深水FPSO及其外輸系統(tǒng)耦合水動(dòng)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(bǔ)油氣供需缺口的重要領(lǐng)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(jì)的持續(xù)高速發(fā)展也離不開能源的支撐，自上個(gè)世紀(jì)起就已開始關(guān)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(jì)戰(zhàn)略之一。在此背景之下，本文對(duì)西非深水油氣開發(fā)工程中的FPSO及其外輸系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的研究分析，結(jié)合了理論研究、數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)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(dòng)力性能。整個(gè)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(gòu)成部分，在外載荷的推動(dòng)下，各個(gè)構(gòu)件間存在復(fù)雜的耦合作用，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)整個(gè)外輸系統(tǒng)的總體水動(dòng)力性能是本文待以解決的關(guān)鍵問題。
　　本文基于三維勢(shì)流理論，采用間接時(shí)域法推導(dǎo)并完成了計(jì)算浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算法，基于集中質(zhì)量法，推導(dǎo)并完成了計(jì)算管線動(dòng)態(tài)張力特征算法。通過FORTRAN語言實(shí)現(xiàn)算法，在驗(yàn)證上述算法正確

3、的基礎(chǔ)上，針對(duì)浮體與管線的耦合效應(yīng)，從受力平衡的角度出發(fā)，推導(dǎo)并完成了考慮浮體/管線耦合作用的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)算法，同時(shí)將程序計(jì)算所得值與相應(yīng)的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證所編程序的合理有效性。FPSO及其外輸系統(tǒng)模型試驗(yàn)是在哈爾濱工程大學(xué)深水試驗(yàn)池進(jìn)行的，由于試驗(yàn)水池的水深無法達(dá)到全尺寸模擬FPSO系泊系統(tǒng)的條件，需要對(duì)其系泊系統(tǒng)在垂直方向進(jìn)行等效截?cái)嘣O(shè)計(jì)，本文提出了具體的截?cái)喾桨讣跋嚓P(guān)計(jì)算公式，通過對(duì)比截?cái)嗲昂笙挡聪到y(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特征

4、來驗(yàn)證等效截?cái)嘣O(shè)計(jì)方案的合理有效性。在上述研究的基礎(chǔ)上，從隨機(jī)波、涌浪、颶風(fēng)、流等西非特殊環(huán)境載荷及相關(guān)因素著手，逐步深入的開展研究，并結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，得到了FPSO及其外輸系統(tǒng)在西非海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。同時(shí)，還研究了特征波高、浪向角、譜峰周期等參數(shù)的改變對(duì)整個(gè)外輸系統(tǒng)的影響，總結(jié)了浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(chǔ)數(shù)據(jù)，具有一定的參考價(jià)值。另外，因外輸管線跨距長，在復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷作

5、用下極易發(fā)生渦激振動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)及外輸管線的張力、疲勞損傷值，歸納并總結(jié)了管線渦激振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)整個(gè)FPSO外輸系統(tǒng)總體性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明了管線的渦激振動(dòng)效應(yīng)對(duì)其自身的疲勞壽命起到主導(dǎo)性作用，而對(duì)FPSO及外輸浮筒的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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