甲板上浪对FPSO(浮式生产储油轮)设计的影响外文翻译资料

 2022-11-06 16:10:45

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外文翻译 《The Impact of Green Water on FPSO Design》

李念 船舶xs1301

译文:

甲板上浪对FPSO(浮式生产储油轮)设计的影响

B.Buchner,海事研究所 荷兰

版权所有:1995海洋石油装备年会

本文是在1995年4月1—4号美国德克萨斯州休斯敦举办的第二十七届海洋石油装备年会上发表的

本文经审查提交人提交的摘要中所载信息后,由海洋石油装备协会计划委员会选定提交。所提交的论文的内容未经海洋石油装备会议审查,并可能受到作者的更正。所提出的材料不一定反映海洋石油装备会议或其成员的任何立场。复制权限限于摘要不超过300字,插图不得复制,摘要应包含明显确认本文在何处和由谁提交等信息。

摘要

在风浪天气条件下转塔式FPSO的船艏暴露在波浪作用下。当波浪超过干舷时,可能会导致严重的甲板上浪。这可能会对船艏上的敏感设备造成损坏,如液压旋转头,管道,转塔结构和化学存储品。考虑到一些新设计的趋势,例如将住宿上层建筑放置在船艏的转塔前方,甲板上浪对FPSO设计的影响在未来将变得更加重要。

基于一系列模型试验,本文对甲板上浪载荷在FPSO中起的各种作用提供了一个研究方向。首先描述发生的现象。其次,重点突出显示环境条件的影响,例如波高,波周期和水流速。最后,从几个设计方面来考虑,将会讨论船艏的形状,设备在甲板上的位置和防波堤的形状的影响。

引言

对于船舶和舰艇,甲板上浪对上层建筑,甲板板,舱口和上层设备的损害是常见的。然而,预测甲板上浪程度或甲板湿度的方法比较有限。基于一个护卫舰的模型试验[1],作者在其中表明,这些方法有时是依照的是一些存疑的假设而进行的。因而,开发或改进这些类型的预测方法对于评估在大风浪中船舶的操纵性和安全性是不可或缺的。

对于转塔式系泊FPSO,同样的结论是有效的。但是,与船舶或海军舰艇不同,永久系泊的FPSO在其进入工作状态时不能改变其航向或速度。因此,它们必须能够承受与这些极端条件相关的所有负载。在过去,系统安全的研究一般限于系泊负载,低频运动特性等相关主题。不过,近年来由于砰击和甲板上浪造成的冲击载荷已经成为FPSO设计中的重要因素。由于这种类型的风标系统的船艏总是暴露于波浪作用下,较大的甲板上浪会影响到船艏的敏感设备。液压旋转头,管道,转塔结构和化学存储品等会因此受到损害。考虑到新的FPSO设计的趋势,将住宿上层建筑放置在船首的转塔前方,甲板上浪对FPSO设计的影响在未来将变得更加重要。

因此,本研究的主要目的是研究甲板上浪的发生和加载的现象、问题和趋势。这将基于一系列广泛的模型试验与一个典型的FPSO而进行。现阶段,本文对这些问题提出了一个方向。在后期阶段,将更加详细的讨论分析[2]和计算方面。

模型与仪器

模型

对于模型试验,使用了一个缩尺比1:60的典型160,000 DWT FPSO,在1752米的全负荷吃水深度没有削减的情况下进行测试。它具有8.88米的干舷。没有艏楼甲板,甲板上没有外倾。 这个阶段船艏周围没有设置舷墙,以避免增加流场的复杂性。 虽然舷墙的影响在将来需要进一步调查,但是目前的测试结果和过去的测试之间的一个比较表明,舷墙增加了干舷,但是不会显著地改变甲板上浪水的流动。图1显示了船舶仪器化前甲板的图。主要尺寸,重量数据和稳定性参数在表1中给出。

图1-仪器化FPSO的前甲板

起初的油轮有一个几乎垂直的船艏且没有太多艏外飘(见图2的横剖型线图),为了研究艏外飘对相对运动和甲板上浪的影响,换成一个水线以上有着显著的艏外飘的船艏。这也在如图2中虚线所显示。

图2-带与不带艏外飘的横剖型线图

艏外飘也影响甲板形状,如图1中的虚线所示。如果没有另外说明,本文中给出的结果指的是具有额外艏外飘的船艏。

表1-160,000 DWT FPSO的主要尺寸

为了模拟转塔防护楼或上层建筑,本研究设计了设有仪器的垂直壁。 它的高度为20米,宽度为15米,如图3所示。

仪器和测量

本模型装有多个不同的传感器。参考图1和图3,下面将介绍这些传感器。

垂直和水平波阻探针用于测量相对运动(R1-R7),甲板上的流速(RV1·RV3),甲板上的水头高度(Hi-HiD)和甲板上的水流速度(HV1,HV2)。这种类型的探头水平是初始的,在时间差分之后,它给出了对甲板上的海水的速度进行准确的测量。

对于测力传感器(F2-F4),使用一个连接到刚性轴向力传感器的面板。这些测量的结果表示在面板的总面积上的合成压力(5.725m3)。对于一个面板,F1,一个弹簧结合在面板和传感器之间以研究结构柔性的影响。该分析的结果将在后一阶段提出。在本文中,将使用刚性传感器的结果。

压力传感器P1和P2是硅型应变式高频局部压力传感器。P1位于柔性力板F1的中心。

以2100Hz的采样频率记录力和压力信号,而用150Hz记录所有其它信号。 根据傅汝德缩尺比,将所有测量值按比例缩放至满刻度值。

在本文中,用受力面板(F2-F4)上的总压力作为设计值,而不是来自压力拾取器(P1,P2)的局部压力。 这是从结构的角度来考虑的。 真实结构应该能够承受板域上的总压力。尽管局部可能产生较高的压力,但是总压力才能决定结构对冲击的响应。

图3-甲板结构示意图

试验设置和程序

试验显示,系泊的FPSO,其最严重的甲板上浪通常发生在与船艏共线的风、浪、流条件下。因此,决定将本研究限于艏波。

为了在入射波和船舶运动响应之间寻找一种恒定的相位关系,用来与未来的数值模拟进行比较。因而为了这些理论测试的进行,需要限制船舶的的纵荡运动。这可以通过将模型通过具有滚动轴承的垂直圆柱体附连到盆架上来完成。该圆筒在重心处连接到模型。 对于实际设计测试,FPSO总是连接在系泊系统或等效的水平软弹簧系统上,以在测试期间具有正确的低频行为。如果应用最后一种技术,则最好还要模拟系泊系统的垂直刚度和重量 ,包括其对纵摇运动和升沉运动的影响,估计约为4%[3]。

风对甲板上浪没有影响,但只限于较小的海量。 因此,在本实验中不模拟风。

大部分试验是在没有流速的情况下进行。但是,水流的影响可以通过牵引模型与箱体通过耐波性试验水池来研究。

试验在规则和不规则的波浪中进行。规则波具有12.9s或11.2s的周期,即分别在波长等于船长(lambda;/L=1.0)和波长等于四分之三 船长(lambda;/L=0.75)的深水波中进行。 第一谐波高度等于17.18米(12.9秒)和17.3米(11.2秒)。为了研究对波高变化的影响程度,重复使用周期为11.2 s的波,变化其高度15.76米和14.64米。在水流速度为2.0m/s的情况下,对周期为11.2s的规则波进行校准。

在不规则波中,在具有13.5m的显着波高和12.9s的高峰周期的海浪谱中进行测试,它具有等于3.3倍的峰值放大因子y。在有和没有2.0m/s的水流速度的情况下分别进行为期2小时的满刻度试验。

耐波性试验水池水深达150米的满尺度。

观测现象

研究在甲板上浪加载的趋势,了解在这一复杂的过程中发生的现象是很重要的。在[1]中表明,一些当前的预测方法是基于可能存疑的现象的假设。下面的例子会被提及:

  • 甲板上的水高度等于船艏旁边的波浪运动高度超过干舷的数值[4]
  • 甲板上的水压力等效于静水压力[4],或等效于考虑甲板垂直加速度的静压力修正值[5]
  • 落在甲板上的水看做为破波[6]
  • 甲板上的水的速度等于入射波的线速度或相速度
  • 线性船舶运动理论可用于预报甲板上浪的发生。

在[2]中,将更详细地讨论当前模型试验的结果和[1]中的发现等这些方面。例如在[1]中显示,甲板上的压力不仅是由于为甲板的垂直加速度修正后的静压力。此外,甲板上的水高度的增加速率和甲板的垂直速度起着重要的作用。

说明甲板上的总压力可以表示为:

第一项表示由于甲板的垂直加速度修正的静压力,第二项表示甲板上水高度变化率的影响。

本文更侧重于针对FPSO甲板上浪负载的设计方面,但是,为了更好地理解这些方面,有必要简要描述这些现象。

通常,甲板上浪的发生可以按照以下事件顺序分解:

1.波浪相对运动在干舷之上

2.甲板上的水流运动

3.甲板上的浅水波流动

4.水流抨击结构

下面将描述这四个阶段:

船舶的运动和相对运动

船艏四周的相对运动通常被看作是甲板上浪问题的输入。在[1]和[2]中显示,水平和垂直的相对速度起着重要作用。

相对运动可以通过从局部绝对波浪运动中减去局部垂直运动来计算:

局部绝对波浪运动是由于未受干扰的入射波,以及分别由于船的存在和运动引起的反射波和辐射波组合而成的。在艏波中,局部绝对船舶运动是由于船的纵摇和垂荡运动引起的。从方程式2可以清楚地看出,当局部波浪运动和局部绝对运动很大且不同相时,产生最大的相对运动。这通常发生在波浪频率刚好高于纵摇运动响应的峰值。

相对运动现在通常基于线性绕射分析计算。在该理论中,假定对于每个频率,相对运动幅度和入射波幅度之间的关系可以在频域中表示为响应振幅算子H(m):

为了研究这种线性假设在这些极端条件下是否成立,用DIFFRAC程序计算线性船舶运动和相对运动,并与当前模型测试的结果进行比较。

在图4中,显示了测量和计算船体RAO在不规则波中的垂荡、纵摇和相对运动。

图4-测量和计算船体RAO的垂荡、纵摇和相对运动

确定船舶运动和相对运动是否可以被视为线性的另一种方法是通过检查它们在不规则海况下运动的波峰和波谷的分布。

图5-原始船艏和带有艏外飘的船艏垂荡、纵摇和相对运动的

瑞利分布点。对于相对运动,显示出了水流的分布。

将线性相对运动响应的假设应用于高斯波,Ochi [4]针对某一值R的超越概率P制定了以下表达式:

所得到的超过概率可以在瑞利分布图上呈现为直线。在图5中,显示出了所测量值波峰的分布,以及基于在所处海况中的测量和计算的有效值的理论直线。

基于图4和图5中的结果,大致可得出的合理的结论是,测量的纵摇运动和相对运动的和船体RAO计算所得的之间存在相当大的差异。以及瑞利曲线的弯曲趋势具有相当大的非线性。在[2]中,将更详细地讨论这些非线性的原因。注意船艏形状在静水水线上方的效果,以及与线性理论中的有限波高假设相关的其他方面,例如在甲板边缘上方的相对波浪运动的行为。在本文中,我们观测的结果是有所限制的,即在甲板上浪问题的输入中使用了线性假设,其有效性是有限的。

甲板上的流动

由于其复杂性,水在甲板上的流动是研究甲板上浪问题的一个重要方面。在本模型试验和[1]中报道的试验中发现, 未扰动波的线速度和相速度以及水流到甲板上这些方面,结合波反射和辐射的影响,只能被视为构建这个复杂流动问题的次要因素。

甲板上的流动也不能被看作是破浪问题,这需要首先观察水流的运动。

为了观测研究水的流动,可以在船首的中心线处放置一块薄板。这样,它不会干扰波浪和船舶的运动,并在板上绘制具有5.0米宽和高的参考框架用于分析。使用固定在船舶上的摄像机进行记录。以这种方式,可以分析固定船舶的相对波形轮廓,并作为时间的函数。

图6显示了周期11.2s波高17.3m的规则波的测试结果。 波形轮廓线以0.25秒满刻度时间的步长给出。

图6-水流以周期11.2秒的规则波形式在甲板上流动,

波形轮廓每0.25秒给出一次。

可以分解为以下步骤:

t=0.0s

纵摇角度处于其最大值,并且在船首前方存在几乎垂直的水壁,这个水壁的水平速度几乎为零。

t=0.5s

水流的垂直壁平移到甲板上并开始显着弯曲,就好像它要开始破裂。

t=0.75s

然而,由于甲板上较大的等效静压力,靠近甲板的水开始加速阻碍其破碎。

t=1.25-1.50s

高速水流喷射在甲板上。

在这个过程中,短反射(非线性)和辐射波在入射长波的顶部从船艏开始慢慢传播,见点A和B。

正如其他作者[7,8]报道的,甲板上浪的水流动与其他现象最相似的地方是溃坝理论问题。Stoker基于特征方法[9]广泛讨论了溃坝问题。在这个问题中,假设在时间t = 0,在坝的一侧有垂直的水壁。在该时刻,坝被移除并且水流入空区域。这在图7中示意性的显示出。

图7-理论溃坝问题(来自[7])

甲板上的水流量与坝崩溃前的水压高度成如下比例:

在破裂之前水流可能包括水平速度,并且在水坝的另一侧具有水[8]

虽然水坝断裂确实代表在甲板上的流动的主要项目,但应注意,其应用的可

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