深水锚泊系统截断优化设计
油气开采不断向深海拓展，深水及超深水平台渐渐用于实际生产中。基于现有试验水池的尺寸限制，很难采用常规缩尺比进行全水深模型试验。混合模型试验方法是目前使用最广且最为有效的解决此矛盾的方法。如何设计出能很好地替代全水深系统的等效截断系统是其关键。本文以此为目标，基于静力特性相似准则，开发了等效截断优化设计程序，对深水锚泊系统截断设计进行了较深入的研究，通过与全水深系统静力和动力特性结果对比及模型试验验证，校核截断系统设计的可靠性。本文主要从以下几个方面进行了研究。 首先，锚泊系统静力分析理论是开发截断优化设计程序的理论基础，基于多成分悬链线理论及系统静力计算理论编写锚泊系统静力计算程序，利用实例结果验证编写程序的准确性，研究锚泊线的单位长度湿重、轴向刚度、长度等参数对系统静力特性的影响，为后续截断优化设计打好基础。同时，简要论述锚泊系统动态分析理论，为后续章节进行平台及其锚泊系统时域耦合动态响应分析做好理论储备。 其次，以一深水FPSO及其锚泊系统为例，对其进行频域水动力分析和时域耦合分析，为后续与截断系统动力特性对比做好准备。基于频域分析理论，计算FPSO在线性波中的RAOs、波浪载荷、附加质量系数、附加阻尼系数等水动力参数。基于时域耦合计算理论，计算FPSO及其锚泊系统的动态耦合响应。考虑规则波与不规则波两种环境条件，135°与180°两种环境载荷方向，悬链线式和张紧式两种锚泊方式，分别计算得到FPSO纵荡、横荡、首摇等运动响应及各锚泊线受力等参数。 再次，基于静力特性相似准则，保证截断前后系统总水平回复力特性一致和有代表性的锚泊线顶端张力-位移特性一致，采用遗传优化算法，利用MATLAB编写等效截断优化设计程序，实现深水悬链线式和张紧式锚泊系统等效水深截断设计。以深水 FPSO锚泊系统为例，先对1500m水深的悬链线式分别进行只中间钢缆截断和中间钢缆及底端锚链都截断的等效设计，再分别对1500m和3000m水深的张紧式进行中间钢缆截断设计，对比截断前后系统的静力特性差异性大小。结果表明，优化误差均在合理的范围内，截断系统的设计是满足要求的，等效截断优化设计程序是可靠的。 最后，在与全水深相同的环境条件下，分别计算截断系统时域耦合运动响应。比较截断前后FPSO的纵荡、横荡等运动响应值及有代表性的锚泊线顶端张力值时域变化的差异性大小。时域变化结果对比图显示，截断前后系统的动力响应有一定差异，但误差不是很大。依据已有的模型参数和试验数据，对914m的全水深锚泊系统进行460m的等效水深截断设计，对比全水深试验结果与截断前后系统数值计算结果的差异性大小，校核数值计算软件计算结果的准确性及截断系统设计的可靠性。对比结果表明，静力特性吻合很好，但动力特性有一定差异，仍需进行数值重构和数值外推。 综上所述，本文主要进行了等效截断优化设计程序的开发与验证、截断前后系统的静力与动力特性对比，模型试验验证等工作，确保了等效截断优化设计程序的可靠性，为截断设计方面的研究提供了一定的参考。
浮式生产储油卸油装置;深水锚泊系统;等效截断;时域耦合分析;优化设计
哈尔滨工程大学
硕士
流体力学
罗勇
2015
中文
TE88;U653.2
106
2016-05-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）