详情

原文传递海洋油气装备深水安装数值分析及试验研究

论文题名：	海洋油气装备深水安装数值分析及试验研究
关键词：	海洋油气装备;水下安装过程;动力定位;升沉补偿;安全性
摘要：	全球海洋油气资源勘探开发向深水范围扩展趋势明显，海底设备的下放安装是水下系统研发建设的关键环节。设备重量与安装水深的增加对下放安装技术、载荷控制与定位以及环境适应性提出新的挑战。大型水下生产系统装备（如海底管汇）的安装过程中，设备、缆索与安装船组成耦合系统，环境载荷作用下相互影响，安装系统产生复杂动力响应。因此，进行海底设备深水下放安装研究对保证水下安装过程安全性与经济性等具有重要意义。　　本文利用数值模拟与模型试验对海底设备深水安装的两种方法（钻井立管法与悬垂法）进行安装过程动态分析，研究安装系统各部分响应规律。分别选取半潜式钻井平台、钻井船与三用工作船作为安装船。　　针对钻井立管法安装中锚泊辅助动力定位半潜平台高精度定位问题，在半潜平台水平面三自由度运动控制方程基础上，提出一种基于锚链结构可靠性的半潜平台设定点追踪控制方法。利用锚泊辅助动力定位半潜平台进行水下设备深水安装，采用该方法能够在相同控制参数下有效提高平台定位精度，同时减小系泊线动态张力响应，提高系泊线安全性。　　为研究基于钻井船的钻井立管法安装过程设备运动、升沉补偿效果以及立管动力响应规律，建立考虑动力定位与升沉补偿的浮体/立管/设备数学模型，并进行时域耦合数值分析。研究表明数值模拟中动力定位系统对浮体运动、立管张力和设备运动均有影响，计及动力定位与升沉补偿具有工程实际意义。针对安装系统动力响应影响因素分析计算效率低的问题，根据试验设计并利用RBF神经网络，提出基于神经网络近似模型的浮体/立管/设备动态响应分析方法，在保证计算精度前提下，实现环境载荷对升沉补偿作用与安装系统动态响应影响规律的快速有效分析。　　通过建立计及动力定位与升沉补偿的悬垂法安装系统数值模型，对安装各主要阶段进行时域耦合分析，研究悬垂法安装过程设备下落运动状态、安装缆形态与受力以及安装船运动状态。根据安装船运动、推进器推力、安装缆运动及张力与水下设备轨迹速度等计算结果实现定位过程与补偿作用分析，得到设备悬垂运动与安装缆张力响应规律。在此基础上，通过敏感性分析研究环境、设备、布置对悬垂法安装过程中安装缆与水下设备几个动态响应指标的影响。　　为分析悬垂法安装过程设备运动以及安装缆受力特征进行模型试验研究。根据不同水深悬垂法安装过程设备运动特征相似性，论证试验水深受限情况下模拟实际水深安装过程的可行性。在考虑试验条件对缩尺比限制情况下进行悬垂法安装模型试验以及试验过程数值模拟，并根据水池试验与数值计算结果对比分析，验证悬垂下放数学模型的准确性，为深入研究悬垂法安装过程奠定基础。　　针对水深受限情况下水池试验结果与实际水深设备运动的差异性与关联性问题，通过训练RBF神经网络建立环境参数、初始布置与水下设备及安装缆动态响应的函数关系，对运动或受力曲线的主要控制点进行预测，将模型试验结果进行非线性转换得到实际水深设备运动及安装缆动张力的等效预测结果。通过与文献中全尺寸模型海试试验结果进行对比验证该方法的准确性，解决试验水池深度对悬垂法安装模型试验造成限制的问题。
作者：	朱枭猛
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	孙丽萍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019