基于BCALoD的FPSO软刚臂系泊系统疲劳分析

针对软刚臂系泊系统铰节点在服役过程中出现的疲劳损伤问题,提出一种基于原型监测和局部密度双向聚类算法(Bidirectional Clustering Algorithm based on Local Density,BCALoD)的疲劳寿命计算方法。采用BCALoD算法对获得的船体六自由度进行工况分类,运用多体动力学将运动数据转算为受力时程,将其作为铰节点疲劳寿命分析的载荷谱。采用Abaqus软件建立各铰节点有限元模型以计算热点应力,结合Miner线性疲劳累积损伤理论和雨流计数方法计算疲劳寿命。进一步分析评估基于实测数据的铰节点疲劳设计指标,指出该FPSO软刚臂上铰节点的疲劳寿命不足以支持其完成服役,且各铰节点难以统一维护和更换。本研究可为在役软刚臂系泊系统的疲劳寿命计算提供一种新的载荷处理方法,为未来海洋平台的设计提供参考。

浮式生产储油轮诱导软刚臂系泊系统的动力响应

建立软刚臂系泊系统的理论模型和动力方程,模拟实际几何与物理特性及作用机制.开发误差判断结合变步长迭代搜索的数值逼近求解方法和软件,计算分析软刚臂系泊系统在浮式生产储油轮(FPSO)空间6自由度运动诱导下的动力响应特性,并进行模型试验验证.结果表明,该模型的数值计算与试验结果符合很好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊FP-SO系统动力性能的实时监测或理论预报.建议进一步研制实时监测装置,实现安全监控与防护.

软刚臂系泊系统水平恢复力特性数值预报

建立软刚臂系泊系统的理论模型以及6自由度静恢复力特性计算分析的数学模型,模拟实际几何关系与力学作用机制。提出基于误差判断的变步长迭代搜索的数值逼近求解方法,以QHD32-6 FPSO软刚臂系泊系统的纵向和横向水平恢复力特性为例进行数值预报,并与国外设计公司计算结果以及模型试验结果进行比较分析。对比显示,该模型的数值计算结果符合良好,而且迭代计算次数少、收敛快、误差小,可用于海上软刚臂系泊系统静恢复力特性的预报。

软刚臂系泊系统多体动力行为模拟和实测验证

为了研究浮式生产储卸油装置软刚臂系泊系统在服役海况下的多体动力学行为,本文将软刚臂系泊系统的铰结构进行拆分,结合现场原型监测信息,开展了适用于现场应用的软刚臂系泊系统的三维多体动力学模拟研究。利用现场监测冗余信息,验证了多体动力学模拟方法对在役软刚臂系泊系统各铰和单体运动状态计算的正确性。同时,相对于传统的软刚臂结构的二维力学模型而言,本文所提出的三维多体动力学模型全面地考虑了船体和系泊结构运动的影响,系泊回复力具有明显的波频效应,可更加全面地表征软刚臂系泊系统在服役状态下的结构运动姿态和受力等实时工作状态。

基于现场监测的在役软刚臂系泊系统实时疲劳分析

渤海地区软刚臂系泊系统在服役过程中发生了多次铰节点失效事件,造成严重经济损失,通过铰节点断面分析发现失效的原因为长期循环荷载导致的疲劳问题。基于现场监测技术获得的长期响应信息,对“渤海友谊号”FPSO软刚臂系泊系统展开了实时疲劳分析。通过构建软刚臂系泊系统现场测量公式和多体动力学模型,计算了该软刚臂系泊系统各关键铰节点的长期荷载谱;在此基础上,结合有限元模型评估了该在役软刚臂系泊系统关键铰节点的疲劳寿命。结果表明,该软刚臂系泊系统上铰节点疲劳寿命远小于设计年限,解释了渤海地区多个软刚臂系泊系统发生上铰节点失效的原因。本文研究为在役软刚臂系泊系统的安全运维及未来同类型海洋平台的优化设计提供了参考。

水下软刚臂系泊FPSO-SPM跨接软管更换

简要介绍了FPSO水下软刚臂系泊,对跨接软管更换方案进行了优化,成功组织和实施了我国首次外转塔式水下软刚臂系泊FPSO-SPM跨接软管更换,其设计和施工经验可供类似海事作业参考。

软刚臂系泊系统的保辛多体动力特性分析

软刚臂单点系泊系统(SYMS)是浮式生产储卸油装置(FPSO)的主要系泊方式之一。作为一个典型的多刚体系统,SYMS通过多个铰结构联合作用释放FPSO的旋转自由度,实现了FPSO的动态定位。本文建立了SYMS的多体动力学模型,针对微分-代数方程组求解过程中的积分困难问题,基于祖冲之类方法的思想构建了保辛数值积分方法,所提出的求解格式具有简单且自动满足哈密顿体系的保辛特性,对非线性系统具有较高的求解精度;选取了2组不同海况下的FPSO六自由度实测数据,计算了SYMS的动力响应及其系泊回复力。计算结果表明,相较于传统静力学设计方法,本文所开展的保辛动力学计算可获得动力特性明显的结构受力状态。对于系泊腿、YOKE等结构位移和受力行为的整体力学分析,可更加全面地评价SYMS的整体工作行为。

水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响

系泊系统的定位能力是浅水油田作业的软刚臂式单点系泊FPSO安全作业的重要保障,为研究不同水深/吃水比下单点系泊系统的受力性能,针对一艘16万吨级软刚臂单点系泊FPSO,在线性三维势流理论的基础上,基于多体动力学方法,建立FPSO-系泊腿-软刚臂的耦合模型,采用Newman近似法和Pinkster近似法分析了FPSO所受二阶波浪力,在时域内计算了不同水深/吃水比对系泊系统动力响应性能的影响。结果表明,随着水深/吃水比的增加,Newman近似法计算得到二阶波浪力先增大后减小,引起单点系泊系统载荷先增大后减小;而Pinkster近似法计算得到的二阶波浪力逐渐减下,引起单点载荷逐渐减下。在浅水条件下,Pinkster近似法具有较好的适用性,Newman近似法严重低估了FPSO所受的二阶波浪力;在深水条件下,Newman近似法能满足工程计算的要求;适用两种方法的临界水深/吃水比为1.64。

软刚臂单点系泊系统铰接结构计算分析

塔架式软刚臂单点系泊系统的系泊能力是浮式生产储油装置(FPSO)持续安全作业的关键。软刚臂单点系泊系统通过多个铰接结构共同作用释放的多自由度实现FPSO的系泊定位。针对软刚臂单点系泊系统中铰接结构的多体自由度运动特性问题,参考BZ-28-2S单点系泊系统数据资料,选取不同工况下铰接结构的受力数据,采用有限元ANSYS分析软件对铰接结构的强度和刚度进行分析。结合有限元分析结果,在满足单点系泊装置相关规范要求的条件下,验证了铰接结构设计尺寸及材料选取的合理性。

基于实测的软刚臂横摆疲劳分析

针对浮式生产储存卸货装置中软刚臂系泊系统所产生的横摆问题,运用相位分析方法分析软刚臂横摆与船体横摇的共振现象,研究了软刚臂横摆的疲劳分析方法;以软刚臂上铰点为例,运用雨流计数方法统计上铰点1a的循环次数,并推算出其15a的循环次数,利用有限元方法计算15a的循环次数下的疲劳损伤.结果表明,上铰点的整体损伤达到了0.57.在软刚臂的设计年限内,上铰点存在疲劳失效的隐患风险,亟需寻找切实可行的方法以降低共振所带来的影响.

基于修正Morris筛选的软刚臂单点系泊装置主尺度参数局部敏感性研究

软刚臂单点系泊装置作为典型的大型多体运动结构,设计中考虑的变量众多,其主尺度的确定是设计中的难题。通过Morris筛选法的敏感性分析,采用扰动分析的方式(固定步长5%,扰动范围±25%),以设计中着重关注的最大水平系泊力和水平系泊位移为考察对象,考虑系泊浮体的定常力、高频力和二阶波漂力,建立软刚臂单点系泊理想力学模型,并进行参数局部敏感性分析,以更好地对模型参数的不确定性进行识别,为系统主尺度的设计提供决策依据。结果表明:对于具有13个自由度、8个主要设计变量的软刚臂型单点系泊装置,模型参数中与最大水平系泊力和系泊位移的敏感性大小依次为系泊刚臂长度、系泊腿长度和压载力,设计中应优先考虑确定上述参数值。

正交试验法在软刚臂单点系泊设计中的应用

软刚臂单点系泊系统广泛应用于浅海石油开发领域,软刚臂主尺度的确定是单点系泊设计的关键。设计包括软刚臂长度、系泊腿长度和压载水重量的三因素五水平正交试验,基于多体动力学方法建立FPSO-系泊腿-软刚臂的耦合模型,采用动力分析方法计算不同试验条件下的系泊力,研究三因素对系泊性能的影响。得到三因素对系泊力影响程度依次为软刚臂长度、压载水重量、系泊腿长度,从而确定软刚臂最优主尺度,可为单点系泊系统初步设计工作中的主尺度优化提供一定的参考。

软刚臂上铰节点疲劳失效分析和现场监测方案设计

海洋环境荷载非平稳性、时变性等特点为海洋工程结构设计带来挑战。海洋工程结构设计的不准确性可导致其真实服役时间低于自身设计寿命。针对塔架软刚臂系泊系统上铰节点服役过程中出现的疲劳磨损问题,发展出一种基于原型监测技术的铰节点疲劳寿命实时预估方法。通过开展有限元模拟,建立系泊腿在指定摆动角度下摩擦系数和热点区域应力分布的对应关系,提出了软刚臂上铰节点的原型监测方案。结合不同摩擦系数对铰节点接触面损伤行为的影响,提出了软刚臂主铰结构疲劳寿命计算评估方法,能够实现铰节点疲劳的完整性分析。

虚拟样机技术在FPSO系泊力监测系统设计中的应用

针对难以直接测量FPSO软刚臂系泊系统受力的问题,在对软刚臂系泊系统运动特性进行分析的基础上,提出基于姿态响应的系泊力间接测量方案,通过测量系统角度变化计算系泊力.用Adams建立系泊系统虚拟样机模型,将通过角度变化计算得到的系泊力与仿真得到的系泊力进行对比,两者吻合较好,验证设计方案的正确性.通过在FPSO现场的实施证明测量方案的可行性.

FPSO监测中系泊姿态传感器的动态校准方法

针对浮式生产储油船(FPSO)单点系泊姿态传感器的初始安装误差无法消除,其误差会严重影响系泊力计算精度的问题,提出了一种基于系泊结构运动特性和实测数据的动态校准方法。该方法基于安装在FPSO船体上的高精度GPS实测信息,和软刚臂系泊系统的运动关系方程,采用多样本组合优化法来校准姿态传感器安装误差。在"海洋石油102"FPSO的原型测量数据集上进行验证,结果表明,该方法可以有效地补偿软刚臂系泊姿态传感器的安装误差,为今后海洋平台传感器安装误差的研究提供了新的思路和方法。

FPSO单点系泊监测系统设计与应用

回顾了我国渤海、南海单点系泊系统应用现状,通过典型单点系泊系统事故分析,总结了FPSO单点系泊系统失效原因和关键风险点。以我国常用的软刚臂式和内转塔式2种单点系泊系统为例,分别建立了包括海洋环境、FPSO水动力性能和系泊系统受力等信息在内的单点系泊监测系统,可为作业者提供决策支持;通过对比系泊系统现场工作性能与设计指标测量数据,可验证系统设计的优劣,为今后设计提供改进意见。目前"海洋石油113"、"海洋石油112"FPSO均已安装单点系泊监测系统,为油田安全生产提供了重要支持。

单点系泊船体对艉部推力需求分析

由软刚臂系泊的浮式生产储存卸货装置(FPSO)在渤海海域应用十分广泛,艉部推力在软钢臂的安装与解脱、自航、定点排污和避碰等作业中发挥着重要的作用。采用数值模拟方法分析艉部推力对FPSO的自航能力、系泊状态下纵向和横向运动及水平系泊力、自由状态下的运动产生的影响,从而论证艉部推力存在的必要性。结果表明:艉部推力可为FPSO提供自航能力,对系泊状态下的纵向运动影响很小,反而会增大水平系泊力,对横向运动和自由状态下的运动影响显著。

热-机载荷下系泊头圆筒的数值分析

针对塔架软刚臂单点系泊系统所采用的系泊头圆筒进行理论与Abaqus有限元分析。理论推导出系泊头圆筒的最佳弹塑性界面半径和最佳自增强压力,考虑温度载荷并分为平面应变模型和轴对称模型两种情形对系泊头圆筒受力后的弹塑性应力分布进行有限元数值分析。系泊头圆筒的工作环境温度为(-40~80)℃,圆筒的应力分布与工作环境温度、外部载荷及径比系数等参数有关。在对温度载荷仿真模拟分析中采用重启分析技术以节省计算时间。结果表明:系泊头圆筒应力分布与工作环境温度、外部载荷及滑动轴承厚度等参数存在非线性关系。系泊头圆筒受内压的两主应力分量沿半径方向随着半径的增大周向应力先增大后减小,而径向应力的大小却逐渐减小。

连接缆形式对旁靠外输安全的影响分析

联合考虑FPSO与穿梭油船之间的水动力耦合效应,以及船体与软刚臂系泊系统、连接缆、旁靠靠球之间的相互作用,基于三维势流理论对软刚臂系泊FPSO旁靠外输作业进行多浮体水动力响应时域分析。针对耦合外输系统中的连接缆,分析缆绳刚度、绳长和布置形式的改变对缆绳安全系数的影响。通过不同环境组合下两种典型装载工况结果分析表明:加粗连接缆、交叉布缆、以及调整连接缆长度使得连接缆受力均衡可以有效地提高系统作业安全性。

海洋核动力平台水动力性能试验分析

对采用船体和外转塔软刚臂系泊系统型式的海洋核动力平台进行静水衰减试验、系泊系统刚度试验和风浪流试验,从船体运动、船体线加速度、系泊系统载荷和船体抗倾覆能力四方面校核平台的安全性。针对系泊系统载荷中出现的时历突变问题,从波面升高、船体运动、固定塔架和系泊腿载荷进行分析。结果表明,船体横摇和艏摇运动受流向影响很大,系泊系统载荷的突变主要是由于系泊腿瞬时张紧所致。