本文關(guān)鍵詞：新概念沙漏型FDPSO主浮體和系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

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【摘要】：隨著海洋油氣開發(fā)持續(xù)向深水推進(jìn),浮式海洋平臺(tái)作為深海開發(fā)最為基礎(chǔ)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(diǎn)。目前,全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的各類浮式海洋平臺(tái),如張力腿平臺(tái)(Tension-Leg Platform, TLP)、半潛式平臺(tái)(Semi-Submersible)和Spar平臺(tái)等,均存在著明顯的不足。TLP平臺(tái)張力鍵的自重隨水深增加而急劇增大,半潛式平臺(tái)和Spar平臺(tái)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類型的平臺(tái)在深海環(huán)境下的應(yīng)用。因此,近年來浮式海洋平臺(tái)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(shí)例,浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)(Floating Production Storage and Offloading system, FPSO)和浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)(Floating Drilling Production Storage and Offloading system, FDPSO)等概念越發(fā)受到青睞。本文的主要工作是在對(duì)各類深水浮式平臺(tái)的性能進(jìn)行分析、總結(jié)的基礎(chǔ)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(chǔ)上完成了一種新型FDPSO的外形初步設(shè)計(jì),使其在保持傳統(tǒng)船型和圓筒形FDPSO優(yōu)勢的同時(shí)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(gè)方面：針對(duì)新型對(duì)接圓臺(tái)狀沙漏型的浮式主體,采用水動(dòng)力分析軟件AQWA研究了浮式主體的水動(dòng)力性能。定性分析了下傾角、水線面半徑和排水體積對(duì)于浮體所受波浪載荷和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator, RAO)的影響。進(jìn)一步,分析了浮體粘性阻尼和非線性回復(fù)剛度對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的作用。采用勢流理論和工程近似方法推導(dǎo)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(dá)式,進(jìn)而推導(dǎo)出垂蕩運(yùn)動(dòng)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(jì)算公式,概括出需要遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并制定出沙漏型浮體外形的設(shè)計(jì)方案。依據(jù)此方案設(shè)計(jì)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(Sevan Marine公司提出)和八角形浮體(中國海洋石油總公司提出)進(jìn)行比較。通過比較穩(wěn)性、浮體垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)能夠顯著提高平臺(tái)的穩(wěn)性和各項(xiàng)水動(dòng)力性能。為了更好地驗(yàn)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(jìn)而論證沙漏型浮式平臺(tái)主浮體設(shè)計(jì)原則和方案的可行性,進(jìn)行了物理模型水池試驗(yàn)。試驗(yàn)主要針對(duì)沙漏型浮體的水動(dòng)力性能,如縱(橫)搖運(yùn)動(dòng)周期,粘性阻尼系數(shù),運(yùn)動(dòng)RAO,不規(guī)則波作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等。試驗(yàn)觀測結(jié)果驗(yàn)證了沙漏型浮式平臺(tái)的性能優(yōu)勢,并且為后續(xù)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上,分析月池形狀和尺寸對(duì)沙漏型浮體水動(dòng)力性能的影響,制定了沙漏型FDPSO浮體外形參數(shù)設(shè)計(jì)方案,通過對(duì)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(yùn)動(dòng)性能,確定了沙漏型FDPSO的性能優(yōu)勢。此外,進(jìn)一步研究了初始重心位置和慣性矩對(duì)平臺(tái)水動(dòng)力性能的影響,為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)原則。配合沙漏型新概念浮式平臺(tái),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(fēng)流載荷系數(shù)、系泊纜拖曳力系數(shù)、系泊纜懸掛點(diǎn)和懸掛角度等對(duì)系泊性能的影響。依據(jù)規(guī)范要求,對(duì)所設(shè)計(jì)的繃緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度和限位性能的校核。針對(duì)疲勞分析,在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上,將纖維纜的動(dòng)剛度特性引入疲勞損傷預(yù)報(bào)中。最終,給出了具有工程實(shí)際意義的指導(dǎo)性結(jié)論,為沙漏型新概念FDPSO提供了經(jīng)濟(jì)可靠的深海系泊方案。
【關(guān)鍵詞】：沙漏型浮式平臺(tái) 對(duì)接圓臺(tái)狀FDPSO 穩(wěn)性 水動(dòng)力性能 甲板上浪 粘性阻尼 主浮體設(shè)計(jì)方案 水池試驗(yàn) 繃緊式系泊 纖維纜 動(dòng)剛度 疲勞分析
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U674.38
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-25
• 主要符號(hào)表25-29
• 1 緒論29-53
• 1.1 海洋油氣資源開采的發(fā)展趨勢29-31
• 1.2 深水浮式平臺(tái)的總體介紹31-42
• 1.2.1 半潛式平臺(tái)32-33
• 1.2.2 張力腿平臺(tái)33-35
• 1.2.3 Spar平臺(tái)35-37
• 1.2.4 FPSO37-39
• 1.2.5 FDPSO39-41
• 1.2.6 深水浮式平臺(tái)的性能對(duì)比41-42
• 1.3 傳統(tǒng)船型FPSO/FDPSO的性能局限42-44
• 1.4 新概念FPSO/FDPSO的研究進(jìn)展44-51
• 1.4.1 Sevan系列浮式平臺(tái)45-46
• 1.4.2 SSP系列浮式平臺(tái)46-48
• 1.4.3 MPSO圓柱型浮式平臺(tái)48-49
• 1.4.4 半潛式FDPSO49
• 1.4.5 八角形浮式平臺(tái)49-50
• 1.4.6 倒棱臺(tái)形破冰型浮式平臺(tái)50-51
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容51-53
• 2 新概念沙漏型FDPSO的概念設(shè)計(jì)53-68
• 2.1 新概念FDPSO的設(shè)計(jì)思路53-57
• 2.1.1 浮式平臺(tái)螺旋交互式設(shè)計(jì)53-56
• 2.1.2 新概念浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)參考規(guī)范56-57
• 2.2 新概念沙漏型浮式結(jié)構(gòu)物概念57-62
• 2.3 新型對(duì)接圓臺(tái)狀沙漏型FDPSO概念設(shè)計(jì)62-67
• 2.4 本章小結(jié)67-68
• 3 沙漏型浮式平臺(tái)主浮體的設(shè)計(jì)方法和性能分析68-113
• 3.1 沙漏型浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能分析68-84
• 3.1.1 外形參數(shù)的選取68-69
• 3.1.2 外形參數(shù)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能的影響69-84
• 3.2 基于浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的設(shè)計(jì)原則84-101
• 3.2.1 粘性阻尼和非線性剛度對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響分析85-89
• 3.2.2 垂蕩入射波浪力89-91
• 3.2.3 垂蕩繞射波浪力91-94
• 3.2.4 垂蕩附加質(zhì)量94-96
• 3.2.5 垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子96-100
• 3.2.6 基于垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的主浮體外形設(shè)計(jì)原則100-101
• 3.3 基于浮體穩(wěn)性的設(shè)計(jì)原則101-104
• 3.3.1 浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)101-102
• 3.3.2 基于初穩(wěn)性的浮體外形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則102-104
• 3.4 新概念沙漏型浮式平臺(tái)外形設(shè)計(jì)方案104-112
• 3.4.1 海域環(huán)境條件106-107
• 3.4.2 數(shù)值計(jì)算模型107-108
• 3.4.3 垂蕩和縱橫搖運(yùn)動(dòng)性能分析108-110
• 3.4.4 耐波性分析110-111
• 3.4.5 穩(wěn)性分析111-112
• 3.5 本章小結(jié)112-113
• 4 沙漏型浮體水池試驗(yàn)113-142
• 4.1 試驗(yàn)設(shè)施113-116
• 4.1.1 試驗(yàn)水池及造波系統(tǒng)113
• 4.1.2 測量儀器113-116
• 4.2 試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)內(nèi)容116-117
• 4.2.1 自由衰減試驗(yàn)116
• 4.2.2 規(guī)則波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)116
• 4.2.3 不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)116-117
• 4.3 模型試驗(yàn)基本理論117-120
• 4.3.1 坐標(biāo)系定義117-118
• 4.3.2 相似理論118
• 4.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)118-120
• 4.4 模型參數(shù)及布置120-123
• 4.4.1 模型參數(shù)120-122
• 4.4.2 試驗(yàn)布置122-123
• 4.5 波浪載荷123-125
• 4.5.1 規(guī)則波123-124
• 4.5.2 不規(guī)則波124-125
• 4.6 數(shù)據(jù)測量與分析125-141
• 4.6.1 自由衰減試驗(yàn)125-127
• 4.6.2 規(guī)則波試驗(yàn)127-129
• 4.6.3 不規(guī)則波試驗(yàn)129-141
• 4.7 本章小結(jié)141-142
• 5 沙漏型FDPSO主浮體設(shè)計(jì)方法和性能分析142-164
• 5.1 月池對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)性能的影響142-149
• 5.2 沙漏型FDPSO主浮體外形設(shè)計(jì)149-151
• 5.3 沙漏型浮體運(yùn)動(dòng)性能分析151-158
• 5.3.1 沙漏型浮體與船型FPSO的性能比152-155
• 5.3.2 沙漏型浮體與圓筒形和半潛式浮體的性能對(duì)比155-158
• 5.4 重心位置對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)性能的影響158-160
• 5.5 質(zhì)量慣性矩對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)性能的影響160-163
• 5.6 本章小結(jié)163-164
• 6 沙漏型FDPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析164-198
• 6.1 深海系泊系統(tǒng)發(fā)展概況164
• 6.2 系泊系統(tǒng)基本參數(shù)164-165
• 6.3 浮式平臺(tái)深水系泊系統(tǒng)的計(jì)算方法165-170
• 6.3.1 深水浮式結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)方程165-166
• 6.3.2 浮體的低頻縱蕩運(yùn)動(dòng)阻尼計(jì)算166-167
• 6.3.3 浮體所受風(fēng)、流載荷系數(shù)求解167-170
• 6.4 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)分析170-180
• 6.4.1 系泊纜拖曳力系數(shù)對(duì)系泊性能的影響171
• 6.4.2 懸掛點(diǎn)和懸掛角度的設(shè)計(jì)原則171-174
• 6.4.3 懸掛點(diǎn)位置和角度的算例驗(yàn)證174-177
• 6.4.4 系泊纜分組布置方案的性能對(duì)比177-180
• 6.5 沙漏型浮體深水系泊系統(tǒng)強(qiáng)度和限位性能校核180-183
• 6.5.1 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)校核規(guī)范概述180-181
• 6.5.2 繃緊式系泊性能規(guī)范校核181-182
• 6.5.3 繃緊式系泊性能時(shí)域校核182-183
• 6.6 系泊系統(tǒng)的疲勞性能183-197
• 6.6.1 疲勞損傷分析及計(jì)算流程184-186
• 6.6.2 合成纖維系纜的動(dòng)剛度特性186-191
• 6.6.3 疲勞損傷算例分析191-197
• 6.7 本章小結(jié)197-198
• 7 結(jié)論與展望198-201
• 7.1 全文總結(jié)198-199
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要199
• 7.3 研究展望199-201
• 參考文獻(xiàn)201-209
• 附錄A 南海S4海域波浪雙變量散布圖209-210
• 附錄B 南海S4海域波浪散布圖的離散海況210-211
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果211-213
• 致謝213-215
• 作者簡介215-216
• 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書216

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本文編號(hào)：1119864