1、江蘇科技大學本 科 畢 業 設 計（論文）學 院 船舶與海洋工程 專 業 船舶與海洋工程 學生姓名 朱浩 班級學號 1040101439 指導教師 施興華 二零一四年六月江蘇科技大學本科畢業論文多點系泊FPSO水動力分析FPSO mooring system of hydrodynamic analysis of multi-point 江蘇科技大學畢業設計（論文）任務書學院名稱：船舶與海洋工程 專 業： 船舶與海洋工程 學生姓名： 朱浩 學 號： 1040101439 指導教師： 施興華 職 稱： 副教授 畢業設計（論文）題目： 多點系泊FPSO水動力分析 一、畢業設計（論文）內容及要求（包

2、括原始數據、技術要求、達到的指標和應做的實驗等）1.提供的條件：FPSO基本結構、參數，海域波浪參數，計算機及計算軟件等2.畢業論文的內容與要求：（1）掌握水動力的相關理論（2）學習海洋平臺分析軟件Sesam，并掌握其水動力分析方法（3）利用Sesam軟件建立FPSO模型，并對所建模型的進行響應計算（4）考慮多種波浪工況，結合水流及風載荷，對于系泊系統下FPSO水動力響應進行分析二、完成后應交的作業（包括各種說明書、圖紙等）1. 畢業設計論文一份（不少于1.5萬字）；2. 外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；3. 其它(根據課題性質、類型確定)。三、完成日期及進度3.31-4.13 收集相

3、關資料，學習水動力理論；4.14-4.27 學習有限元軟件Sesam，并掌握其水動力分析方法；4.28-5.11 利用Genie軟件建立FPSO模型；5.12-6.1 對所建模型的進行水動力計算；6.2-6.9 進行多點系泊FPSO水動力參數分析，完成論文。四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）:1由際昆，王言英.深水半潛平臺繃緊索系泊系統設計研究J.中國海洋平臺,20092王宏偉，羅勇，馬剛.深水半潛式鉆井平臺纖維材料系泊方案研究J.船舶工程2010,32(3)3范亞麗, 吳寶山, 繆泉明.張緊式系泊方式對深水半潛平臺性能影響研究J.中國海洋平臺,20104童波,楊建民,李欣.深水半潛

4、式平臺系泊系統動力特性研究J.海洋工程,2009,27(1):1-7.5Det Norske Veritas, SIMO theory manualR.2009:26-27 系(教研室)主任： （簽章） 年 月 日 學院主管領導： （簽章） 年 月 日III 江蘇科技大學本科畢業設計（論文）摘 要隨著全球石油需求不斷增加，陸上油氣資源日益枯竭，海上石油及天然氣勘探工作已經有了一段時間后，到了深海，開發深海以及超深海的海洋平臺項目是未來的發展方向。我們對能源的需求，特別是石油是非常大的，我國目前是高度依賴于，自我獨立，自我發展，一直是我國的重要經濟策略，因此我國一直積極參與國外的海上石油和天然氣

5、的勘探和開發項目。這是本文研究的背景，主要是針對西非海上石油和天然氣開發模式，多點系泊FPSO浮式結構物，涌浪，海浪數值模擬環境下進行的理論分析的同時作用的研究。進行了多點系泊FPSO水動力分析，這是在涌浪和風浪聯合作用的海洋環境下開展的。在波浪中的低頻運動響應的FPSO垂直和水平移動，涌浪成分下的響應差異：其中的浪涌控制的垂直運動;水平方向低頻運動，以及由海上和涌浪引起的慢二階力影響漂移的力量。在西非沿海水域，淺海和該地區深部大型海上石油和天然氣開發模式，是在選擇目標FPSO和穿梭油輪卸油浮筒匹配為主要研究對象的基礎。分析在深水環境中的流體動力性能的單一以及多點系泊浮筒的，因為浮體的質量更小

6、，由系泊系統和其他動態粘度的影響較大，使用了耦合計算，能夠更為準確的計算分析水動力性能以及各個自由度在不同的波浪成分下的運動響應。為了滿足海外發展的需要，在西非水動力環境的雙方向下的涌浪和風浪的浮式結構的創新研究;對西方的石油和天然氣開發模式的工作原理主要是在多點系泊FPSO，在這兩個方面的同時作用涉及到海洋和周圍涌浪緩慢漂移力和低頻運動的二階水平誘導有效的計算方法;并分析了浮標和穿梭油輪耦合平面運動的一般規律，為以后的工程實踐提供建議。關鍵詞：西非海域,雙方向涌浪和風浪,多點系泊 FPSO,水動力性能,時域耦合分析AbstractWith global demand for petroleu

7、m is increasing, onshore oil and gas resources are depleted, offshore oil and gas exploration for some time, to the deep sea, is an ultra-deep offshore oil and gas projects in the future direction of development.Our demand for energy, especially petroleum is very large, and the high import dependenc

8、e, self-development and participation of foreign offshore oil and gas exploration is one of China's major economic strategy. The paper as a background, the main representative for the West African offshore oil and gas development mode, multi-point mooring FPSO floating structures on both sides t

9、o swell, waves numerical and experimental study of the joint distribution of response environment theoretical analysis.Obtained in the analysis of both the incident wave, a slow drift horizontal force component can be divided into four, wherein each of the two waves up from contributions from the ot

10、her two parts of the coupling of the wave in different directions. The former two floating bodies in the calculation of the low-frequency response can not be ignored; while coupling due to the small West African sea and swell, the analysis found that in the calculation can ignore this part of the co

11、upling.Conducted a sensitivity analysis parameters swell angle of incidence, spectral peak period and type of each factor on the FPSO freedom of movement responses. Roll and sway in response to the peak period of the swell cycle does not change with change, but always maintaining its natural period.

12、 Heave and pitch response cycle is consistent with the swell period, the performance of the forced vibration. Changes in spectral type wave spectrum factor does not affect the response cycle FPSO movement, but the larger the slow drift of the horizontal force and horizontal movement induced impact.K

13、eywords: West African waters, the parties to the swell and waves, multi-point mooring FPSO, hydrodynamic performance, coupled time domain analysisV 江蘇科技大學本科畢業設計（論文）目錄第一章緒論11.1 概述11.1.1 海洋油氣資源的開發概述11.1.2 西非海洋油氣資源概述11.2 FPSO平臺簡介11.3 涌浪及相關浮式結構物水動力性能的研究與進展31.3.1 與風浪的同時作用及其對浮式結構物水動力的研究31.3.2 系泊浮式結構物耦合分析方

14、法研究41.4 本文主要研究內容51.5 本論文的創新性與研究意義6第2章 數值計算基本理論72.1 坐標系定義72.2 控制方程和邊界條件72.3 浮式結構物在波浪中的運動82.3.1 頻域的分析方法82.3.2 時域耦合計算理論92.3.3 時域耦合運動方程92.3.4 波浪載荷92.4 本章小結10第3章 西非海域環境分析113.1 西非海洋環境簡介113.1.1 海上風的作用123.1.2 颮133.1.3 海浪133.2 涌浪和風浪的差異133.3 西非海洋平臺應用143.4 本章小結15第4章 涌浪和風浪環境下多點系泊FPSO響應分析174.1 FPSO 水動力性能計算174.1.

15、1 邊界元模型及耦合分析模型184.1.2 多點系泊FPSO 頻域分析結果184.1.3 幅值響應算子RAO254.1.4 一階波浪力傳遞函數284.1.5 二階波浪力傳遞函數304.2 不同涌浪方向下 FPSO系泊影響分析324.3 系纜根數對系泊性能的影響374.4 本章小結37第5章 總結與展望39致謝40參考文獻41江蘇科技大學本科畢業設計（論文）第一章 緒論1.1 概述1.1.1 海洋油氣資源的開發概述全球石油和天然氣資源的開發，世界石油和天然氣海洋的資源的一個重要來源的新領域。在我們豐富的石油和天然氣儲量在領海資源。據有一定的勘探結果，天然氣資源在中國領海量已經發現，達到10600

16、0億立方米，達到27.53億頓石油資源,在過去10年中，中國的新的石油和天然氣產量近一半來自海洋，近海石油和天然氣資源的勘探和開發還有很大的潛力，因為中國南海等海域目前的發展水平還很低。設備輔助船舶海洋工程裝備，生產設備和鉆井類類是主要的三大類，而且還成為開發海洋能源載體。固定（如導管架平臺）和浮式生產種類是有兩類設備。無法動彈的固定式平臺特性，由于隨著海洋資源的開發，這導致了向更深海域邁進導致逐漸減少的市場需求出現。目前，主要的海上生產設備是浮動平臺。浮動式的平臺是浮式生產儲油船（FPSO）、自升式平臺、張力腿平臺（TLP）SPAR平臺、半潛式平臺。其中，FPSO一直因為其邊界油田優勢，在深

17、海油田開發中得到了大力的發展。 1.1.2 西非海洋油氣資源概述在世界海洋石油工業的快速發展的今天，為了尋找新的石油和天然氣資源，各個國家的石油公司已進入深水和超深水油田，使得深海油氣田的開發，成為科學界在工業史上最為熱點的話題之一。西非海域，坎波斯盆地，巴西，美國墨西哥灣是世界上石油和天然氣資源開發的三大熱點地區，深水油氣勘探開發隨著科技的發展不斷有新的發現。其中，在安哥拉深水的西非海域，Total公司在八個油氣田在17區域發現了，7個油氣田在14區域發現了，埃索公司共六個油氣田在15區域發現了，埃克森美孚公司在該區域同時還發現了其他12塊油氣田，三個油氣田被BP公司的人員在18區域發現了;

18、自1995年以來在尼日爾三角洲深水，Bonga，Ngolod和其他幾個油氣田陸陸續續被發現了;深水勘探開發工作同時在赤道的幾內亞和加蓬地區也得到了蓬勃的發展。 1.2 FPSO平臺簡介FPSO被稱為浮式生產儲油卸油船，浮式生產儲油裝卸油輪，是集生產，倉儲，卸載和在海上漂浮等一系列功能于一體的現代化工業產物。通常永久停泊在特定的工作是FPSO的特點，在惡劣的海況下不可能像運輸船舶那樣可以實現躲避，所以安全性和作業效率是FPSO的關鍵點，而環境因素對它有著很大的影響。隨著海上油氣的卡發、深海領域的生產不斷擴大，與其他海洋鉆井平臺相比較而言，FPSO有著得天獨厚的條件，以下五點是主要方面: FPSO

19、若是由油船改造而成優勢顯著，它的生產系統投資和產出更加快，投資金額也更低。當前工況適宜的大型油輪是很容易找到的，而且它們的船齡一般不會很高。寬闊的甲板面積，承載能力和抗風浪環境能力強，都是生產設備布置的有利條件。石油存儲容量大，船上的原油可以定期通過卸油裝置導入輸油船舶中，這樣既安全又快速，FPSO不僅可以與穿梭船舶串聯在一起，還可以提供一定的系泊基礎。FPSO的建造周期縮短，逐漸向著模塊化發展。早期的FPSO一般建在時間在一年半以上，都是在船體基本建造完成之后，將各種生產設備、熱站還有主電站安裝在甲板上。新型動力配置的設置給系泊的定位提供了條件。多點輻射狀系泊是新FPSO的主要形式，同時多個

20、側向推進裝置在船舶的首尾都有配備。錨鏈和鋼纜的組合方式多為多點系泊采用，抑或是采用高強度的聚酯纖維和錨鏈相結合，這樣子具有高強度的防腐蝕性能。目前新建的FPSO裝備有足夠的動力系統，這是根據目前的作業要求和船舶尺寸決定的，為了保證船舶在正常航行的同時，不失去在惡劣的風暴環境下生存的能力，因此改用了側推的螺旋槳技術，這樣子，大尺寸的船舶就能夠兼顧這兩點。降低燃料消耗，回收利用。FPSO在過去沒有能力處理天然氣而又不值得鋪設海底管道運輸天然氣的時代，只能夠將其從原油中分離出來，通過外置的火炬裝置焚燒，這樣子天然氣的只能白白浪費。而現在世界已經有了這一技術，能夠成功的將天然氣進行壓縮，通過罐裝的方式

21、用船舶運輸。 石油產能的不斷強化。“Norne”號FPSO是挪威國家石油公司委托新加坡遠東利文斯頓船廠建造的，該 FPSO的處理能力可以達到原油每日3.5萬立方米;大宇船廠在05年接到了全球最大的一艘FPSO訂單，該船的作業區域可以達到1400M水深，存儲大概2160000桶原油，與此同時，它的造價也是相當的驚人，高達9.78億美金。各國爭相發展新概念的FPSO。LPGFPSO的概念是在為解決環境污染，提升環保屬性的環境下提出的。世界上第一艘LPGFPSO是在石川島的播磨重工基地建造的，這家公司隸屬日本，該公司提供給瑞士一家公司在新概念船舶上單點系泊技術，并洽談采購和建造相關事宜。同時，FDP

22、SO也是新的概念，人們試圖將油氣鉆井設備并入其中，高度的集成化有利于工作效率的提升。1.3 涌浪及相關浮式結構物水動力性能的研究與進展1.3.1 與風浪的同時作用及其對浮式結構物水動力的研究西非海域有著較為明顯的可觀測波形，這是它區別于其他海域的重要特征，其他海域長周期涌浪和短周期風浪沒有那么明顯的可觀測波形。最近一些年，有很多的學者對西非海域涌浪的產生機理、對風浪的影響還有平臺的影響做出了大量的研究。Violante等1根據投放在深水海域的測量浮筒，測得大量海洋涌浪數據，對其進行了充分的數據分析，研究涌浪對風浪的影響結果。數據表明，兩者之間沒有顯著的關系，進而他提出了風浪和涌浪的能量關系，這

23、為后來的人研究海洋工程提供了相關數據參考。Jose-Henrique等2提出了一種分析手段，用于研究風浪因涌浪而生成而產生的影響，這是基于數值模擬的結果，是在風生浪的海洋環境發展過程中提出的。第一，模擬風浪的環境是由風場提供的，但是在其他海況下，是不需要提供風場的。因此，向著任意方向傳播涌浪就會在特定的海域相應形成。對涌浪的傳播機理有著深刻的認識，是因為他給出了在相關海域的一系列具體模型，為不同涌浪的產生提供具體的數據模型。Elzbieta等3對于西非海域的涌浪、風浪聯合作用的海洋環境，如需描述波浪環境，需要用到雙份譜。當然，前提是這個海況相對溫和。如果是應對惡劣的海況，就可以使用JONSWA

24、P或者PM波譜對海洋工程進行水動力研究。同時，這樣的海況對于固定、浮式和輸油終端有著不可忽視的作用。通過對西非尼日利亞海域的實際海況與通過Torsthaugen模型對比，提出了聯合波浪譜的方法，對于模擬環境的譜峰周期和波高研究有著一定意義。之后，Elzbieta等4，針對風暴，環境研究的結合涌浪很多不確定性的模擬研究，并進一步給出了風暴潮環境描述尼日利亞海域的特定組合，以提供實際的環境中，結合海洋工程操作研究。分析發現，如果涌浪和海浪存在，利用一個單一的模擬頻譜是海況將得到更壞的結果不能在海洋工程中使用。Nerzic等5對西非的深海水域，海洋環境的研究已經有了三年的數據積累，分析了西非海域的風

25、，浪，流等環境中的分布和組合，包括能量和方向的變化，尤其是其中關于主要的涌浪還有次要涌浪，并與風浪同時作用，包括他們的普朗周期，有義波高，峰峰因子和方向。此外，分析發現，它們之間存在的內在聯系，并在此基礎上提出了波的分布規律，為海洋工程研究做準備;最后，他們建立了數據庫，用于研究浮式結構物。與此同時，提出了相關預測，提出有義波高、流速和風速。Zhanglei等6人對西非海域雙方向風浪、涌浪同時存在情況下的低頻慢漂力的四個成分進行詳細研究，他認為低頻慢漂力主要來自風浪、涌浪各自的貢獻，風浪、涌浪相互影響的成分較小，可以忽略不計；另外也證實在深水中Newman近似能很好地估算出西非雙方向涌浪、風浪

26、產生的二階低頻慢漂力。 Violante等7人在系泊于深水海域的浮筒上進行測量，得到大量的實測數據，并對涌浪進行研究，研究了涌浪對風浪的影響，主要包括新產生的涌浪對成熟涌浪和風浪的影響。結果表明，涌浪對風浪并沒有產生明顯的影響，并提出一種涌浪、風浪的能量關系，為進一步的研究奠定基礎。Zhao和Wu等8人認為，通常情況下單一的波浪散布圖可以用于作用于浮體上波浪極限載荷的長期預報，但在西非、巴西這樣不同風浪、涌浪同時存在的海域，常規的做法就行不通了。他們提出了一種涌浪、風浪同時任意存在的波浪環境模擬方法，同時還引入了兩個波浪譜參數用于控制風浪和涌浪，在此基礎上還分析了FPSO極限波浪載荷和船體梁極

27、限彎矩。 Zhong等9人分別針對西非海域不同的環境條件即以涌浪為主導、以流為主導、以飆風為主導所對應的FPSO等大型浮式結構物的水動力性能進行研究。 Elzbieta等10人認為當海洋環境相對惡劣時，使用單一方向單一JONSWAP或者PM譜能有效的模擬浮式海洋結構物的水動力性能，但在海洋環境相對溫和的海域，例如西非涌浪、風浪同時存在的海域，使用雙風譜才能較為準確的模擬海洋環境載荷，并且這種風浪、涌浪共存的海浪環境對浮式結構物的影響是不可忽略的。他們通過使用Torsthaugen模型，提出一種可以同時模擬涌浪、風浪的聯合波譜，并與西非尼日利亞海域風浪涌浪同時存在的環境進行對比，結果吻合良好。

28、Fontaine等11人針對西非海域某一生產運營的FPSO使用直接模擬的方法有效的計算了船體運動響應及系纜動力響應，并提出了一種響應的模型，將數值模擬數據與實驗數據對比，結果吻合良好，并使用這種響應模型外推出響應極值。 1.3.2 系泊浮式結構物耦合分析方法研究Wichers12最早對浮式結構物的動態響應進行研究，它采用時域的方法對一處于風、浪、流聯合作用下的FPSO進行了水動力性能分析。Lee和Choi13同樣采用非耦合的方法計算了FPSO原油外輸工況時對應FPSO及穿梭油輪的水動力性能。然而，其他很多學者對非耦合分析方法的精確度提出了質疑，認為這將會給系泊浮式結構物水動力性能的分析帶來較大

29、誤差14。因為在非耦合分析中系纜的慣性力和阻尼力被直接忽略掉，但在實際情況下，這些力是非常重要的，特別是在深水的情況下。此外，浮體的運動響應中一階波頻響應與二階低頻響應是相互影響的，也不能分開考慮。所以越來越多后來的學者將注意力放在了耦合分析中。Lowa和Langleby15提出一種新的計算方法，他們認為由于存在幾何非線性和水動力非線性，整個系統的共振頻率與波浪頻率是相近的，具有耦合效應，應采用耦合分析方法進行研究，考慮到非線性影響的大小，將二階波浪力引起的低頻響應進行時域耦合分析，而波頻運動由于受非線性影響較小則采用頻域分析方法，他們利用這一方法對某一FPSO進行研究，并將計算結果與全耦合的

30、數值模擬結果進行對比分析，結果表明，新提出的方法具有較好的準確度，并且大大壓縮了計算時間。馮愛春16研究了海洋平臺與系纜及立管之間的耦合效應，研究表明：如果忽略立管的影響，將會低估平臺的運動性能，高估系纜的張力。趙戰華17研究了深水半潛平臺張緊式系泊系統，并與懸鏈線式系泊系統水動力性能進行對比，然后分析了系纜根數、預張力、夾角等對系泊性能的影響。目前，以全時域耦合分析方法為理論背景的大型商業軟件已經趨于完善，其數值模擬結果與模型試驗對比都有較高的精確度，例如：DNV/SESAM、TAMU /HARP、BV/HydroStar、MARIN/DYNFLOAT、ANSY/AQWA等。本文即采用DNV

31、/SESAM進行相關數值模擬的分析計算。1.4 本文主要研究內容本文的研究內容是基于國家重大技術裝備研制和重大產業技術開發專項“30萬噸深水浮式儲油裝置（FPSO）設計建造技術研發及產業化”子專項深水FPSO系泊系統方案設計研究展開的，主要針對西非海域及南海海域工作的FPSO進行水動力性能分析，研究不同系泊方案對系泊性能的影響。具體來說，可以分為以下幾個方面：1. 海洋平臺現狀和西非海洋環境分析特別是在沿海其他水域具有不同屬性的背景下，西非海域風的詳細研究，海浪，驟升和電流，其特點相結合;與此同時，西非海域，目前浮式生產平臺生產作業的特點進行了總結。努力為客戶提供相關的數據為基礎，并參考了西非

32、海域漂浮的平臺適應性分析。2. 浮式平臺西非海洋環境適應性分析根據西非海洋環境和平臺的適應性分析的現狀和選定在典型的半潛式平臺西非海域和列平臺，提供咨詢和選定的西非海域石油和天然氣生產參考。研究方法數值模擬。 3. 涌浪參數對 FPSO 水動力響應的影響 對占主導地位的響應的分析的基礎上，為了得到FPSO浪涌在不同的環境中更普遍，更詳細的響應特性，展開FPSO變更涌浪參數響應下的影響，在實際應用中提供了一些幫助工程說明。西非海域FPSO多點系泊布置方案設計首先將FPSO分別單獨置于風浪環境、涌浪環境，研究了不同波浪對運動響應的影響及對其力學機制進行了分析；然后將FPSO置于風浪、涌浪同時存在的

33、環境，研究了系纜根數對系泊性能的影響。1.5 本論文的創新性與研究意義 在我國起步較晚深水油氣開發，鉆井技術與設備具有自主知識產權，是目前嚴重不足，并在國際深水油氣開發形勢蓬勃發展不協調，技術的不足嚴重制約了我國在深海領域的石油和天然氣的開采，國內的海洋工程企業與外企合作時總是處于不利地位。目前，沿海水域仍主要集中然是300米以下深度的石油和天然氣資源開發。因此，這項研究對于我國有著非常重要的作用。只要關鍵技術支持深水油氣勘探、研究和開發，深海石油和天然氣的開采，不僅可以解決國內能源緊缺問題，同時也可以為我們的海洋工程企業參與國際競爭提供幫助。本文先進主要體現在：1. 對于西非海洋環境，在已知

34、水域進行適應性分析，對制定了不同形式的西非石油和天然氣平臺進行比較。為未來在西非深水油氣開發項目研究和設計提出了一個相對的意見和建議。 2. 對于涌浪、風浪同時作用的西非特殊環境, 通過數值計算，對于一個多點FPSO系泊的各個方向的響應特性的分析，給出了各方入射波結構下的低頻二階波浪力和計算誘導運動;而在涌浪響應下，獲得了更一般的FPSO響應特性分析的參數。第2章 數值計算基本理論2.1 坐標系定義本文包含三個計算坐標：右手直角坐標系根據定義,隨體坐標系XL;相關坐標系XR;大地坐標系XE;如圖2-1 所示。 與主體坐標系固定在浮式結構，隨著浮體的運動，原點位于重力浮動結構的中心。軸的坐標系始

35、終與大地坐標相關聯的軸平行，但是在浮動結構固定焦距的起源，通常用于描述對象的旋轉。大地坐標系固定在水平平面中的流場， xy平面與靜水面重合,z軸按照右手法則定義。圖2-1坐標系定義2.2 控制方程和邊界條件對于波浪與浮體的相互作用問題，海水介質可以假定是勻質、不可壓縮和無粘性的理想流體18。在此前提下，浮體在波浪上的運動問題，可以在勢流理論基礎上加以處理，其中關鍵的是流場中速度勢的求解。假設在非定常速度勢為x,y,z,t, 速度矢量Ux,y,z,t滿足Ux,y,z,t=x,y,z,t （2.1）由拉普拉斯方程 2=0 （2.2） 如需求解上述方程，需要以下邊界條件:l 結構物表面的邊界條件,物

36、面為S表示，法相方向用n表示 ns=Us （2.3）l 液體自由表面的邊界條件2n+gz=0z=0 （2.4） l 無限遠處的邊界條件海洋底部的邊界條件：水深用H表示 nz=-H （2.5）對于輻射勢和繞射勢，可以采用格林函數法19,20來求解。2.3 浮式結構物在波浪中的運動2.3.1 頻域的分析方法頻域方法21適合于線性或者是擬合線性的水動力方程的求解，從而求得頻域響應函數。l 入射、繞射與輻射勢由三維勢流理論求的入射、繞射、和輻射勢,依據公式積分得到 :Px,y,z,t=-t-gz （2.6）由此可以得到壓力分布P，對其表面進行積分可以得到總的作用力，總的作用力由三部分組成，第一是波浪激

37、勵力，第二是流體的反作用力，剩下的那個作用力為靜回復力。在這三個力當中，波浪激勵力由兩個部分組成，第一部分是由入射勢帶來的壓力積分求得的，第二部分是由繞射勢引起的壓力積分求得的:在計算的過程中，需要將浮式結構物固定住，這樣就會在海洋環境下受到波浪的力和力矩。其中波浪力是由于未受到干擾的力以及海洋結構物的存在而生成的繞射力組成的。在不考慮入射波浪的前提下，附加質量和附加阻尼成為了這一水動力載荷的最好解釋。 l 附加質量、阻尼浮式結構物在非定常的運動過程中，由于物體運動作用于周圍的水而使之得到速度和加速度，故水對物體產生反作用力FR。FR 包括與運動加速度成正比的附加慣性力和與運動速度成正比的阻尼

38、力，其比例系數分別稱為附加質量系數和阻尼系數22，23。按照線性勢流理論，流體動力FR 的表達式為FR=-uX-X (2.7)式中，u為附加質量矩陣；為阻尼系數矩陣。由上式可以看出，附加質量和阻尼載荷是由于海洋結構物做強迫諧振動所引起的穩態水動力及力矩。附加質量系數和阻尼系數是流場中海洋結構物形狀、振動頻率和相對于流體速度的函數，與流場的深度和廣度也存在一定關系。 附加質量系數和阻尼系數均由一個6×6的矩陣表示。本文主要分析對浮式 海洋結構物水動力性能起主要作用的主對角線上的6個系數。附加質量系數以Uii表示，U11、U22、U33分別表示縱蕩、橫蕩、和垂蕩三個運動模態的附加質量U4

39、4、U55、U66代表橫搖、縱搖和艏搖三個角運動的附加慣性矩。附加阻尼與附加質量的表示方式相類似。2.3.2 時域耦合計算理論利用頻域法分析浮式海洋結構物的水動力性能是經典的方法，然而頻域法并不能預報從某一時刻以后一段時間內浮式結構物的水動力性能（浮體運動響應和系纜動力響應），所以為了準確模擬浮式結構物在實際海況中的變化，必須采用時域法來模擬。 本文利用卡明斯理論，將規則波頻域計算出的水動力參數，通過頻域轉時域的方法，建立浮式結構物時域運動方程，并與系纜動力響應方程耦合，計算出實際海況下真實的浮體響應。2.3.3 時域耦合運動方程浮式結構物在風浪上的運動經過攝動分析后，可以分為一階小幅運動響應

40、和二階大幅運動響應，即浮式結構物的響應可以分為高頻響應和低頻響應兩部分， 并且兩者互不影響。低頻響應即指大幅的慢漂響應，高頻響應可以理解為低頻響應基礎上的微幅振動，即高頻運動的平均位置為低頻響應位置，因此時域運動方程在求解時分為低頻響應部分和高頻響應部分兩部分來求解。其高頻部分運動方程24為：Mij+ijx1+0Kijxj(1)t-d+Cijxj(1)=Fimoor+Fiwave(1) (2.8)其中，K延時函數矩陣，M是質量矩陣，是附加質量，xj(1)是j方向波頻運動，C是恢復力矩陣，Fimoor是系泊力，Fiwave(1)是一階波浪力。2.3.4 波浪載荷l 風載荷由于海洋結構物的存在，當

41、海風經過海上結構物工作的區域時，氣流流速和流向將發生改變。因此，氣流對建筑物的動壓力將隨其位置的不同而不同，在物體迎流面承受正向的風壓力，在物體的背面，因為氣流分離使物面承受負向的風壓力。風載荷的計算是基于瞬時風速和結構物速度，風力大小如下式所示，其風載荷計算公式25為Fwind=12CdwaAa2U Mwind=CdwaAa2U （2.9）其中第一項為力，第二項為力矩，U 為風相對于浮體運動的相對風速；a為空氣密度；Aa為浮體在風速方向上的投影面積；L為力作用點到平臺重心的距離。Cdw為風阻力系數，本文中的風阻力系數根據CCS 頒布的海上單點系泊裝置入級與建造規范確定。l 流載荷海洋中流的種

42、類很多，有海流、潮流、漂流、密度流、地轉流等。海流的變化比較緩慢，在對海洋平臺的數值分析中常將海流視作為穩定的流動。流對平臺產生的力及力矩由下式25計算：Fcurrent=12CdcwA2V Mcurrent=12CdcwA2V (2.10)2.4 本章小結結合以上理論分析，下面給出本文系泊浮式結構物非線性時域耦合分析方法：1）利用輻射理論，結合面元法，在頻域內計算平臺浮體的附加質量及阻尼系數，然后確定頻率無窮大時的附加質量，并利用時頻轉換方法，確定延遲函數； 2）利用繞射理論，結合面元法，在頻域內計算平臺浮體的一階波浪力傳遞函數；再結合遠場法或近場法等方法，在頻域內計算平臺浮體的二階定常波浪

43、力，并以此為基礎用Newman 近似法估算浮體所受的二階低頻慢漂力；利用時頻轉換方法，結合實際波譜，在時域內計算平臺浮體的一階/二階波浪力；3）根據給定的風速、風系數和流速、流系數，結合受風面積和流載荷作用面積，計算得出風流載荷大小；4）將浮體運動方程與系纜動力方程聯立，在每個時間步長內迭代求解，記錄在分析時長內每一個時間點對應浮體的運動響應和系纜的動力響應。 上述四個過程均在SESAM 的HydroD/Wadam26和DeepC27中完成。第3章 西非海域環境分析3.1 西非海洋環境簡介自上世紀八十年代以來，非洲西海岸成為了能源界的新大陸。隨著海洋平臺不斷的向著深海發展，西非海域的石油和天然

44、氣資源的到了世界的關注。在中東依舊是第一大原油出口地的同時，我們的南半球，非洲大陸，已經躍居世界第二的石油出口地。在世界各國爭相進去這一活躍地區的大環境下，我國的三大能源公司：中石油，中石化，中海油也和當地有著密切的合作關系。他們正在以各種各樣的方式進入這一領域。相信，在不久的將來，西非將成為世界上最大的原油輸出地，超過其他地區，成為最值得投資的地區。圖3-1為西非海域主要的油氣分布位置圖3-1為西非海域主要的油氣分布位置 從大西洋到印度洋，西非海域提供給海洋工程可以利用的地理范圍相當大，海岸線超過四千多海里，可供開采的水域已經達到了3000多米水深。在這一大環境下有許多國家活躍著，主要是七個

45、國家，包括:安哥拉、科特迪亞、幾內亞、剛果、加蓬。為了保證石油和天然氣高速快捷的存儲和運輸，這不單單是依靠大量FPSO就能夠完成的一項艱巨任務，還需要投入巨額資金用于輸油管線的建設。對于特殊的地理環境，需要我們做出相應的變通，采用有針對性的技術來解決地域的限時。主要包含以下幾個方面：l 如果是在淺水領域，需要多個鉆井設備同時開采進行儲油，如果是在深水領域，則只需要通過一個鉆井設備與其他設備進行對接。依據不同的水域采用不同的開采方式，不僅是分布范圍廣泛，更是因地制宜的體現；l 如果市場沒有想象中那么理想，則人們不會鋪設足夠的基礎設施用于油氣的管道運輸，這就導致了開采的原油只能夠在油田里面進行暫時

46、的存儲或者是卸載；l 通常情況下，石油和天然氣是混合在一起的，這就需要進行油氣分離處理，然而本地的市場通常沒有能力消耗這么多天然氣，導致大量的天然氣浪費，同時造成環境污染；l 由于非洲的工業落后，導致當地的基礎設施無法跟上時代的步伐，而要建造海上鉆井平臺，需要符合國際公約，這就導致了復雜的施工還有執行的不便。為了能夠在西非海洋環境下進行石油和天然氣的勘探以及開采活動，需要我們對當地的環境進行細致的分析研究，比較風、浪、流還有就是洋流對海洋平臺的作用。3.1.1 海上風的作用西非靠近赤道的部分屬于低壓區。因此，在南北方向上，大氣輻射壓力逐漸升高，該信風是南北赤道輻合帶，這里的風力通常比較弱小，風

47、的方向不能夠確定，在一般情況下，沒有高強度的風力作用，相對溫和。東北信風和東南信風相互作用，在赤道兩側形成3-4級的風力，這是形成洋流的關鍵。但是在高緯度地區，南北方向的季風和地面形成鋒面和氣旋，這會造成惡劣的天氣影響。暴風雪會在嚴寒的天氣出現，緯度較高時，則會形成危險的海浪。這對海上石油和天然氣的開采帶來了極大的不便。圖3-2為西非海域表面氣流循環。圖3-2西非海域表面氣流循環西非赤道地區，一般來說，海風相對較弱，但由于幾內亞灣季風弱，在6-8個月連續陸上風。西非南部海域，主要是風是南風或東南風在10月至4月達成最強的。在一些地方，再往南，在距離中緯度地區的夏季也受低壓;風的力量在這個時候，

48、甚至更大的風暴。3.1.2 颮首先，氣象學專家給颮做了如下定義：它是一種強風帶，通常在強冷風或者是積雨云前面出現，范圍較窄。當它經過時，通常伴有降雨，風速會增加很多，它的風向也會改變許多，不再沿著原來的方向前進。在世界范圍內，颮主要集中在以下幾個國家或地區：阿根廷，中美洲，東印度洋，北美，東海岸和西海岸非洲。世界氣象組織于1962年開展了颮的規定，必要的條件如下：有至少一分鐘以上，風速超過8米/秒以上，但也能滿足最大風速超過11米/秒。其中圖3-3是海洋上的典型颮線，圖3-4為海洋工程中可能遇到的颮。圖3-3海洋上的典型颮線 圖3-4海洋工程中可能遇到的颮許多學者分析了颮及其浮動海上結構物水動

49、力性能，挪威船級社海洋工程規范也做了颮有關規定的影響，根據系泊浮式結構的計算規定時，系統必須考慮的影響的颮在時域分析。3.1.3 海浪西非海域的海浪相對于其他海域有著更為溫和的海洋環境，它的有義波高更小。但是西非海域的低頻能力較高，所以主要以低頻作為主要研究對象。西非海域涌浪的形成更復雜。如果是在冬天，涌浪主要是來自北大西洋，這些涌浪是從北部以及西北部傳遞過來的，如果是在夏天，那么它們有可能來自太平洋海域。當然，不排除它們是由于颶風引起的。在幾內亞灣，只有涌浪是從南大西洋中緯度低壓，一直追蹤到在南非好望角。這些涌浪非常薄弱，但傳播一定距離后，已經充分發展。在每年的5月同時激增至10月是最強的。

50、3.2 涌浪和風浪的差異風浪所謂的風浪，是一組本地產生的波列。這些波是短峰波列，波峰長度一般情況是表面波高的兩三倍左右。除此之外，這些風浪極不規則，有可能顯示小浪接下來是大浪，也有可能先是大浪接下來是小浪。它們的傳播方向也會發生一定的偏移，每個波峰都會發生偏移，每次偏移的角度大概在10°左右，這些波峰表面有時會附帶微小的波浪，由此可以看出這些波峰相當的尖銳。涌浪涌浪是指在局部風場中產生的風浪，經過一定時間的傳播，離開了發源地的波浪。涌浪不同于其他波浪的關鍵在于，它能夠依靠自身的能量傳播到數百公里以外。與風浪比較，每一個獨立的涌浪有著較為規則的圖形。與此同時，涌浪的波峰更加圓潤。涌浪的

51、能浪大小也有著鮮明的對比。當涌浪大時，某一定點會有至少五個以上的波列通過，當涌浪小時，能夠在波面做不規則升沉運動時，維持至少一分鐘以上的低淺運動。表3-1為風浪和涌浪的對比。表3-1風浪和涌浪的特性對比涌浪風浪周期1522S515S譜型譜型較窄，譜型因子 36，能力集中能量分散,譜型因子 1.03.3傳播形成后不需要外力形成后需要外力，如風力形狀規則不規則除了上述的不同點，從理論上分析，風浪的周期一般比較短，只能夠帶動水表面的粒子運動，涌浪的周期一般比較長，因而會引起水面以下的粒子運動。由于一些海洋平臺的型深較大，而這一類型的海洋平臺會設置制蕩板，這些制蕩板直接與水面以下的水粒子作用，因而生成

52、嚴重的制蕩響應。3.3 西非海洋平臺應用在已知的西非海域中，石油和天然氣的開發依舊是在近海領域，海洋平臺的可作業區域大概在262000米水深。目前主要的開采設備依舊是以FPSO為主，這些平臺主要集中在以下四個國家：安哥拉、幾內亞、尼日利亞、剛果。FPSO的總數大概在40多座。其他海洋平臺數目較少，只有少數的TLP和SEMI。FPSO在西非取得了巨大的成功，原因是FPSO制造成本低，制作周期短。除了本身優良的屬性外，FPSO還能夠很好的抵抗風浪載荷。與固定式海洋平臺相比，可以移動作業區域更是不可忽視的優點。綜合上述優點，FPSO給各個國家的投資者帶來了豐厚的利潤。在西非海域的FPSO應用具體分布

53、位置如圖3-8所示。西非海域跨度很大FPSO工作深度，在281980米深度范圍。其中，更大的超過500米的深水浮式生產儲油共24工作深度。在這些FPSO，每日最高產量達每天25萬桶，達210萬桶的最大存儲容量。在西非海域，浮式生產儲油使用各種多點系泊系統和單點系泊等方法固定在停泊水域生產，這是最重要的多點系泊系泊方式，一共有27個FPSO的采用了多點系泊方式，用單點系泊方式是其余16 艘FPSO。在單點系泊，共九個FPSO系泊外轉塔。其中表 3-2為目前西非海域浮式生產平臺應用分布，圖3-5為目前西非海域 FPSO 應用分布。表 3-2 目前西非海域浮式生產平臺應用分布FPSOSEMI/FPU

54、SparTLP數量43104作業水深/-m2819802034/2711178位置See Fig. 3-8剛果/安哥拉,幾內亞作業者各主要石油公司Total/Exxon, Hess 等圖 3-5 目前西非海域 FPSO 應用分布3.4 本章小結本章主要介紹了西非海況不同于其他海域的鮮明特點，其中以風、浪、流的影響作為主要的闡述對象。并對涌浪和風浪的差異性進行對比，希望給西非海域的平臺開發提供一些建議。第4章 涌浪和風浪環境下多點系泊FPSO響應分析4.1 FPSO 水動力性能計算在總結了西非海域的特殊海洋環境的基礎上，采用挪威船級社的SESAM軟件進行水動力計算以下是所需的海洋環境參數，如表4

55、-1所示。以及圖4-1環境入射角度與系泊布置。表4-1海洋環境條件參數數值有義波高/m3.6涌浪譜峰周期/s17.5譜峰因子4角度/deg90有義波高/m2.75風浪譜峰周期/s7.2譜峰因子2.4角度/deg180速度/mS-12流角度/deg180速度/mS-116角度/deg180圖 4-1環境入射角度與系泊布置4.1.1 邊界元模型及耦合分析模型FPSO的邊界元模型先采用Genie模塊畫出，然后再HydroD中生成具體模型,如圖4-2所示,這是我們進行頻域分析的基礎。圖4-3是在DeepC中生存的水動力模型，它包含海洋環境參數，FPSO，還有系泊系統。圖4-2FPSO邊界元模型圖 4-3 FPSO 及系泊系統耦合分析模型4.1.2 多點系泊FPSO 頻域分析結果6&#