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原文传递深水FPSO及其外输系统耦合水动力性能研究

论文题名：	深水FPSO及其外输系统耦合水动力性能研究
关键词：	水上浮筒;多点系泊;波浪冲击;流体力学
摘要：	油气资源依然是人类未来发展的重要战略资源，海洋石油特别是深水石油成为弥补油气供需缺口的重要领域，在未来海洋油气尤其是深水油气产能将成为全球能源的重要接替区域。我国经济的持续高速发展也离不开能源的支撑，自上个世纪起就已开始关注深水油气开发，通过自主研发并参与国外深水油气田开发是我国重大的经济战略之一。在此背景之下，本文对西非深水油气开发工程中的FPSO及其外输系统进行了一系列的研究分析，结合了理论研究、数值计算及模型试验等三种方法着重探讨了外输系统在西非特殊海况条件下的水动力性能。整个外输系统包括了FPSO、外输浮筒、管线（统称，本文指代系泊缆索和外输油管线）等主要构成部分，在外载荷的推动下，各个构件间存在复杂的耦合作用，准确预报整个外输系统的总体水动力性能是本文待以解决的关键问题。　　本文基于三维势流理论，采用间接时域法推导并完成了计算浮体时域运动响应算法，基于集中质量法，推导并完成了计算管线动态张力特征算法。通过FORTRAN语言实现算法，在验证上述算法正确的基础上，针对浮体与管线的耦合效应，从受力平衡的角度出发，推导并完成了考虑浮体/管线耦合作用的时域运动响应算法，同时将程序计算所得值与相应的模型试验结果进行了对比，以验证所编程序的合理有效性。FPSO及其外输系统模型试验是在哈尔滨工程大学深水试验池进行的，由于试验水池的水深无法达到全尺寸模拟FPSO系泊系统的条件，需要对其系泊系统在垂直方向进行等效截断设计，本文提出了具体的截断方案及相关计算公式，通过对比截断前后系泊系统的静态及动态特征来验证等效截断设计方案的合理有效性。在上述研究的基础上，从随机波、涌浪、飓风、流等西非特殊环境载荷及相关因素着手，逐步深入的开展研究，并结合模型试验结果，得到了FPSO及其外输系统在西非海况下的运动响应规律。同时，还研究了特征波高、浪向角、谱峰周期等参数的改变对整个外输系统的影响，总结了浮体运动响应及管线张力变化的一般性规律，为我国将来在南海深水油气田的开发提供基础数据，具有一定的参考价值。另外，因外输管线跨距长，在复杂的海洋环境载荷作用下极易发生涡激振动现象，从而引起管线的疲劳破坏，本文考虑了外输管线的涡激振动影响，求解了在不同海况和浪向角下FPSO与外输浮筒的总体运动响应及外输管线的张力、疲劳损伤值，归纳并总结了管线涡激振动现象对整个FPSO外输系统总体性能的影响。计算结果表明了管线的涡激振动效应对其自身的疲劳寿命起到主导性作用，而对FPSO及外输浮筒的运动响应和系缆张力的影响较小。除此之外，本文还从外输管线与自由液面存在出/入水的角度出发，区别考虑了在自由液面上端和下端部分的管线受力，计算了整个外输系统在风浪流联合作用下的动态响应，结果表明考虑了外输管线出/入水现象有助于提高管线张力值的计算精度。
作者：	钱佳煜
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	宋儒鑫
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文