系泊浮体运动响应的能量法,系泊系统是非线性的,波浪则采用线性化势波理论,流体是无粘性不可压缩的理想流体。将计算结果与实验结果作了比较,两者符合。     

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.     

LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

针对35万立方米超大型LNG-FSRU,采用软刚臂单点系泊系统定位方式,运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键,数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟,模型试验同样模拟了系泊系统的相似性,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性,试验结果与数值结果吻合良好,表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的,反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性,建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。     

规则波作用下四锚浮标系统动力分析

随着水深的增加,海洋浮标系泊缆索的长度也增加,对其浮标系泊系统进行动力分析是非常重要的.基于势流理论,应用边界元方法在频域内计算浮标的附加质量和阻尼、一阶波浪力和二阶平均漂移力,通过快速傅里叶变换将计算结果转换到时域,应用莫里森公式计算浮标及其skirt的粘性阻尼力,应用非线性有限元方法计算系泊缆索张力,最后在时域内应用四阶Runge- Kutta法计算浮标的运动响应和系泊缆索张力.比较分析了两种水深条件下,不同skirt直径和缆索长度情况下浮标的水动力特性、运动响应和系泊缆索张力.计算结果表明,浮标skirt的存在对纵荡方向的附加质量和辐射阻尼基本没有影响,而垂荡方向的附加质量增加,辐射阻尼减小,且能够减小二阶平均波浪力的峰值.     

深海平台系泊系统在灾害性海洋环境下可靠性评估

基于深海平台系统的耦合时域分析技术和结构可靠性理论,分析深水系泊系统在灾害性极限海况下的失效模式。根据系泊链的结构形式特点,建立破断强度的概率模型;并根据系泊链动力响应时间历程,采用广义极值理论,通过对非线性随机动力响应的数值拟合,提出建立载荷概率模型的方法。并以某半潜平台系泊系统为研究对象,通过不同极限环境条件下的分析对比,研究载荷方向对可靠性指标的影响。根据分析结果可知,在200年一遇海况下,当环境载荷方向是135°时,系统可靠性指标,已低于目标可靠性指标要求,该系泊系统处于不安全状态。     

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。     

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。     

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。