一種新型海洋裝備概念設(shè)計中的動力學(xué)問題研究.pdf

1、隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嗉哟?，向深海進(jìn)軍已成為海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展方向。中國擁有廣闊的海洋面積，在東南沿海的深海海域，已探明海底蘊含著豐富的海洋石油天然氣資源。目前，我國已基本掌握了淺海石油的開發(fā)技術(shù)，而對水深超過500m以上的深海油氣田的勘探開發(fā)技術(shù)還比較落后，因此突破深海石油開發(fā)裝備的關(guān)鍵技術(shù)成為決定我國能否成功進(jìn)軍深海的決定性因素。浮式鉆井生產(chǎn)儲卸裝置(Floating DrillingProduction Storage

2、and Offloading system，簡稱FDPSO)是一種新型的海洋開發(fā)裝備，適應(yīng)于深遠(yuǎn)海及邊際油田的開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來成為海洋工程界關(guān)注的一個熱點。
　　FDPSO是在已有開發(fā)裝備的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它同時包含了典型浮式鉆井裝置（如張力腿平臺，立柱式平臺及半潛式平臺等）和浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)兩套系統(tǒng)的功能，具有更高的經(jīng)濟(jì)性。不同作業(yè)功能對浮體的水動力性能要求不盡相同，鉆井作業(yè)時對浮體水動力性能要求較

3、高，因此現(xiàn)有的浮式鉆井裝置的主體結(jié)構(gòu)多由圓柱筒狀，桁架及沉箱等組合而成來減小浮體的受力面積，減小其運動范圍;而完成對原油的儲卸則需要較大的存儲空間，因此FPSO多為大型船型浮體，船型浮體受力面積大，運動性能則較差。可見，F(xiàn)DPSO要同時滿足所有的作業(yè)要求，就必須對其性能進(jìn)行總體設(shè)計，不能僅對原有裝置進(jìn)行簡單組合。目前由于這種新型裝備尚處于概念設(shè)計階段，沒有固定的結(jié)構(gòu)形式，也沒有設(shè)計的指導(dǎo)規(guī)范，建造經(jīng)驗更加匱乏，國內(nèi)外研究機構(gòu)正在積極開展

4、相關(guān)的研究工作，促進(jìn)其從概念走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。本文根據(jù)SBM公司(Single Buoy Moorings Inc.)提出的一種新型FDPSO的概念，圍繞設(shè)計中涉及的整體布置，船體的水動力性能，特別是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)TLD(Tension Leg Deck)的動力學(xué)問題，進(jìn)行了如下研究工作:
　　(1)闡述FDPSO-TLD概念的基本原理，給出了船體及張力甲板系統(tǒng)的基本布置，并基于勢流理論對船體的水動力性能進(jìn)行分析，討論了月池尺寸對船體

5、水動力性能的影響，研究了在船體底部增加擋板改善船體水動力性能的效果。
　　(2)建立了船體和TLD系統(tǒng)的垂蕩運動頻域耦合模型，分析了船體和TLD系統(tǒng)的弱耦合特征;設(shè)計了TLD系統(tǒng)的中尺度室內(nèi)模型仿真平臺，利用半物理仿真實驗技術(shù)對TLD系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行了實驗研究，利用該理論模型對南海海況進(jìn)行仿真分析，驗證了其設(shè)計的升沉補償作用，但浪向角對響應(yīng)影響較大，應(yīng)用中需避免橫浪工況。
　　(3)采用Euler-Bernoulli梁模型

6、對TLD系統(tǒng)中的立管進(jìn)行模擬，采用微分變換的方法解決了立管在役和自由懸掛兩種狀態(tài)下的模態(tài)的求解問題。該方法可以考慮截面性質(zhì)及軸向張力為空間變量，其控制方程為變系數(shù)四階偏微分方程的情況，簡單易行。通過算例驗證了本方法的有效性;并考察了該數(shù)值算法的收斂速度;分析了立管主要參數(shù)變化對頻率及振型的影響;結(jié)合工程實際考察了立管起下水作業(yè)時在飛濺區(qū)易發(fā)生共振的水深區(qū)域。
　　(4)基于TLD系統(tǒng)的簡化模型，提出了隨機波浪和參數(shù)激勵共同作用時，

7、TLD系統(tǒng)中立管振動的頻域求解方法。考慮立管軸向的參數(shù)激勵作用時，其控制方程為一個周期時變系統(tǒng)，無法采用傳統(tǒng)頻域方法進(jìn)行求解。本文結(jié)合虛擬激勵法對這種周期時變系統(tǒng)進(jìn)行頻域求解，并通過Floquet理論對穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行了分析。通過與Monte-Carlo非線性時域模擬對比驗證了本文方法的正確性和高效性;研究了參數(shù)激勵和隨機波浪作用下立管的響應(yīng)規(guī)律。
　　(5)采用尾流振子模型對海流可能引起的立管渦激振動進(jìn)行了預(yù)報，研究了參數(shù)激勵對渦激

8、振動的影響。分析表明參數(shù)激勵對渦激振動有重要影響，當(dāng)參數(shù)激勵的升沉幅值和頻率較小時，參數(shù)激勵可加大渦激振動的響應(yīng)，并影響響應(yīng)的頻率成分，出現(xiàn)參數(shù)激勵頻率與渦激頻率之間的和頻和差頻;當(dāng)參數(shù)激勵中升沉幅值和頻率的較大時，立管的響應(yīng)以參數(shù)激勵主導(dǎo)，擾亂了漩渦脫落的形成，響應(yīng)較之單純渦激振動作用時增大了數(shù)倍，降低了立管的疲勞壽命。
　　(6)為避免由于FDPSO-TLD外部配重的運動引起立管軸向張力變化而導(dǎo)致的參數(shù)共振，提出了在船體上安裝