李达—南海FPSO水池模型试验技术研究_Rev02

共12个数值模型（艉部线型采用计算流体力学进行优化去流段）；
数值分析工况：压载和满载500年一遇台风条件下进行运动和系
泊分析。 抛物线法线型修改 （如：FPSO-V3000型线）
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基本设计模型试验研究
不同线型的数值分析—分析结果
运动RAO：由于主尺度和重量重心变化不大，RAO结果差异很小； 系泊系统受力：不同线型导致系泊力变化约4%（未考虑船型造成的
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模型试验结果分析
甲板上浪
艏部上浪较为严重，大多数上浪高低于1.5m，约占上浪总数的86%，极少 数浪高高于4米（百年一遇和五百年一遇均出现），约占上浪总数的1%； 船舯上浪越过主甲板，但未及模块甲板。
上浪截图
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模型试验结果分析
甲板上浪保护措施
在基本设计船艏甲板高度升高0.75米，挡浪板从原来的2.525米抬高至3.5m，以模 型试验采用的艏楼高度为基准（未来得及按基本设计调整意见），相当于增加至 4.25米，大于4m上浪高度要求，越过挡浪板的概率控制为1%以内； 船体主甲板上设备基座适当加强，靠近舷侧的压载泵泵头增加小型挡浪板。
升高0.75米；
抨击：针对艏部出水抨击，建议对艏部船底结构适当加强； 挡浪板高度将综合详细设计模型试验后给出。
（艏楼舷墙高） 原始线型 优化后型线
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提纲
1. 模型试验研究技术路线 2. 基本设计阶段模型试验研究 3. 详细设计阶段模型试验研究 4. 结论和建议
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详细设计模型试验背景和目的
哈工程深水池
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南海FPSO模型试验概况
恩平FPSO总体性能研究技术路线（续）
详细设计：在国外专业海洋工程水池Marintek进行系泊系统试验 以FPSO位移、系泊和立管系统设计为主要目标，指导系泊系统设计，确
定横摇和慢飘阻尼、系泊缆动力放大系数；
在系泊系统方案确定的前提下，进一步确定上浪高度。
基设结束后单点招标，内转塔单点设计方案在详设阶段确定； 详细设计模型试验（挪威Marintek水池）目的：
以FPSO位移、系泊和立管系统设计为主要目标，指导系泊系统设计，
确定最终的横摇和慢飘阻尼、系泊缆动力放大系数、立管和电缆碰撞；
在系泊系统方案确定的前提下，进一步确定上浪高度，调整挡浪板高度。
挪威MARINTEK试验水池
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详设模型试验方案
试验模型建立：缩尺比1:60，根据相似原理模拟船体（含舭龙骨）、STP浮筒 （水下部分）、系泊缆、动态立管和动态电缆。 数据采集：在水池中央设置了浪高仪，验证造波精度；在FPSO上设置8个相 对波高仪，测量FPSO的上浪情况。设置风速仪，流速仪，运动测量设备、系 泊力测量设备、内转塔合力测量设备、加速度测量设备等。
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模型试验结果分析
衰减试验——纵荡
纵荡固有周期：90s（In-line）和140s（ Between-line）； 纵荡阻尼：压载阻尼稍大，为1.2%-1.7%，但 均小于经验公式（满载2.2%，压载1.4%）； 模型试验成果应用： • 固有周期用于校核系泊系统固有特性，以 数值分析为准； • 根据模型试验结果调整纵荡阻尼。
L5-L8 1042m
系缆、立管布置图
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系泊系统和立管
模型试验基础——系泊系统和立管布置
立管和动态电缆：steep-wave型式； 数量：3根立管和2根动态电缆。
立管wenku.baidu.com造图
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模型试验方案
模型试验工况
试验装载工况：满载和压载； 试验环境条件：五百年一遇、百年一遇及疲 劳工况共三组环境条件； 静水试验：验证系泊系统刚度特性；低频纵 荡阻尼；衰减试验测试固有周期和横摇阻尼 ；流力试验；简单的风力试验； 波浪环境条件：选择典型的风浪流环境极值 和角度组合进行试验。
挪威MARINTEK
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提纲
1. 模型试验研究技术路线 2. 基本设计阶段模型试验研究 3. 详细设计阶段模型试验研究 4. 结论和建议
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基本设计模型试验研究
不同线型的数值分析—确定模型的线型
线型优化方法：以南海已有FPSO为母型，采用抛物线移动水线
的方法修改母型船横剖线形状；
线型数量：以母型船为基础，船艏向U型和V型各优化了6个船型，
线型优化结论：以HYSY111（相对
HYSY115更尖瘦）为基础适当调整。
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基本设计模型试验研究
基本设计模型试验结果—上浪和底部抨击现象
上浪：两个模型在压载和满载状态下都有上浪的现象（主要体现在
波浪爬升越过甲板），满载状态下的上浪比压载严重，流与风浪有 夹角时的上浪更严重。但上浪的范围超过挡浪板的次数较少，船中 上浪超过主甲板，但未及工艺甲板；
上浪测试点分布（8个） 15
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系泊系统和立管
模型试验基础——系泊系统和立管布置
系泊系统采用方向性设计，系泊半径 1042-1342米； 系泊缆分布：4根×3组（每组系泊
L9-L12 1042m
L1-L4 1342m
缆内部夹角为4度）； 锚链直径152mm，钢缆直径 126mm，后期分别加强为157mm 和131mm。
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结论和建议
建议：
通过恩平FPSO模型试验及数值分析发现，数值分析相对模型试验来说， 整体上更为保守（运动、上浪、横摇阻尼等），但模型试验也产生了一 些数值分析无法覆盖的技术参数，如模型试验测得的系泊系统慢飘阻尼 偏小，导致系泊系统偏移和受力（动力放大系数DAF）更大，从而调整 了系泊锚链和钢缆直径，建议今后对系泊系统慢飘阻尼和系泊缆动力特 性予以重点关注； 根据模型试验及数值分析结果，在同样载重量的前提下，船体线型对运 动并不敏感，但对系泊系统存在较大的影响。建议在今后的项目中，针 对不同吨位的FPSO，在设计的早期，以总体性能（稳性、运动、上浪 和系泊）为目标，进行适当的船体线型或尺度优化工作。
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南海FPSO模型试验概况
恩平FPSO总体性能研究技术路线
概念设计(前期研究)： 船体线型初步设计；基于稳性和运动性能，确定船体主尺度； 计算流体力学（CFD）方法，以降低静态流荷载为目标，进行线型优化。 基本设计：在国内海洋工程水池进行模型试验（未最终确定系泊缆方案） 以FPSO环境荷载为目标，考虑多种线型，进行数值分析； 考虑两种基础线型，以FPSO环境荷载为主要目标优化船型； 确定初步的上浪范围和高度，调整线型（增加船体艏部外飘）。
底部抨击：在压载状态出现了艏部出水和底部抨击现象； 数值分析上浪结果较模型试验更
严重，主要原因在于数值分析通 常不考虑水线以上线型的影响， 应以模型试验为准；
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基本设计模型试验研究
基本设计模型试验结果—上浪和抨击解决措施
上浪：适当增加船艏外飘，有效避免波浪爬升，艏部加长1.957米，
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结论和建议
结论：
以恩平FPSO为例，阐述了南海FPSO水池模型的技术路线，从船体 线型优化、船体上浪保护、横摇和慢飘阻尼、船体运动和系泊系统受 力等角度出发，在不同阶段、根据不同需求 进行了大量数值分析、两 次模型试验，达到了预期的效果，为船体和系泊系统设计提供了充分 的依据； 本项目根据实际情况，确定了上浪保护的原则，即上浪保护高度不遵 循在海洋工程中通常使用的1/1000极值，本项目通过研究确定，允 许极端设计条件下约1%的上浪越过挡浪板，但对主甲板上设备（尤 其是靠近舷侧的设备）进行适当的上浪保护。
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模型试验结果分析
极限工况系泊系统受力和运动结果——与数值分析对比
数值分析与模型试验结果较为接近，根据试验结果调整数值分析的阻尼、动 力放大系数； 根据模型试验调整系泊锚链和钢缆直径。
模型试验和分析得出的系泊力和偏移比较图
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提纲
1. 模型试验研究技术路线 2. 基本设计阶段模型试验研究 3. 详细设计阶段模型试验研究 4. 结论和建议
修改前
修改后
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模型试验结果分析
极限工况运动和系泊结果
两次模型试验的最大横摇均不到7度，远小于数值分析结果（19度）；最大纵摇大 于7度(与数值分析结果接近)； 风流力使得系缆张力提高了20%~30%。并且，海流力贡献了其中17~20%的影响 。风流力使得X向偏移增加了18%；风比流对平均偏移产生更大的影响。 立管与动态电缆无碰撞（初始数值分析有碰撞），数值分析根据模型试验调整； 在30度风向下，压载工况系缆极值张力11630KN；与此相比，同等条件下满载工 况系缆张力极值仅为10470KN，与初始数值分析趋势（满载为控制工况）相反。
线型，进行模型试验验证。 满载条件下分析结果 （风浪流作用在两组系泊缆间）
基本设计模型试验研究
基本设计模型试验方案（试验水池：哈工程海洋工程水池)
以海洋石油111和115两艘典型FPSO线型为基础，建立两套船模
和初步的系泊系统，进行模型试验，提出船型优化建议。 模型1-以HYSY111为母型 模型2-以HYSY115为母型
最大运动偏移 浪 和 流 IN LINE来浪方向 最大系泊力 浪 和 流
BETWEEN LINE 18来浪方向
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模型试验结果分析
衰减试验——横摇
横摇固有周期：满载20.6s（较数值分析大 2.7s），压载14.7s（较数值分析小1s）； 横摇阻尼：与横摇幅值相关性较大，幅值越 大，阻尼越大，模型试验得到的临界阻尼百 分比为2-7%（7度横摇以内），较经验公式 计算结果略大； 模型试验成果应用： • 横摇固有周期主要用于校验模型惯性矩 ，固有周期以数值分析为准； • 由于经验公式结果略微保守，以经验公 式结果进行水动力分析。
流力变化），船艏越尖瘦，系泊系统受力越小；
线型选择：选择两种典型
8号缆 FPSO-V6000 FPSO-V5000 FPSO-V4000 FPSO-V3000 FPSO-V2000 FPSO-V1000 FPSO-U1000 FPSO-U2000 FPSO-U3000 FPSO-U4000 FPSO-U5000 FPSO-U6000 最小值(T) 46.724 46.735 46.949 46.704 46.694 46.867 48.276 48.398 48.561 48.898 49.469 49.786 最大值(T) 536.020 540.510 535.000 529.694 533.061 529.592 540.918 544.592 543.571 545.306 549.388 555.918 平均值(T) 163.980 164.490 164.388 164.796 165.204 165.510 169.796 170.204 170.408 171.020 171.735 172.347 标准方差 151.633 152.857 152.041 151.980 152.755 152.653 158.673 159.592 159.898 160.408 161.531 162.755 8
2013年(第四届)海洋石油工程技术年会
南海FPSO水池模型试验技术研究
恩平油田群联合开发工程项目组：李达 苏州 2013年9月
提纲
1. 模型试验研究技术路线 2. 基本设计阶段模型试验研究 3. 详细设计阶段模型试验研究 4. 结论和建议
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恩平24-2FPSO概况
恩平FPSO设计概况
恩平油田：位于香港以南200km，番禺区块以西（番禺30-1以西100km） 设计方案：15万吨级非自航，双壳型（双层底、双舷侧） 船级：船体、单点、模块（电站、热站、惰气）入级，双船级（BV、CCS） 系泊方式：内转塔单点系泊系统（带可解脱装置，台风期不解脱） 设计极端环境条件：FPSO和单点主结构采用500年一遇台风，立管和电缆采 用百年一遇台风条件 设计水深：87.1m 设计年限：30年（前15年不进坞） 上部模块重量：12000吨（不可超越）
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基本设计模型试验研究
基本设计模型试验结果—船型线型优化
流阻力：模型1流阻力比模型2小，在满载五百年一遇流速下，模型
1流阻力比模型2小约11%；
运动性能：两个模型由于主尺度几乎一样，运动性能较为接近，线
型导致的运动趋势变化不明显；
系泊力：两种船型由于线型差异较大，其
对系泊力相对较为敏感，模型1较模型2极 端工况系泊力小约6%，与数值分析结果方 向一致，但模型试验的系泊力结果更加敏 感；