进入21世纪以来,油气已经成为各国经济社会发展的重要战略资源。中国已经在深海发现了丰富的油气资源,开发深海石油已经成为中国21世纪重要的能源战略,因此自主研发深水海洋油气开发装备已成为中国重大科技发展计划,其中采用内转塔单点系泊的深海储油FPSO是开发深海油气的关键设施,研究深水单点系泊FPSO的动力响应属于船舶与海洋工程领域的前沿科技问题。 单点系泊FPSO在风浪流的作用下会产生大幅度的运动,尤其深海海域,系泊线长达数千米,海洋环境载荷也远远大于浅水海域,因此FPSO的作业和生存能力面临巨大挑战。FPSO剧烈运动过程中,舱内的原油发生晃荡,同时晃荡也会反作用于船舶,影响FPSO船体的运动响应,因此考虑液舱晃荡与船体耦合,分析FPSO在系泊状态下的运动响应以及系泊系统的张力、内转塔位移等系泊响应,对于保证FPSO作业安全及抵抗海洋恶劣海况的生存能力,具有重要的研究意义与工程价值。 本文以作业水深1800m的深水单点系泊FPSO为研究对象,展开研究工作,主要研究内容及研究成果如下: (1)建立FPSO的水动力计算模型,基于三维势流理论计算了单位规则波作用下的FPSO频域响应,分别计算了是否计及液舱晃荡情况下的RAOs,分析了液舱晃荡对船体运动响应的影响。同时,计算不同水深下FPSO运动RAO、附加质量与辐射阻尼,分析了水深对于FPSO水动力性能的影响。 (2)基于时域耦合方法,计算了多种装载条件与海况条件下考虑液舱晃荡耦合作用的船体运动响应与系泊系统响应,针对百年一遇的海况条件,进行了FPSO运动响应预报,对比不同装载条件及不同海况下的船体运动响应、内转塔水平位移以及系缆最大张力,分析了各种情况下的危险载液率,结合环境条件分析了不同系泊布置方式下的动力响应,为FPSO系泊布置及运动控制提供指导。 (3)计算分析了50%液舱装载条件下液舱晃荡对FPSO船体与系泊系统的耦合运动的影响;研究了系泊缆长度对于FPSO运动响应的影响方式,确定了合理的系缆设计长度。 (4)通过改变环境条件参数与系泊系统参数,分析不同参数条件下的FPSO运动响应与系泊响应,进行了FPSO系泊系统的敏感性分析,研究了不同环境参数及系泊系统参数对FPSO系统动力响应的影响机理及相应规律。 基于大量的计算分析与研究工作,得到了液舱晃荡对于内转塔单点系泊FPSO运动响应的特性,揭示了液舱晃荡对于单点系泊FPSO运动的影响程度,其中液舱储液率是影响FPSO运动的重要影响参数,确定了影响FPSO运动显著的液舱储液率。得到了考虑液舱晃荡耦合作用的FPSO运动响应与系泊系统响应规律,揭示了系缆参数及环境参数对于系泊系统动力响应的影响机理。本文研究工作对于中国深水通用型FPSO的设计与优化具有指导意义,已经在FPSO的研发中得到应用。