水上软刚臂系泊FPSO动力响应研究

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浮式生产储卸油装置FPSO,现已发展成海上油气开发的重要设施,尤其是浅水及边际油田开发中。目前我国浅水海域有多个软刚臂式FPSO系泊,且国际上还可将软刚臂用于FPSO-LNG的浅水系泊。因此,浅水中的FPSO运动及软刚臂系泊设计也得到一定的重视。  本文基于三维势流理论,考虑单点系泊的风向标效应,在频域范围内分析浅水FPSO分析了纵荡、垂荡、纵摇三个自由度的一阶运动水动力特性,及纵荡一个自由度运动的二阶特性。对比远场法和近场法求解二阶平均漂移力,发现近场法也能达到远场法的计算精度。依次以水深和吃水为变量,研究FPSO的一、二阶浅水响应特性。研究表明,发现FPSO的浅水效应十分明显,不可忽视。此三个自由度的一阶运动参数在低频区对水深和吃水都很敏感。水深变浅,会导致运动峰值向低频靠近,而加剧浮体的运动。采用全QTF法计算二阶差频波浪力,在低频区,水深对差频传递函数影响非常明显。吃水对二阶平均传递函数的影响和作业水深有关。  利用准静力法分析软刚臂系泊系统的静刚度特性,根据静力和力矩平衡,自编程序,对比双箱式与双瓶式两者的水平静刚度特性。研究表明,同尺寸的情况下,不论远离还是靠近状态,箱式的静刚度都大于瓶式的静刚度。分析主要系泊结构尺寸对水平静刚度的影响,包括系泊腿长度、yoke压载水重量、yoke的长度及系泊腿与系泊单点之间的高度差四个参数。发现系泊腿长度是影响最大的,其次是yoke长度。这两者一旦在初步设计中确定,就几乎不再修改。而压载水重量和系泊腿与系泊单点之间的高度差在后期可不断调节的。故此计算为初步设计提供参考。结合FPSO的频域结果,利用准静力法,分析水深和吃水对系统运动及水平系泊力的影响。研究表明,低频纵荡位移是浅水下,定常偏移外运动的主要部分,甚至可能与定常偏移量数值相近。  基于Kane多体动力法,以环境载荷和系统的部分参数为变量,采用时域方法分析此单点系统的水平系泊力的变化规律。研究表明,风、浪、流共线时,船体受力较小,而当流与船首有一定夹角时,水平系泊力会明显增大。水深减小、有义波高增加、谱峰周期增加,会造成系泊腿和系泊单点处的水平系泊力的增大。风、浪、流不共线的情况下,受力增大的趋势更明显。yoke压载水重量、潮水变化及船舶吃水对系统的受力有不同程度的影响,这些变化规律可用于FPSO重复使用过程中的微调。通过对比准静力法和动态耦合法下,水平系泊力及纵荡各位移量的结果,为初步设计软刚臂提供一定的参考。
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