外输系统耦合分析及模型试验方法研究

外输系统耦合分析及模型试验方法研究世界经济的高速发展对石油等自然资源的依赖日益严重,石油已经成为关系到各国的经济安全和可持续发展的关键问题。我国是世界上最大的发展中国家,也是发展最迅速的国家之一,对石油等资源的需求量十分大且进口依存度较高。因此海洋石油资源尤其是深海石油的开发成为支持国家发展的关键,自主开发并积极参与国外海洋油气开采也是我国重大经济战略之一。西非海域是目前世界上海洋油气资源开发的三大热点地区之一,而外输系统作为目前在世界范围得到认可的一种海洋石油开发模式,在西非海域同样得到应用。本文选择西非海域典型石油开发模式中的外输系统为目标,针对目前外输系统研究中存在的问题,进行了外输系统的模型试验方法研究,采用数值模拟和模型试验相结合的方法研究了外输系统在西非涌浪、风浪联合分布环境下的响应特征,并分析了外输系统中结构物之间的运动耦合特性。首先进行了外输系统模型试验方法研究。针对外输系统耦合特性试验中存在的输油管水平跨距过大的问题,提出了大跨距输油管水平截断方法,并根据具体案例对截断方法进行了验证。分析了系泊系统垂向截断前后张力特性差异的来源,在此基础上给出了半张紧式系泊的截断方法以及截断后的参数微调方法。此外针对外输浮筒试验模型质量过小和油轮试验模型质量过大的问题,分别给出了适用于小质量试验模型和适用于大质量模型的模型属性调节方法。研究了外输浮筒水动力的计算方法。准确的计算外输浮筒的水动力是能够合理预测外输系统耦合运动的基础,而目前的难点在于浮筒裙板的黏性载荷模拟。本文设计了碟形单元群组来模拟外输浮筒的裙板作用,采用莫里森单元计算浮筒主体的黏性载荷,在此基础上分别建立了基于细长体理论外输系统模型以及基于辐射/绕射理论的外输浮筒水动力计算模型,并设计了一系列相应的模型试验来对比验证这两种数值模型。分析了西非环境下外输浮筒系统的耦合特性。在验证了外输浮筒水动力模型的基础上,建立了包括输油管和浮筒系泊系统在内的外输系统耦合分析数值模型,采用数值模拟和模型试验相结合的方法分析了西非海域涌浪和风浪作用下外输浮筒与系泊系统和输油管系统的耦合响应特征。研究了浮筒的运动与西非波浪条件之间的关系,此外通过研究系泊线和输油管的顶部张力特性与浮筒运动特征的联系,重点分析了浮筒与系泊系统和输油管之间的耦合关系。研究了单点系泊油轮的平面运动特征。目前的研究大多关注单点系泊油轮在风载荷和流载荷中的响应,本文建立了固定点系泊的穿梭油轮模型,并设计了相应的模型试验对数值模型进行验证,主要分析了单点系泊油轮在波浪条件下的平面运动特征。在此基础上通过模型试验的方法研究了系泊线的长度和刚度以及油轮的压载状态对于其平面运动特征的影响。分析了外输系统在波浪中的耦合特征。在分别验证了外输浮筒系统和穿梭油轮的数值模型的基础上,建立了整个外输系统的数值模型。同样采用了模型试验和数值模拟相结合的方法,分析了西非涌浪和风浪环境下整个外输系统的运动和受力特征。此外通过对比外输浮筒在有无油轮系泊状态下的运动特征,以及油轮系泊在浮筒上和固定点上的运动特性差异,分析了外输浮筒和穿梭油轮在运动上的耦合作用。输油管的疲劳损伤特性是外输系统分析中的关键问题,输油管的边界条件特征导致其疲劳特性不同于常规立管,而目前针对输油管疲劳问题的研究较少。同样以西非深水环境下的外输系统为背景,针对全水深中的输油管展开疲劳特性分析。具体内容包括西非海域不同的波浪条件对输油管疲劳损伤的贡献,水动力参数的敏感性分析以及输油管自身特征对疲劳结果的影响等。通过系统性的分析得到造成输油管疲劳损伤的主要因素,基于参数敏感性分析得出输油管疲劳计算中相关参数的作用规律,为输油管的疲劳分析及设计提供参照。通过外输系统的耦合特性分析发现外输浮筒的运动是导致输油管和系泊线产生高频张力和疲劳损伤的主要因素,因此进一步分析了外输浮筒结构的变化对于其运动特征的影响。首先采用数值模拟的方法分析了浮筒主体尺度