淺水超大型FPSO動力響應(yīng)研究.pdf

1、浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)(FloatingProductionStorageandOffloadingunit-FPSO)是以生產(chǎn)儲油船為基礎(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。近年來，F(xiàn)PSO在近海油氣田開發(fā)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于FPSO要長期系泊于惡劣的海洋環(huán)境下作業(yè)，不能定期進塢檢修，因此對其運動性能、結(jié)構(gòu)強度和作業(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FPSO運動與波浪載荷的影響問題日益突現(xiàn)出來。隨著渤海油氣田規(guī)模擴大，因此FPSO的儲油量極其尺度也隨之增加。本論文研究的對象是30萬噸淺水超大型FPSO，海域的極限水深為25.75米，設(shè)計吃水為22.119米，水深吃水比(H/T)僅為1.164，其水動力特性與常規(guī)水深下的水動力特性有較大差異，因此研究不同水深下運動與波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)，已成為淺水超大型FPSO安全作業(yè)的關(guān)鍵問題。

3、 基于上述原因，本論文應(yīng)用理論分析、數(shù)值計算和模型試驗相結(jié)合的方法，對淺水超大型FPSO在不同水深下的動力特性進行了系統(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)的表達式，編制了計算有限水深復(fù)合格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)的程序模塊，首次在國內(nèi)實現(xiàn)了有限水深復(fù)合格林函數(shù)的數(shù)值計算。 國際上有關(guān)水深對浮式海洋結(jié)構(gòu)物波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)機理的研究少甚少。本論文對淺水大型FPSO運動時的附連質(zhì)量、阻

4、尼系數(shù)以及波浪作用于船體表面的脈動壓力進行了比較系統(tǒng)的研究，進一步揭示了水深對淺水超大型FPSO運動和波浪載荷影響的機理。 為了驗證本論文推導(dǎo)的數(shù)值計算方法的正確性，在國內(nèi)又首次成功地進行了淺水超大型FPSO波浪誘導(dǎo)垂向載荷隨水深變化規(guī)律的試驗研究。試驗獲得了成功，試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(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動力響應(yīng)的試驗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)值表達式；對復(fù)合格林函數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)中的奇異性進行了研究，并探求了一種消除奇異性的方法；編制了用于計算有限水深復(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)值計算；為了提高數(shù)值計算精度和速度，采用了拋物線變步長積分和Bessel函數(shù)插值相結(jié)合的方法對格林函數(shù)表達式進行了數(shù)值計算。 3.在應(yīng)用上述編制程序的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了水深變化對淺水超大型FPSO的運動與波浪誘導(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)(即我國的

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

8、0時，水深對運動響應(yīng)預(yù)報值幾乎沒有影響。 研究進一步表明：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)垂向載荷的長期預(yù)報值隨水深的變淺而增大，尤其是極淺水時，預(yù)報值增加得更為明顯，斜浪時淺水海況的波浪誘導(dǎo)垂向載荷幅值的預(yù)報值為深水海況的2倍左右。同時，當H/T=3.0時，波浪誘導(dǎo)垂向載荷的預(yù)報值比深水時大8﹪左右；H/T＞5.0時，水深對波浪誘

9、導(dǎo)垂向載荷的預(yù)報值幾乎沒有影響。因此，當H/T＞5.0時，淺水超大型FPSO的設(shè)計可以不必考慮水深變化對波浪誘導(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理。 縱蕩、橫蕩和首搖水平面運動模態(tài)，與垂蕩、橫搖和縱搖垂向運動模態(tài)，廣義附加質(zhì)量隨水深的變化規(guī)律呈現(xiàn)較大差異。水平面運動模態(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，隨著水深的變

10、淺，水平面運動模態(tài)的廣義附加質(zhì)量才有明顯的增加趨勢。垂向運動模態(tài)的附加質(zhì)量隨水深變化顯著。隨著水深的變淺，垂向運動模態(tài)的附加質(zhì)量在整個頻率范圍內(nèi)均增大；尤其是在淺水時，增加得更為明顯。所有6個運動模態(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，頻率較低時這種現(xiàn)象尤為明顯，淺水深時的阻尼系數(shù)相比深水時有明顯增加；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，其它運動模態(tài)的阻

11、尼系數(shù)變化則相對較小。 因此，在同樣條件作用下，在淺水深時由于廣義附加質(zhì)量和廣義附加阻尼的增加，垂蕩、橫搖和縱搖運動幅度也必將較大地緩和。 5.研究了船體脈動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，船底脈動壓力增大；并且水深越淺，脈動壓力增大得更為明顯。 因此，在同樣的環(huán)境條件作用下，在淺水時由于船體脈動壓力的較大增加，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運動與波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)的影響，并對波浪誘導(dǎo)載荷進行了長期預(yù)報，探討了淺水超大型FPSO彈性效應(yīng)對波浪誘導(dǎo)載荷的影響。采用三維有限元模型計算了結(jié)構(gòu)的干振型。 彈性體假設(shè)下研究了水深對波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)的影響。6種水深下，低頻時(即波長船長比比較大時)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??；而高頻時彈性體假設(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)垂向載荷的長期預(yù)報值均小于剛體假設(shè)下的預(yù)報值；船體的彈性效應(yīng)對波浪誘導(dǎo)垂向載荷的影響比較大，特別是浪向角為0°時，計及彈性效應(yīng)時的波浪誘導(dǎo)垂向載荷降低將近13﹪；而當浪向角為90°時，彈性效應(yīng)對波浪誘導(dǎo)垂向載荷的影響相對較小。7.為了驗證數(shù)值計算方法的可行性，本論文依托上海交通大學海洋

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