淺水超大型FPSO動(dòng)力響應(yīng)研究.pdf

1、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)(FloatingProductionStorageandOffloadingunit-FPSO)是以生產(chǎn)儲(chǔ)油船為基礎(chǔ)，集生產(chǎn)系統(tǒng)和人員居住為一體的海洋大型生產(chǎn)基地。與固定式平臺(tái)相比，F(xiàn)PSO具有建造周期短、投資少、資金回收快以及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，F(xiàn)PSO在近海油氣田開(kāi)發(fā)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于FPSO要長(zhǎng)期系泊于惡劣的海洋環(huán)境下作業(yè)，不能定期進(jìn)塢檢修，因此對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和作業(yè)安全都有很高的要求。

2、 FPSO在渤海淺水海域的已廣泛應(yīng)用，渤海灣的水深對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)與波浪載荷的影響問(wèn)題日益突現(xiàn)出來(lái)。隨著渤海油氣田規(guī)模擴(kuò)大，因此FPSO的儲(chǔ)油量極其尺度也隨之增加。本論文研究的對(duì)象是30萬(wàn)噸淺水超大型FPSO，海域的極限水深為25.75米，設(shè)計(jì)吃水為22.119米，水深吃水比(H/T)僅為1.164，其水動(dòng)力特性與常規(guī)水深下的水動(dòng)力特性有較大差異，因此研究不同水深下運(yùn)動(dòng)與波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)，已成為淺水超大型FPSO安全作業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題。

3、 基于上述原因，本論文應(yīng)用理論分析、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)淺水超大型FPSO在不同水深下的動(dòng)力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 本論文在三維水彈性理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了有限水深復(fù)合格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式，編制了計(jì)算有限水深復(fù)合格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)的程序模塊，首次在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了有限水深復(fù)合格林函數(shù)的數(shù)值計(jì)算。 國(guó)際上有關(guān)水深對(duì)浮式海洋結(jié)構(gòu)物波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)機(jī)理的研究少甚少。本論文對(duì)淺水大型FPSO運(yùn)動(dòng)時(shí)的附連質(zhì)量、阻

4、尼系數(shù)以及波浪作用于船體表面的脈動(dòng)壓力進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步揭示了水深對(duì)淺水超大型FPSO運(yùn)動(dòng)和波浪載荷影響的機(jī)理。 為了驗(yàn)證本論文推導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法的正確性，在國(guó)內(nèi)又首次成功地進(jìn)行了淺水超大型FPSO波浪誘導(dǎo)垂向載荷隨水深變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)獲得了成功，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果有較好的吻合。本論文的研究結(jié)果不僅為淺水超大型FPSO動(dòng)力響應(yīng)的試驗(yàn)研究積累了寶貴的數(shù)據(jù)，而且為理論研究提供了可靠的驗(yàn)證方法。 主要研究

5、工作與結(jié)論如下：1.系統(tǒng)闡述了適合于有限水深海況下的三維線性頻域水彈性理論。結(jié)合有限水深入射波與復(fù)合格林函數(shù)的特性，用有限水深入射波和海底邊界條件代替了無(wú)限水深入射波和海底邊界條件，為有限水深海況海洋結(jié)構(gòu)物的水彈性分析奠定了基礎(chǔ)。 2.發(fā)展了有限水深復(fù)合格林函數(shù)數(shù)值計(jì)算方法。推導(dǎo)了有限水深復(fù)合格林函數(shù)偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)值表達(dá)式；對(duì)復(fù)合格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)中的奇異性進(jìn)行了研究，并探求了一種消除奇異性的方法；編制了用于計(jì)算有限水深復(fù)合格林函數(shù)

6、及其偏導(dǎo)數(shù)的程序模塊，并將其根植于THAFTS(Wu,1984)程序中，拓展了THAFTS程序功能，使其適用于任何水深浮式海洋結(jié)構(gòu)物的水彈性數(shù)值計(jì)算；為了提高數(shù)值計(jì)算精度和速度，采用了拋物線變步長(zhǎng)積分和Bessel函數(shù)插值相結(jié)合的方法對(duì)格林函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。 3.在應(yīng)用上述編制程序的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了水深變化對(duì)淺水超大型FPSO的運(yùn)動(dòng)與波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)的影響；并在不同水深和不同浪向海況下，根據(jù)西北太平洋B1海區(qū)(即我國(guó)的

7、渤海海區(qū))的海況對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期預(yù)報(bào)。 研究表明，隨著水深的變淺，縱蕩運(yùn)動(dòng)更加劇烈。波長(zhǎng)船長(zhǎng)比(λ/L)較小時(shí)，垂蕩、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅度隨水深的變淺而減小?？v蕩運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值隨水深的變淺而加劇，迎浪時(shí)在淺水中縱蕩運(yùn)動(dòng)幅值的預(yù)報(bào)值大約是深水海況的1.5倍；而縱搖、垂蕩與橫搖的預(yù)報(bào)值隨水深的變淺而大大減緩，浪向角為90°時(shí)，深水海況的縱搖、垂蕩與橫搖運(yùn)動(dòng)幅值的預(yù)報(bào)值大約是淺水時(shí)的3倍、4倍和5倍；而當(dāng)水深吃水比(H/T)超過(guò)3.

8、0時(shí)，水深對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)值幾乎沒(méi)有影響。 研究進(jìn)一步表明：波浪誘導(dǎo)垂向載荷(包括波浪誘導(dǎo)垂向彎矩和剪力)隨水深的變淺而增加，而且水越淺，波浪誘導(dǎo)垂向載荷的增加幅度也越大。 波浪誘導(dǎo)垂向載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值隨水深的變淺而增大，尤其是極淺水時(shí)，預(yù)報(bào)值增加得更為明顯，斜浪時(shí)淺水海況的波浪誘導(dǎo)垂向載荷幅值的預(yù)報(bào)值為深水海況的2倍左右。同時(shí)，當(dāng)H/T=3.0時(shí)，波浪誘導(dǎo)垂向載荷的預(yù)報(bào)值比深水時(shí)大8﹪左右；H/T＞5.0時(shí)，水深對(duì)波浪誘

9、導(dǎo)垂向載荷的預(yù)報(bào)值幾乎沒(méi)有影響。因此，當(dāng)H/T＞5.0時(shí)，淺水超大型FPSO的設(shè)計(jì)可以不必考慮水深變化對(duì)波浪誘導(dǎo)垂向載荷的影響。 4.研究了廣義附加質(zhì)量、廣義附加阻尼與水深變化之間的關(guān)系，探討了垂蕩、縱搖與橫搖隨水深的變淺而減緩的機(jī)理。 縱蕩、橫蕩和首搖水平面運(yùn)動(dòng)模態(tài)，與垂蕩、橫搖和縱搖垂向運(yùn)動(dòng)模態(tài)，廣義附加質(zhì)量隨水深的變化規(guī)律呈現(xiàn)較大差異。水平面運(yùn)動(dòng)模態(tài)的廣義附加質(zhì)量隨水深變化規(guī)律不明顯。只有在頻率較低時(shí)，隨著水深的變

10、淺，水平面運(yùn)動(dòng)模態(tài)的廣義附加質(zhì)量才有明顯的增加趨勢(shì)。垂向運(yùn)動(dòng)模態(tài)的附加質(zhì)量隨水深變化顯著。隨著水深的變淺，垂向運(yùn)動(dòng)模態(tài)的附加質(zhì)量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均增大；尤其是在淺水時(shí)，增加得更為明顯。所有6個(gè)運(yùn)動(dòng)模態(tài)的廣義附加阻尼系數(shù)隨水深的變化規(guī)律大致相同。 總體上隨著水深的減小，廣義附加阻尼系數(shù)增大，頻率較低時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯，淺水深時(shí)的阻尼系數(shù)相比深水時(shí)有明顯增加；在淺水條件下，垂蕩、橫搖和縱搖阻尼系數(shù)隨H/T的變化較大，其它運(yùn)動(dòng)模態(tài)的阻

11、尼系數(shù)變化則相對(duì)較小。 因此，在同樣條件作用下，在淺水深時(shí)由于廣義附加質(zhì)量和廣義附加阻尼的增加，垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)幅度也必將較大地緩和。 5.研究了船體脈動(dòng)壓力與水深之間的關(guān)系，探討了波浪垂向載荷隨水深變淺而增加的機(jī)理。 在特定波浪頻率和浪向角海況下，隨著水深的變淺，船底脈動(dòng)壓力增大；并且水深越淺，脈動(dòng)壓力增大得更為明顯。 因此，在同樣的環(huán)境條件作用下，在淺水時(shí)由于船體脈動(dòng)壓力的較大增加，波浪誘導(dǎo)垂向載

12、荷的幅值也必將較大地增加。 6.用三維水彈性理論研究了淺水超大型FPSO在規(guī)則波海域中水深變化對(duì)運(yùn)動(dòng)與波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)的影響，并對(duì)波浪誘導(dǎo)載荷進(jìn)行了長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，探討了淺水超大型FPSO彈性效應(yīng)對(duì)波浪誘導(dǎo)載荷的影響。采用三維有限元模型計(jì)算了結(jié)構(gòu)的干振型。 彈性體假設(shè)下研究了水深對(duì)波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)的影響。6種水深下，低頻時(shí)(即波長(zhǎng)船長(zhǎng)比比較大時(shí))彈性體假設(shè)下的波浪誘導(dǎo)載荷比剛體假設(shè)下的波浪誘導(dǎo)載荷小；而高頻時(shí)彈性體假設(shè)下的波浪

13、誘導(dǎo)載荷比剛體假設(shè)下的波浪誘導(dǎo)載荷大?？傮w上，該算例的水彈性分析結(jié)果呈現(xiàn)出，水深越淺彈性效應(yīng)對(duì)波浪誘導(dǎo)垂向載荷的影響越大。 彈性體假設(shè)下的波浪誘導(dǎo)垂向載荷的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值均小于剛體假設(shè)下的預(yù)報(bào)值；船體的彈性效應(yīng)對(duì)波浪誘導(dǎo)垂向載荷的影響比較大，特別是浪向角為0°時(shí)，計(jì)及彈性效應(yīng)時(shí)的波浪誘導(dǎo)垂向載荷降低將近13﹪；而當(dāng)浪向角為90°時(shí)，彈性效應(yīng)對(duì)波浪誘導(dǎo)垂向載荷的影響相對(duì)較小。7.為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可行性，本論文依托上海交通大學(xué)海洋

14、工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)首次完成了淺水超大型FPSO水深對(duì)波浪誘導(dǎo)載荷影響的試驗(yàn)研究，獲得了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，可為淺水海洋結(jié)構(gòu)物波浪誘導(dǎo)載荷的試驗(yàn)研究提供了借鑒。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1：100，在船舯處和距船艉1/4船長(zhǎng)處將模型剖切為三個(gè)模塊，三個(gè)模塊用兩根試驗(yàn)件相連。 隨著水深的變淺，縱蕩運(yùn)動(dòng)加劇，垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)減緩；且淺水時(shí)(H/T=1.164且λ/L＞0.9)，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果差別較大。 隨著水深的變淺，波