一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法技术方案

本发明专利技术涉及一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法，包括以下步骤：1)确定缩尺比以及截断因子γ；2)建立垂直方向FPSO和CALM的系泊系统的截断水深下的等效截断模型以及水平方向输油管的截断水深下的等效截断模型；3)根据步骤2)所建立的等效截断系统和步骤1)中所确定的缩尺比，制作各装置的物理模型；4)在所选择环境工况下，对步骤2)中确定的等效截断系统进行分析，并获取FPSO在输油管处的运动时历信息，并将该信息根据缩尺比等效成水池试验条件下的运动时历信息，并将该信息传递给运动控制机构；5)按照步骤1)中确定的缩尺比，将步骤4)中选择的环境工况等效成水池试验条件下的环境工况，用步骤4)确定的运动控制机构替代FPSO与步骤3)中确定的物理模型连接组成本试验的试验装置，在试验水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验。

【技术实现步骤摘要】
一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法
本专利技术涉及一种试验方法，特别是关于一种FPSO(FloatingProductionStorageandOffloadingSystem，浮式储油卸油装置)原油外输系统耦合特性试验方法。
技术介绍
由FPSO、输油管、CALM(CALMBuoy，系泊浮筒)和穿梭油轮组成的原油外输系统在实际生产中得到了广泛的应用，它主要的作用是将FPSO的原油通过输油管输送给CALM，再由CALM传送到穿梭油轮上(如图1所示)。CALM和FPSO的距离通常在2000米以上，再加上各自的系泊系统导致整个系统的水平跨距极大，在常规海洋工程水池对整个系统进行耦合特性试验时具有极大的难度。因此必须对整个系统进行水平方向和垂直方向上的等效截断。目前国内外对于管道深水截断方法研究主要集中在立管垂直方向上的等效截断，对于类似输油管水平方向上的大尺度等效截断目前还没有较为明确的方法。第25届ITTC海洋工程委员会讨论并提出了模型在水平方向和垂直方向上的等效截断原则，但是并未给出水平方向上管线的具体截断方法。王宏伟等在《哈尔滨工程大学学报》2012年第12期上发表论文提出了钢悬链线立管等效截断方法，该方法主要基于系泊系统的等效截断方法，主要目的为保持立管的静态特性不变,并且悬链线形式的钢悬链立管和悬浮在水中的输油管具有不同的形态特征，所以该方法在此并不适用。此外，原油外输系统的耦合特性水池试验涉及到FPSO、CALM和穿梭油轮等多个浮体，若想同时进行FPSO和CALM、穿梭油轮等结构物的耦合特性试验必然存在着两个问题：1、FPSO和CALM主尺度上的差异，FPSO长度约为300米，最佳缩尺比在1：70-1:90之间；而CALM主尺度约为20米，最佳缩尺比在1：30-1：50之间。若以CALM为基准选择大的缩尺比，则FPSO的物理模型尺寸过大，模型加工和进行试验都极为不便。若以FPSO为基准选择较小的缩尺比，则CALM的模型尺寸过小，模型加工的精度难以控制，而且在水池试验中的过小的物理模型会导致粘性效应过大而影响准确度。2、系统水平跨距过大，在水池中进行多工况的模型试验，则需要综合考虑合理的布置整个系统：FPSO的系泊系统跨距加上输油管的跨距再加上CALM系泊系统的水平跨距，需要很大的空间来布置，常规的海洋工程水池很难实现。针对上述两个问题，进行了相关技术的文献检索，发现目前已经进行的类似研究，例如上海交通大学进行了FPSO和CALM外输系统的试验研究，主要采用了将多浮体分开研究的方法，采用不同的缩尺比分别进行FPSO和CALM的试验，而且没有考虑输油管的动态效应以及输油管和浮体之间的耦合特性。又比如荷兰的Marin水池在2001年进行的外输浮筒耦合试验中并未考虑FPSO的影响，仅仅是将输油管固定在池壁上。而MichaelO’Sullivan(人名)在论文《WestofAfricaCALMBuoyOffloadingSystems》中针对西非海域的外输系统进行研究，认为整个外输系统是一个动态耦合的整体，FPSO、输油管和CALM以及系泊系统间相互影响。但是由于受限于水池设备的限制，目前国内对于大跨距多浮体耦合特性的试验研究还处于基本空白阶段。但是在实际生产中浮体和输油管的耦合作用会导致输油管以及系泊系统的疲劳损伤，这在外输系统的设计中是一个极为重要的问题。目前情况下，水池试验往往被海洋工程界认为是比数值模拟更为准确可靠的方法，所以如何将输油管进行水平方向上的等效截断，如何保证整个外输系统在常规海洋工程水池中的布置，从而实现原油外输系统多浮体耦合特性试验是一个很有价值的研究课题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种在常规的海洋工程水池中就能进行大跨距、多浮体的深海外输系统耦合特性试验的FPSO原油外输系统耦合特性试验方法。为实现上述技术目的，本专利技术采取以下技术方案：一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法，包括以下步骤：1)确定缩尺比λ以及截断因子γ；2)建立FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断模型，该等效截断模型包括垂直方向FPSO和CALM的系泊系统的等效截断模型和水平方向输油管的等效截断模型；3)根据步骤2)所建立的FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断系统和步骤1)中所确定的缩尺比λ，制作系泊浮筒、系泊系统、输油管以及穿梭油轮的物理模型；4)在等效截断系统下模拟FPSO对输油管的作用：选择环境工况，在该环境工况下，对步骤2)中确定的FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断系统进行分析，获取FPSO在输油管处的运动时历信息，并将该运动时历信息根据缩尺比λ等效成水池试验条件下的运动时历信息，并将该水池试验条件下的运动时历信息传递给一运动控制机构；5)在水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验：首先，按照步骤1)中确定的缩尺比λ，将步骤4)中选择的环境工况等效成水池试验条件下的环境工况。然后，用步骤4)确定的运动控制机构替代FPSO与步骤3)中确定的物理模型连接组成本试验的试验装置。最后，在试验水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验。所述步骤1)中，截断因子γ的计算方法如下：上式中，Ht为水池能够模拟的截断水深；Hf为FPSO原油外输系统工作的实际水深。所述步骤2)中，水平方向输油管的等效截断方法如下：①对全水深下输油管的各段分别进行截断，截断后各部分长度分别为：L1＝Lleft*γL2＝Lright*γL3＝Lmid*γ上式中，Lleft为全水深下输油管左段的长度；Lright为全水深下输油管右段的长度；Lmid为全水深下输油管位于中间部分的带浮力材料的输油管的长度；L1为截断后全水深下输油管左段的长度；L2为截断后全水深下输油管右段的长度；L3为截断后带浮力材料输油管的长度；②采用长度等于L3的钢缆代替带浮力材料的输油管，并在钢缆两端分别设置一重块，两重块的重量的确定方法如下：上式中，M1为钢缆与输油管左段连接处重块的重量，M2为钢缆与输油管右段连接处重块的重量；T1为输油管作用在FPSO上的预张力，T2为输油管作用在系泊浮筒上的预张力；ρool为输油管单位长度的湿重，ρw为钢缆单位长度的湿重；α为输油管与FPSO的分离角；β为输油管与系泊浮筒的分离角；③确定FPSO与系泊浮筒之间的跨距L，L的计算方法如下：L＝L1*sinα+L2*sinβ+L3上式中，截断水深下初始平衡位置分离角α和β与全水深下的分离角α和β相等；④进行输油管静态响应特性的等效拟合：首先，保持输油管与FPSO相连的输油管一端不动并移动与系泊浮筒相连的输油管一端，将两端输油管静态下顶部的位移-顶部张力曲线和位移-水平回复力曲线与全水深进行对比，并通过调整参数使得二者保持静态等效；然后，保持输油管与系泊浮筒相连的输油管一端不动并移动与FPSO相连的输油管一端，再次将两端输油管静态下的顶部位移-张力曲线和位移-水平回复力曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法，包括以下步骤：1)确定缩尺比λ以及截断因子γ；2)建立FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断模型，该等效截断模型包括垂直方向FPSO和CALM的系泊系统的等效截断模型和水平方向输油管的等效截断模型；3)根据步骤2)所建立的FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断系统和步骤1)中所确定的缩尺比λ，制作系泊浮筒、系泊系统、输油管以及穿梭油轮的物理模型；4)在等效截断系统下模拟FPSO对输油管的作用：选择环境工况，在该环境工况下，对步骤2)中确定的FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断系统进行分析，获取FPSO在输油管处的运动时历信息，并将该运动时历信息根据缩尺比λ等效成水池试验条件下的运动时历信息，并该水池试验条件下的运动时历信息传递给一运动控制机构；5)在水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验：首先，按照步骤1)中确定的缩尺比λ，将步骤4)中选择的环境工况等效成水池试验条件下的环境工况；然后，用步骤4)确定的运动控制机构替代FPSO与步骤3)中确定的物理模型连接组成本试验的试验装置；最后，在试验水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验。

【技术特征摘要】
1.一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定缩尺比λ以及截断因子γ；2)建立FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断模型，该等效截断模型包括垂直方向FPSO和CALM的系泊系统的等效截断模型和水平方向输油管的等效截断模型；3)根据步骤2)所建立的FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断系统和步骤1)中所确定的缩尺比λ，制作系泊浮筒、系泊系统、输油管以及穿梭油轮的物理模型；4)在等效截断系统下模拟FPSO对输油管的作用：选择环境工况，在该环境工况下，对步骤2)中确定的FPSO原油外输系统截断水深下的等效截断系统进行分析，获取FPSO在输油管处的运动时历信息，并将该运动时历信息根据缩尺比λ等效成水池试验条件下的运动时历信息，并将该水池试验条件下的运动时历信息传递给一运动控制机构；5)在水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验：首先，按照步骤1)中确定的缩尺比λ，将步骤4)中选择的环境工况等效成水池试验条件下的环境工况；然后，用步骤4)确定的运动控制机构替代FPSO与步骤3)中确定的物理模型连接组成本试验的试验装置；最后，在试验水池中进行FPSO原油外输系统耦合特性试验。2.如权利要求1所述的一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法，其特征在于：所述步骤1)中，截断因子γ的计算方法如下：上式中，Ht为水池能够模拟的截断水深；Hf为FPSO原油外输系统工作的实际水深。3.如权利要求2所述的一种FPSO原油外输系统耦合特性试验方法，其特征在于：所述步骤2)中，水平方向输油管的等效截断方法如下：①对全水深下输油管的各段分别进行截断，截断后各部分长度分别为：L1＝Lleft*γL2＝Lright*γL3＝Lmid*γ上式中，Lleft为全水深下输油管左段的长度；Lright为全水深下输油管右段的长度；Lmid为全水深下输油管位于中间部分的带浮力材料的输油管的长度；L1为截断后全水深下输油管左段的长度；L2为截断后全水深下输油管右段的长度；L3为截断后带浮力材料输油管的长度；②采用长度等于L3的钢缆代替带浮力材料的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国龙，康有为，王春升，王文伟，康庄，石云，孙丽萍，曹静，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海油研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11