系泊浮体在浅水波浪中运动响应的计算研究

对于船舶在浅水中的运动和锚泊系统响应问题,使用时域方法计算一艘起重铺管船在浅水无航速系泊状态下在波浪中的运动响应.基于三维频域势流理论,应用SESAM软件计算浮体在规则波中的频域水动力参数及运动响应.通过频域到时域的转换方法,得到浮体在时域中的水动力系数和不规则波的一阶与二阶波浪力.在时域内计算锚链拉力,再耦合数值求解浮体时域运动方程,得到其在不规则波中的运动时历.最后,采用本方法计算铺管驳船在多点系泊状态下,在浅水波浪中的6个自由度的运动响应和锚缆张力,并将计算结果与模型试验进行比较.分析表明本方法能够提供具有工程精度的船舶运动性能预报.     

极浅水单点系泊FPSO低频响应分析

对单点系泊FPSO在极浅水中波浪作用下的低频响应进行频域数值计算与模型试验研究,水深16.7m,入射波有义波高4.1m.计算结果与试验结果符合良好.试验中的波浪校验结果显示,在不规则波浪谱中出现明显的低频成分.由此产生了一阶低频波浪力,其能量谱是通常二阶波浪力谱的近百倍,导致FPSO在极浅水中所受低频波浪力大大增加,并引起极大幅度的共振纵荡运动响应.极浅水时,低频纵荡运动响应主要是一阶的,二阶成分几乎可以忽略,而且与深水相比,由于阻尼和二阶波浪力同时增加,二阶响应变化不大.低频浅水长波和一阶低频波浪力及其诱导大幅运动响应会给极浅水FPSO和系泊系统设计带来严重影响,在水动力性能预报时必须仔细予以考虑.     

极浅水多体波浪能发电装置锚泊系统设计

采用三维势流理论对多体波浪能发电装置进行频域水动力计算,分析极浅水效应和多体间相互作用对单体发电装置的水动力性能的影响。利用Orcaflex软件建立多体波浪能发电装置数值模型,浮体间采用铰接进行连接,并利用弹簧单元模拟发电液压缸的弹性阻尼作用。为极浅水多体波浪能发电装置设计合理的锚泊方案,采用时域动态耦合方法进行分析,同时考虑极浅水效应、多体影响和二阶低频力,根据API规范对自存工况下的锚泊缆强度进行校核,并对确定选用的锚泊方案进行敏感性分析。通过对计算结果进行分析,发现在进行浅水多浮体锚泊设计时,低频波浪载荷、多体相互作用和海底摩擦不可忽视；对于极浅水的锚泊系统设计,Lazy wave 型锚泊形式优于传统悬链线式锚泊。上述研究工作为近海极浅水海域新型海洋能发电装置锚泊系统的设计提供了新的参考和思路。     

超大型FPSO原油质量分布模拟与水弹性响应研究

FPSO在近海油气田开发中得到了越来越广泛的应用.大多数在渤海海域服役的FPSO工作在浅水海域.主尺度大与水深吃水小,直接导致FPSO水动力特性与深水条件下船舶的水动力特性有较大区别,因此采用水弹性理论研究超大型FPSO在浅水中的运动与波浪诱导载荷响应具有重要意义.浅水超大型FPSO满载时原油重量将近占载重量的80%,因此如何正确模拟原油重量分布对干结构的固有频率、广义质量和振型的计算非常重要.本文建立了基于三维水弹性理论的数值模型,开发了有限水深复合格林函数的数值计算程序模块,对一艘300K DWT FPSO在特定水深海况下的运动与波浪载荷响应进行了研究;同时采用三种方法模拟了原油质量分布.计算结果表明,不同的原油质量分布模拟方法对水弹性计算分析影响很大.     

极浅水多体波浪能发电装置锚泊系统设计

采用三维势流理论对多体波浪能发电装置进行频域水动力计算,分析极浅水效应和多体间相互作用对单体发电装置的水动力性能影响。利用Orcaflex软件建立多体波浪能发电装置数值模型,浮体间采用铰接进行连接,并利用弹簧单元模拟发电液压缸的弹性阻尼作用。为极浅水多体波浪能发电装置设计合理的锚泊方案,采用时域动态耦合方法进行分析,同时考虑极浅水效应、多体影响和二阶低频力,根据API规范对自存工况下的锚泊缆强度进行校核,并对确定选用的锚泊方案进行敏感性分析。分析计算结果发现:在进行浅水多浮体锚泊设计时,低频波浪载荷、多体相互作用和海底摩擦不可忽视;对于极浅水的锚泊系统设计,Lazy wave型锚泊形式优于传统悬链线式锚泊。研究工作为近海极浅水海域新型海洋能发电装置锚泊系统的设计提供了参考和新思路。     

锚泊静回复力刚度和阻尼水平对深水浮式平台运动响应的影响

以一座工作水深1500m半潜式平台的悬链线锚泊系统为基准,分别以静回复力刚度和锚泊阻尼为等效原则,设计了四组参照锚泊系统。设计过程中,采用分段外推法计算锚泊的静回复力刚度;利用准静定计算方法,根据锚泊系统由于上部浮体运动而产生的能量耗散原理计算锚泊系统阻尼。在时域范围内分别计算了半潜式平台在以上五组锚泊系统下的运动响应。通过比较分析,总结了静回复力刚度和锚泊系统阻尼水平对半潜式平台低频和波频运动响应的影响。     

大型非自航绞吸挖泥船极限海况单锚系泊设计

基于三维势流理论,对某大型非自航绞吸挖泥船开展频域水动力性能计算,包括运动幅值响应算子和二阶波浪力传递函数等,采用时域耦合数值分析方法计算不同工况下单锚系泊的绞吸挖泥船的纵荡运动响应,得出锚泊线张力随时间变化的规律,依据DNV规范对锚泊线张力时域数据进行统计分析处理,得出锚泊线的最大张力值。结果表明,由于二阶低频波浪力作用引起的船体纵荡运动幅值增大,进而诱导锚泊线张力的增大,对绞吸挖泥船单锚系泊设计带来严重的安全隐患,因此,单锚系泊时需重点考虑二阶低频波浪力的影响。     

作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全水深锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明:浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

作业水深对浮式半潜平台波浪砰击的影响

结合模型试验,基于数值重构和外推的计算模型,采用时域全耦合分析方法,对浮式半潜平台全尺寸锚泊系统以及风、浪、流载荷的联合作用进行模拟,针对动力辅助锚泊定位平台与锚泊定位平台在不同作业水深下的波浪砰击进行对比研究。研究结果表明：浮式半潜平台关注点处波浪砰击次数受作业水深的影响敏感。平台在同等环境工况下,关注点处负气隙以及波浪砰击次数随着作业水深的增加而加剧。动力辅助锚泊定位平台较之于锚泊定位平台的随动性更好,可有效减小平台与水质点的相对运动,作业水深变化引起的动力辅助锚泊定位平台同一关注点的砰击次数、气隙变化以及改善幅值明显优于锚泊定位平台。在平台设计过程中,作业水深对平台气隙和波浪砰击的影响应引起重视。     

深水悬链复合锚泊线疲劳损伤计算

以某座Spar平台的锚泊系统为研究对象,首先利用三维绕射理论计算Spar平台主体波浪力,得到平台的总体运动响应时程。再建立复合锚泊线的二维非线性有限元动力分析模型,基于DelVecchio(1992)提出的经验公式,采用迭代的方法计算复合锚泊线的刚度。锚泊线和海床之间的接触作用基于刚性海床假定,基于Morrison公式计算锚泊线的惯性力和拖曳力荷载,根据计算得到的平台主体运动响应时程作为锚泊线顶端输入条件,在时域范围内进行复合锚泊线的动力分析。计算得到中国南海某海域各短期海况条件下复合锚泊线应力的时间历程曲线,采用雨流法对其计数得到对应于各短期海况条件下的疲劳载荷谱。最后根据Miner线性累积损伤模型,对复合锚泊线在长期海况条件下的疲劳损伤进行比较计算。     

新型干树半潜平台系泊系统的时域耦合分析

我国海洋油气开发正逐步从近海浅水区域不断往远海深水区域发展。随着水深的增加,传统的以锚链为材料,以自重为回复力的悬链线式系泊系统已经不再适用。世界上超深水浮式生产平台基本上都采用张紧式系泊系统,并且中间段采用超轻的聚酯缆材料以降低其施加在平台上的荷载。基于1500米超深水的中国南海环境,开发了一种运动性能良好的新型干树半潜平台。新型平台的系泊系统采用张紧式锚链-聚酯缆-锚链形式。根据平台尺度和环境条件,对系泊系统进行了布置和设计。通过时域耦合方法对系泊系统进行了数值分析,分析结果表明系泊系统强度满足规范和设计要求。     

近岛礁浅水环境下浮式平台系泊系统设计研究

基于有限水深格林函数、Morison公式和时域耦合动力分析方法,以一近岛礁半潜式生产生活平台为研究对象,分析了传统系泊方式(悬链线式和张紧式)和桩柱式系泊方式下平台的运动和系泊系统动力响应。结果表明,通常应用在中深水海域的传统系泊方式,在近岛礁浅水环境下使用时会出现一系列的问题,且进一步优化的空间较小。而文中提出的新型桩柱式系泊系统,很好地解决了传统系泊方式在浅水中存在的问题,且使得船舶的停靠变得更加便利。该文中的分析结果可为平台的水池模型试验和浅水环境下浮式平台系泊系统的进一步设计提供参考。     

系泊系统非线性恢复力研究及其应用(英文)

Mooring system plays an important role in station keeping of floating offshore structures.Coupled analysis on mooring-buoy interactions has been increasingly studied in recent years.At present,chains and wire ropes are widely used in offshore engineering practice.On the basis of mooring line statics,an explicit formulation of single mooring chain/wire rope stiffness coefficients and mooring stiffness matrix of the mooring system were derived in this article,taking into account the horizontal restoring force,vertical restoring force and their coupling terms.The nonlinearity of mooring stiffness was analyzed,and the influences of various parameters,such as material,displacement,pre-tension and water depth,were investigated.Finally some application cases of the mooring stiffness in hydrodynamic calculation were presented.Data shows that this kind of stiffness can reckon in linear and nonlinear forces of mooring system.Also,the stiffness can be used in hydrodynamic analysis to get the eigenfrequency of slow drift motions.     

深水钻井平台定位系统评估

This paper addresses the need for systematic evaluation of the station keeping systems of deepwater drilling semi-submersibles. Based on the selected drilling semi-submersible configuration, the mooring systems were analyzed and designed for a range of water depths using different mooring line materials. These were steel wire rope, polyester rope and HMPE (high modulus poly ethylene). The mooring analysis was carried out using the advanced fully coupled time domain analysis method in the computer software package HARP. Diffraction analysis was first applied to solve the hydrodynamic properties of the vessel and then the motion equations of the complete dynamic system including the drilling rig, the mooring lines and risers were developed and solved in the time domain. Applying the advanced analysis method, a matrix of mooring systems was developed for operating in water depths of 1 000 m, 1 500 m, and 2 000 m using various mooring materials. The development of mooring systems was conducted in accordance with the commonly adopted mooring design code, API RP 2SK and API RP 2SM. Fresh attempts were then made to comparatively evaluate the mooring system’s characteristics and global performance. Useful results have been obtained in terms of mooring materials, water depths, and key parameters of mooring configurations. The results provide in-depth insight for the design and operation of deepwater mooring systems in the South China Sea environment.     

中国南海ASDD深水试验井中的锚泊设计与作业(英文)

Mooring systems play an important role for semi-submersible rigs that drill in deepwater.A detailed analysis was carried out on the mooring of a semi-submersible rig that conducted a trial well drilling at a deepwater location in the South China Sea in 2009.The rig was 30 years old and had a shallow platform with a designed maximum operating water depth of 457 m.Following the mooring analysis,a mooring design was given that requires upgrading of the rig’s original mooring system.The upgrade included several innovations,such as installing eight larger anchors,i.e.replacing the original anchors and inserting an additional 600 m of steel wires with the existing chains.All this was done to enhance the mooring capability of the rig in order for the rig to be held in position to conduct drilling at a water depth of 476 m.The overall duration of the drilling was 50 days and the upgraded mooring system proved to be efficient in achieving the goal of keeping the rig stationary while it was drilling the trial well in the South China Sea.This successful campaign demonstrates that an older semi-submersible rig can take on drilling in deep water after careful design and proper upgrading and modification to the original mooring system.     

适用于渤海湾的新型外转塔单点系泊方案研究

鉴于渤海湾出现的系泊事故,提出一种新型浅水外转塔系泊方案,以水池系泊试验考察该系泊方案的运动和系泊力,并与理论计算进行对比,以验证系统的安全性和可靠性,试验表明浅水外转塔系泊系统设计正确、合理.     

水深截断系泊缆动力特性试验研究

采用Froude相似准则和常规缩尺比在现有试验水池很难对深水系泊缆进行完整模拟.一种可行的方法是对全水深系泊缆进行截断,设计静力和动力特性都与全水深系泊系统等效的水深截断系泊系统.但是如果深水平台的工作水深很大,或者是现有水池的工作水深很浅,就需要对全水深系泊缆进行较大的截断.文章对一工作在15OOm 水深的Cell-Tress Spar平台在现有4m水深的水池进行了模型试验.虽然采用了1:100的模型缩尺比,但是截断因子仍然较大.文中给出了6种水深截断系泊缆方案,主要参数均各不相同.通过单缆模型试验对水深截断系泊缆的动力特性进行了研究,并采用其中2种水深截断系泊缆进行了不规则波模型试验.结果表明,增大直径和单位长度空气中重量可以有效增加水深截断系泊缆的动力响应,合理控制轴向刚度可以保证在整个位移范围内的动力响应变化趋势.因此认为,如果合理地选择了水深截断系泊缆的所有参数,较好模拟全水深系泊缆的动力响应是可能的.     

深水半潜式钻井平台纤维材料系泊方案研究

针对一个工作于墨西哥湾海域1500m水深的半潜式钻井平台,选择polyester PET,polyester PEN和HMPE三种合成纤维材料及不同轴向刚度进行系泊方案设计,考虑系泊线的非线性动态特性和平台与系泊线之间的相互影响,在时域内进行耦合计算分析.并与传统的锚链钢缆组合的悬链线式系泊方式进行比较,发现悬链线方式很难保证平台的活动半径在要求范围之内,而由新型纤维材料组成的张紧式系泊方式则能达到良好的定位效果.经进一步对三种材料系泊系统对平台运动和系泊线受力以及经济性的比较,确定polyester PET最满足此半潜式钻井平台的安全作业要求.     

FPSO单点系泊系统动力截断优化设计

浮体系泊系统在海洋工程水池进行模型试验时，由于水池尺度有限，首先对系泊线进行等效截断设计，是被动式混合模型试验的重要一步。截断设计时，基于细长杆理论，模拟系泊线的非线性动力特性，将计算所得时域内的系泊力转换到频域响应，选择有代表性的频率及响应建立目标函数，结合NSGA II优化算法，确定最优截断系泊参数，计算快速准确。针对一作业水深420m的FPSO单点系泊系统，进行水平截断设计。截断前后系泊系统和单根系泊线的静力特性吻合很好。截断系泊系统在不同环境载荷作用下的总体响应和系泊动力，都与截断前一致。证明了截断设计的合理性和准确性，为后续的模型试验工作打下了基础。