多点系泊FPSO旁靠外输多浮体系统水动力研究

多点系泊FPSO旁靠外输多浮体系统水动力研究随着工业技术的发展,国民对石油天然气等资源的需求与日俱增,伴随着陆地资源的快速消耗殆尽,石油天然气资源的开发逐渐转向深海大洋。尽管目前我国的原油进口依存程度很高,但是我国海域的油气储藏量也十分巨大,因此加强海上装备的自主研发能力是我国的当务之急。在近20年间,FPSO已经在逐渐成为海洋油气田开采的主流方式。由于FPSO不同于普通航运船舶,其长期系泊于海洋之中。因此,海洋石油天然气的外输称为一项必不可少的工作。在外输作业中,会产生吃水的实时变化和船体间相互作用,导致船舶的水动力性能发生改变,作业危险程度提升。因此,FPSO旁靠外输水动力性能是一项十分有意义的课题。本文以一艘工作于中国南海域的15万吨级FPSO和一艘10万吨级的穿梭油轮为研究对象,研究水深为200m。首先研究了FPSO满载状态水动力性能,同时开展了FPSO及穿梭油轮旁靠系统水动力性能研究并做出对比;开展水池中静水衰减,规则波和不规则波实验,验证数值模拟结果的正确性;研究FPSO及穿梭油轮单独漂浮状态的风载荷和流载荷特性,同时开展两船旁靠状态下各自的风载荷和流载荷研究,并相互对比;最后开展FPSO及穿梭油轮旁靠系统的时域分析,考虑在南海海况下外输作业的安全性,并对多点系泊系统和旁靠定位系统的优化研究。具体内容如下:(1)为了研究FPSO与穿梭油轮间水动力性能的相互影响,分析了满载FPSO单独漂浮时以及FPSO与穿梭油轮旁靠时不同船体吃水深度,不同旁靠间距尺寸时附加质量和辐射阻尼RAO以及波浪力的变化趋势。研究表明旁靠穿梭油轮的存在对FPSO水动力性能产生了显著影响。集中体现在,使FPSO在受到迎浪时产生横向波浪力和运动响应。吃水深度的变化同样会对船体水动力性能产生较大影响。其中穿梭油轮在压载状态下横摇响应会0.75rad/s附近发生大幅度上升,而在满载状态下响应程度较低。随着旁靠距离的靠近,船体横向载荷和运动响应幅度会有所增加。(2)为了验证FPSO与穿梭油轮旁靠系统水动力性能研究的正确性,开展了水池实验研究。由于水池深度的限制,进行了水深方向的系泊缆截断设计。进行了穿梭油轮的静水衰减实验,FPSO的静水衰减和多点系泊状态下的静水衰减实验。获得了故有周期和衰减系数等重要参数。进行了FPSO及穿梭油轮水平顺应式系泊旁靠状态下的规则波实验,获得了幅值响应算子。进行了南海海况下的不规则波实验,获得了多点系泊FPSO及旁靠系泊定位穿梭油轮的运动时域响应曲线和系泊缆张力时域曲线。(3)目前关于船体风载荷和流载荷的研究,基本可以依据亦有的经验公式。但是,由于FPSO与穿梭油轮对风场和流场的干扰,原有的经验公式准确性受到了影响。因此建立了FPSO与穿梭油轮的旁靠风场流场模型,进行风载荷和流载荷的研究。研究考虑了流速,吃水和旁靠间距的影响,并将流载荷随流速的变化曲线与FPSO及穿梭油轮单独漂浮时的曲线做出对比。发现虽然由于船体对流场产生复杂的影响,但是流载荷依然与流速平方成正比。同时发现,流载荷对吃水变化极其敏感,部分情况下会出现流载荷向反方向转变的现象。风载荷的变化规律与流载荷较为相似。(4)按照实验模型的多点系泊定位方式和旁靠系泊系统建立了时域分析模型,并按照实验环境工况进行了三个小时的时域分析计算。结果在纵荡,横荡和艏摇方向的运动响应存在一定偏差,横摇,纵摇和垂荡方向的运动响应吻合较好。同时,所采集多点系泊系统系泊缆和旁靠系泊系统旁靠缆缆的张力均在一定程度上大于实验测量值,但趋势具有一定吻合性。同时,采用时域分析的方法进行了FPSO的多点系泊系统和旁靠系泊系统旁靠缆的优化分析,发现采用传统的三段式锚链在200m水深的条件下并非多点系泊的最优选择,而采用钢缆-船链的两段系泊缆会产生更好的效果。下锚点位置的选择同样会对多点系泊的效果产生较大影响。研究发现,系泊缆与FPSO中纵剖面成60