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关于2015年第34届美国机械工程师学会 (ASME)（American Society of Mechanical Engineers）]就海洋，近海力学和北极工程国际会议的有关记录

OMAE {Offchore Mechanics and Arctic Engineering (Symposium) 近海力学和北极工程会议;}2015

2015.3.31-5.5加拿大.纽芬兰 St. Johns,

OMAE2015-41514

关于墨西哥湾深水地区FPSO的水动力实验研究

Jaime Torres Lopez 1, 2英国纽卡斯尔大学

Longbin Tao纽卡斯尔大学海洋科学与技术学

英国纽卡斯尔,NE1 7

Zhiqiang Hu海洋工程国家重点实验室,

上海交通大学

上海,200030,中国

海洋科学与技术学院

Cd.德尔卡门,坎佩切,21440,墨西哥

Longfei Xiao

上海交通大学

海洋工程国家重点实验室,

上海,200030,中国

摘要

通过比例模型测试FPSO以及其系泊绳、深水立管和超深水安装网络的方法被认为是研究完整系统复杂水动力行为最为可靠的方法,它可以模拟出最为接近真实状态的环境以及整个浮式生产系统关于波浪、水流和风共同作用的综合水动力影响。目前，最好的技术选择是一套组合系统，它由一个合适的FPSO比例模型和一个适当水平的关于系泊绳和立管的混合被动截断实验方法得到的的截断组成。这是为了最大限度地减少模型的各种不确定性行为以及研究完整的浮动系统的水动力学行为，从而验证在深水和超深水地区安装的原型系统的数值设计。本文研究的关于普遍环境下的特定FPSO的全球响应，基于在墨西哥湾1000米的特定深水环境下关于系泊绳和立管的混合被动截断实验方法而得到的。实验的主要目的是研究FPSO的非线性效应及其系泊线，并为后续的原型设计提供可靠的实验数据。几个案例的研究已经开始进行。FPSO在满载和压载工况下的全球响应以及静态和动态负载下的截断系泊线的张力负荷组件的研究都是为了满足共线和非共线极状况下的极端风暴环境条件。实验结果表明：FPSO（浪涌）的主水平面运动响应在非共线加载条件下几乎是共线加载条件下的两倍。

术语

FPSO浮式生产储卸油装置

LF低频

WF 波频

DOF 自由度

GOM 墨西哥湾

1.简介

目前，海上石油和天然气行业正在不断向深水和超深水地区发展。例如，Pemex石油公司，正计划在墨西哥湾南部的深水区的开展一批项目，最近那里发现了新的油藏。

FPSO系统对于边际油田的开发十分有利，其原油储存能力对于远离海岸的深水和超深水位置的边际油田来说非常有用。因此研究墨西哥湾中不同海域典型环境下FPSO的压载情况是十分重要的。

在深水和超深水环境中，所有类型的浮式生产系统（FPS）所接触到的应被考虑到的环境荷载包括波浪、风和水流。当结合安装地点的水深增加时，现场开发涉及到的挑战将包括这些系统的分析与设计。因此准确预测整体系统环境荷载的全局响应和操作条件，对于设计一个合适安全可靠的FPS来说至关重要。

关于安装在深水位置带有系泊线和立管的船形FPSO的比例模型试验被认为是用来研究整个系统的复杂水动力行的最准确方法。

然而，在的深水和超深水地域的实验测试程序中尺缩效应成为一个主要的也是最难以解决的问题，因此它通常要求实验水池必须有合适的水深及大水。因此为了获得关于FPSO合适的深水安装位置和与之对应的比例大小的满意试验结果以及考虑到所有系统组件，需要一个非常大的和深水池模型,但是到目前为止在实际情况下这很难实现。因此，在实际的试验中通常使用1:50-1:70的尺缩比例，这对于预测实际的船体行为来说是可信的，并且这套理论已经较为成熟。但是这些比例尺度不适合于水深大于或等于1000米的海域，特别是具有系泊线和立管系统的船体。现今进行的一系列研究工作旨在克服目前使用相对比较小尺寸的模型测试水池的限制。1:70的比例尺度被广泛用于各种研究当中，但是在一些实际的限制条件下它将出现高度的不确定性，特别是在当前的水池设施和限制之下检测高精度的船体时。(Moxnes and Larsen, 1998).

因此，这种尺度可靠性的研究是为了评估和量化其潜在的不确定性以确保其误差在可接受的范围之内（stansberg et al.，2004）。

另一方面，一种被称为混合被动法的方法已被用于获得具有一定深度余量的合适的FPSO比例模型以便于平衡全水深具有系泊线和立管但受试验水池深度局限的船体所带来的相应的影响。此方法采用数值模拟的方法仿真实验结果来预测设计原型系统满水深度的运动响应。（Waals et al.,2004 and Luo et al., 2004 Stansberg et al., 2002 and Stansberg et al., 2000).

stansberg（2000）对这种方法进行了探究，并在适度的水深情况下，将其与全尺度的常规模型进行了比较，以此来验证这种方法的可靠性。得到的结果表明，余量系泊线和立管模型法在技术上是可行的。本研究认为对具有系泊线和立管的完整典型的FPSO系统通过有限制的实验模型测试方法与采用混合被动截断实验方法得到的结果是等效的。这个实验是在一个10米水深的近海水塘中进行的。试验的重点是为研究FPSO船的非线性水动力作用提供可靠的实验数据，主要是具有系泊系统的FPSO船和即具有系泊线又具有立管的FPSO船。实验对于粘性阻尼对FPSO船的的影响以及恢复力和相关的动态变化对系泊线和立管的性能的影响进行了评估。最后，对低频波的运动响应以及共线和非共线环境荷载条件不规则波浪，海流和风的平均动力响应进行了测试。

2.模型系统描述

用于实验的是一个典型的FPSO船模型，它具有一个内部塔楼和一个带有9根截断系泊线的系泊系统，比例尺为1:64（图1）。

研究中使用的船形FPSO垂线间长为300米，型宽46.20米、型深26.20米。内置塔楼系泊系统的垂直轴位于船体尾垂线30米处。整个FPSO船体模型包括1米宽，120米长的舭龙骨，大小约3450㎡的甲板面积并且留有适度的干舷，在船首应有由典型FPSO上部区域通常所受的风荷载估算得到的大小约1112㎡的迎风面积。

该船的详情见表1。满载和压载条件下的结果由试验得到。

研究中系泊系统被认为是永久性的。该系泊系统的特点是由9根系泊绳组成，每3根为一组，每组内各系泊绳彼此间呈120度。该系缆系统的物理组成是典型的接触式网系结构，如图4例B所示。个别线是由三个集成链组成的，如表2所示的螺旋链段。

表1 原型和模型尺寸和特性FPSO

该系泊系统被设计用于正常和损坏两种工况之下，后者假设当任何单一系泊线损坏时，系泊系统在墨西哥湾百年一遇的风暴和飓风引起的共线和非共线的联合荷载作用下任然能正常工作。此外，用于石油和天然气传输的六钢悬链线型立管被视为简单对称结构体，它将用来评估船体所受到的典型的静态和动态耦合影响。三组立管布置如图4所示案例C。

在定义了系泊线和立管系统以及其比例尺度为1:64后，为了减少模型的影响通常采用截断系泊线和立管的混合被动法，因此安装水深需要1000米左右。这样试验效果与实际情况相当于，但其减少了系泊线和立管系统的深度余量，可以在上海交通大学进行试验设施设计。

系泊线和立管在全尺寸中的水深可被截断到627米。比例尺度以及截断余量的选择是为了减少尺度效应对于整个试验的影响。对截断系泊和立管的设计标准系统力求尽可能地接近模型原型系统的参数：

⒈ FPSO模型的总质量

⒉总水平刚度

⒊单系泊线线和立管的典型张力

⒋系泊线和立管的数量、组成和布置

为此，进行静态分析，以设计一个满足全尺度水平恢复力的截断系泊系统和立管系统，三个主要的特征方向为180度，90度，0度。

类似的方法由瓦尔斯等人于2004和ittc-07-3.5，于2008进行了探究，并将其用于评估和设计截断系统。

系泊线路设计中的截断过程包括制作一个切割中间深度部分和底部的部分的系泊线，并使用迭代过程进行逐步修改，以保证每一行的权重和轴向刚度使三个主方向平全深度水平面运动方向相适应的系统，同时要预防和恢复系泊线所受的临界张力。所涉及的截断立管系统减少了其水下重量和轴向刚度。与原型系统的恢复力的比较如图2所示。

因此，模型中系泊绳的最大横向扩散长度定义为15.48m，它应该满足下述的上海交大的水池安装。

3·实验设置

实验模型试验方案在上海交通大学近海深水水池进行（SJTU）。水池宽40米，长 50米，总深度为10米，其水池底板可以在垂直方向移动以获得更小的水深。图3给出了水池的简化布置图。FPSO在6个方向的动力响应用6台摄影机和Qualysis系统来记录，在这套系统中有四个球形传感器，他们用来捕捉FPSO模型内部塔楼的加速度以及其中心的运动信号。此外，系泊线和立管的张力用十五个位于每个导缆器连接点处的传感器捕获。

实验测试程序由以下主要步骤组成：

·静水条件下自由浮动的FPSO模型满载和压载条件下在6个自由度方向上运动的衰减测试。

·自由浮动的FPSO的系泊线和立管在满载和压载下的静水衰减测试。

·系泊系统和立管的水平刚度（恢复力）。

·FPSO模型的白噪声波试验（对头、梁和弓斜方向）。

·FPSO模型在塔楼的六个自由度的运动的和9系泊线6立管系统的张力。

· “线”与“线”之间的缆绳模拟的满载下的不规则环境条件，包括波丶水流和风力。

·满载和压载情况下不规则波，水流和风力组成的典型非共线的环境荷载。

在测量区域的长度和宽度。由于水平恢复力之间的相似性，FPSO的截断模型和全尺度原型模型可接受的最多的水平偏移量为75米。原型和相应的截断系泊线和立管系统的主要特点分别见表2和表3。

3.1海洋气象条件和荷载情况研究

百年一遇的风暴环境条件被视为研究墨西哥湾南部的特定环境条件。选择典型波高为9.67米，波峰周期为13.28秒的JONSWAP谱进行研究。表4显示了波、表面水流的特性和平均风速。

另一方面，共线和非共线的联合荷载流向在墨西哥湾也经常被观察到。基于这项研究的同时考虑前述情况，定义风暴环境的周期为100年。图5显示了在风波角度60度，波流角度90度的共线和非共线联合作用工况下的三个案例研究。

3.2不规则波校准

水池不规则波的模拟校正在180度和90度的方向上进行（头海和梁海）。所要求的基础特性为有效波高（9.67m），平均周期（13.28s），gamma;形状因子（2.31）和JONSWAP

谱。

图7和图6为目标不规则波在180度和90度方向波形比较。

值得注意的是，在三个不同的方向的环境条件下进行了测试，只有一组，即当前组，和二代波是水池测试的一部分。

4·结果与讨论

本节是由以下部分组成：衰减试验，系泊线的水平刚度，反应谱分析及统计分析。

实际过程中测试了FPSO的系泊线以及其完整的安装系统，还包括其立管安排。然而，使实验过程简洁明了并且使FPSO的系泊绳在一个合理的长度内是本文研究探讨的方向。

4.1 FPSO模型衰减测试

衰减试验测试是假设FPSO的在满载和压载条件下静水中六自由度的耦合运动。实验通过物理转换的方法或在FPSO模型自由度方向旋转模型，让其回复到平衡位置的方法进行。

一般观察在满负荷和压载条件下的FPSO模型的自然周期的状态。分析得到模型的位移，淹没和恢复力特性被认为是影响的自然周期运动的因素，并且其是可预期的。

另一方面，在两个完整的和压载的负载条件下的浪涌阻尼系数被认为是有一定趋势按线性行为演化的。FPSO船体模型的湿表面面积的变化显然有着较高的影响，可以预见的是，粘性阻尼的贡献而与平均振幅振荡的依赖显然是微不足道的。这可能表明，流动分离不发生在这种情况下，如图8。

此外，与截断系泊线和立管进行全负荷的状态下进行的FPSO模型衰减测试。如图 “B”和“C”图4与系泊线和立管进行静水中衰减测试。图9显示了“内联”的阻尼系数“线”的案件之间的非线性

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