深水FPSO及其外輸系統(tǒng)耦合水動力性能研究.pdf

1、油氣資源依然是人類未來發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，海洋石油特別是深水石油成為彌補油氣供需缺口的重要領域，在未來海洋油氣尤其是深水油氣產(chǎn)能將成為全球能源的重要接替區(qū)域。我國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展也離不開能源的支撐，自上個世紀起就已開始關注深水油氣開發(fā)，通過自主研發(fā)并參與國外深水油氣田開發(fā)是我國重大的經(jīng)濟戰(zhàn)略之一。在此背景之下，本文對西非深水油氣開發(fā)工程中的FPSO及其外輸系統(tǒng)進行了一系列的研究分析，結合了理論研究、數(shù)值計算及模型試驗等三種方法著重探討

2、了外輸系統(tǒng)在西非特殊海況條件下的水動力性能。整個外輸系統(tǒng)包括了FPSO、外輸浮筒、管線（統(tǒng)稱，本文指代系泊纜索和外輸油管線）等主要構成部分，在外載荷的推動下，各個構件間存在復雜的耦合作用，準確預報整個外輸系統(tǒng)的總體水動力性能是本文待以解決的關鍵問題。
　　本文基于三維勢流理論，采用間接時域法推導并完成了計算浮體時域運動響應算法，基于集中質量法，推導并完成了計算管線動態(tài)張力特征算法。通過FORTRAN語言實現(xiàn)算法，在驗證上述算法正確

3、的基礎上，針對浮體與管線的耦合效應，從受力平衡的角度出發(fā)，推導并完成了考慮浮體/管線耦合作用的時域運動響應算法，同時將程序計算所得值與相應的模型試驗結果進行了對比，以驗證所編程序的合理有效性。FPSO及其外輸系統(tǒng)模型試驗是在哈爾濱工程大學深水試驗池進行的，由于試驗水池的水深無法達到全尺寸模擬FPSO系泊系統(tǒng)的條件，需要對其系泊系統(tǒng)在垂直方向進行等效截斷設計，本文提出了具體的截斷方案及相關計算公式，通過對比截斷前后系泊系統(tǒng)的靜態(tài)及動態(tài)特征

4、來驗證等效截斷設計方案的合理有效性。在上述研究的基礎上，從隨機波、涌浪、颶風、流等西非特殊環(huán)境載荷及相關因素著手，逐步深入的開展研究，并結合模型試驗結果，得到了FPSO及其外輸系統(tǒng)在西非海況下的運動響應規(guī)律。同時，還研究了特征波高、浪向角、譜峰周期等參數(shù)的改變對整個外輸系統(tǒng)的影響，總結了浮體運動響應及管線張力變化的一般性規(guī)律，為我國將來在南海深水油氣田的開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)，具有一定的參考價值。另外，因外輸管線跨距長，在復雜的海洋環(huán)境載荷作

5、用下極易發(fā)生渦激振動現(xiàn)象，從而引起管線的疲勞破壞，本文考慮了外輸管線的渦激振動影響，求解了在不同海況和浪向角下FPSO與外輸浮筒的總體運動響應及外輸管線的張力、疲勞損傷值，歸納并總結了管線渦激振動現(xiàn)象對整個FPSO外輸系統(tǒng)總體性能的影響。計算結果表明了管線的渦激振動效應對其自身的疲勞壽命起到主導性作用，而對FPSO及外輸浮筒的運動響應和系纜張力的影響較小。除此之外，本文還從外輸管線與自由液面存在出/入水的角度出發(fā)，區(qū)別考慮了在自由液面上