新概念沙漏型FDPSO主浮體和系泊系統(tǒng)設計方法研究.pdf

1、隨著海洋油氣開發(fā)持續(xù)向深水推進，浮式海洋平臺作為深海開發(fā)最為基礎和重要的工程裝備，其相關(guān)問題成為國內(nèi)外研究的熱點。目前，全球范圍內(nèi)廣泛應用的各類浮式海洋平臺，如張力腿平臺(Tension-Leg Platform，TLP)、半潛式平臺(Semi-Submersible)和Spar平臺等，均存在著明顯的不足。TLP平臺張力鍵的自重隨水深增加而急劇增大，半潛式平臺和Spar平臺的承載能力有限且需要眾多輔助系統(tǒng)配合工作，這些都極大地限制了上述

2、類型的平臺在深海環(huán)境下的應用。因此，近年來浮式海洋平臺呈現(xiàn)出向多功能一體化發(fā)展的趨勢。作為這一理念的成功實例，浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)(Floating ProductionStorage and Offloading system，F(xiàn)PSO)和浮式鉆井生產(chǎn)儲油系統(tǒng)(Floating DrillingProduction Storage and Offloading system，F(xiàn)DPSO)等概念越發(fā)受到青睞。
　　本文的主要工作是在對

3、各類深水浮式平臺的性能進行分析、總結(jié)的基礎上，提出了一種沙漏型浮式結(jié)構(gòu)物的新概念，并在此基礎上完成了一種新型FDPSO的外形初步設計，使其在保持傳統(tǒng)船型和圓筒形FDPSO優(yōu)勢的同時具有抵抗深海惡劣海況的能力。該系統(tǒng)包括沙漏型浮體和與之相匹配的各種功能模塊，以期為深水油氣開發(fā)提供一種全新的工程裝備和解決方案。本文的研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　針對新型對接圓臺狀沙漏型的浮式主體，采用水動力分析軟件AQWA研究了浮式主體的水動力性能

4、。定性分析了下傾角、水線面半徑和排水體積對于浮體所受波浪載荷和運動響應幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)的影響。
　　進一步，分析了浮體粘性阻尼和非線性回復剛度對垂蕩運動響應的作用。采用勢流理論和工程近似方法推導了新型浮體所受的垂蕩入射、繞射波浪力和附加質(zhì)量的近似表達式，進而推導出垂蕩運動RAO最小值處頻率的估算公式。然后根據(jù)穩(wěn)性的定義和浮體外形的幾何關(guān)系得到浮體初穩(wěn)性的計算公式，概括出需要

5、遵循的設計準則，并制定出沙漏型浮體外形的設計方案。
　　依據(jù)此方案設計出新概念沙漏型浮式主體，并與具有相同功能的圓筒形浮體(SevanMarine公司提出)和八角形浮體（中國海洋石油總公司提出）進行比較。通過比較穩(wěn)性、浮體垂蕩和縱搖運動RAO以及甲板上浪次數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相比圓筒形和八角形浮體模型，沙漏型外形設計能夠顯著提高平臺的穩(wěn)性和各項水動力性能。
　　為了更好地驗證沙漏型概念的性能優(yōu)勢以及理論分析方法的正確性，進而論證沙漏

6、型浮式平臺主浮體設計原則和方案的可行性，進行了物理模型水池試驗。試驗主要針對沙漏型浮體的水動力性能，如縱（橫）搖運動周期，粘性阻尼系數(shù)，運動RAO，不規(guī)則波作用下的運動響應等。試驗觀測結(jié)果驗證了沙漏型浮式平臺的性能優(yōu)勢，并且為后續(xù)設計與分析計算提供了依據(jù)。
　　在此基礎之上，分析月池形狀和尺寸對沙漏型浮體水動力性能的影響，制定了沙漏型FDPSO浮體外形參數(shù)設計方案，通過對比傳統(tǒng)船型、圓筒形和半潛式三種浮體模型的垂蕩和縱搖等運動性能

7、，確定了沙漏型FDPSO的性能優(yōu)勢。此外，進一步研究了初始重心位置和慣性矩對平臺水動力性能的影響，為后續(xù)設計提供了理論依據(jù)和設計原則。
　　配合沙漏型新概念浮式平臺，選擇了適合于深海作業(yè)環(huán)境的繃緊式系泊系統(tǒng)，并分析了浮體低頻縱蕩阻尼、風流載荷系數(shù)、系泊纜拖曳力系數(shù)、系泊纜懸掛點和懸掛角度等對系泊性能的影響。依據(jù)規(guī)范要求，對所設計的繃緊式系泊系統(tǒng)進行了強度和限位性能的校核。針對疲勞分析，在規(guī)范要求的基礎上，將纖維纜的動剛度特性引入疲