圓筒形FPSO尺度規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)性能研究

童 波

(中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七O八研究所，上海 200011)

圓筒形FPSO尺度規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)性能研究

童 波

(中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七O八研究所，上海 200011)

首先介紹全球海域圓筒形裝置的工程應(yīng)用案例，對(duì)比圓筒形FPSO相對(duì)常規(guī)船形的優(yōu)勢(shì)，然后以原油儲(chǔ)量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩(wěn)性、系泊系統(tǒng)、排水量等控制參數(shù)為目標(biāo)，研究圓筒形FPSO主尺度選取依據(jù)，分艙原則。重點(diǎn)研究圓筒形裝置的阻尼板結(jié)構(gòu)，此為抑制運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過(guò)模型試驗(yàn)方法分析對(duì)比了水平阻尼板、不同角度錐形阻尼板的特性。最后研究圓筒形裝置運(yùn)動(dòng)性能分析方法，介紹二階響應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)方法，研究垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)的耦合效應(yīng)，分析波頻和低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，從而指導(dǎo)圓筒形裝置設(shè)計(jì)。

圓筒形FPSO；尺度規(guī)劃；阻尼板；模型試驗(yàn)；二階運(yùn)動(dòng)

Abstract: Engineering application cases for cylinder FPSO are introduced. The advantages for cylinder FPSO in comparison with those of ship-shaped FPSO are described. According to oil capacity, deck area, seakeeping, stability, mooring and displacement, the dimension design and tank division are studied. The damping plate is the key equipment to control the motion. Based on the model test results, the feature for horizontal and taper damping plate is analyzed, such as natural period and motion RAO. The numerical calculation method for motion is studied. The method based on second order response is introduced. The couple effect between the heave and the roll is considered. The motion response for wave and low frequency is analyzed. The result agrees well with model test.

Keywords: cylinder FPSO; dimension design; damping plate; model test; second order motion

深海油氣田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)的海上裝置主要有FPSO、半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)和SPAR等型式，其中FPSO是一種兼有原油處理，儲(chǔ)存和卸油功能的浮式油氣生產(chǎn)設(shè)施。FPSO長(zhǎng)期系泊于某一固定海域，將開(kāi)采的海底原油進(jìn)行油、水、氣分離處理后注入貨油艙臨時(shí)儲(chǔ)存，再由穿梭油輪或海底管線外輸。目前FPSO工程上應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)型式有船形和圓筒形，在中國(guó)南海、英國(guó)北海以及巴西等相對(duì)東南亞、西非海況惡劣的海域，使用船形FPSO需采用造價(jià)和維護(hù)成本高昂的單點(diǎn)系統(tǒng)。圓筒形FPSO相比單點(diǎn)系泊船形FPSO具有以下優(yōu)勢(shì)：浮體各向同性，無(wú)旋轉(zhuǎn)；無(wú)風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，節(jié)省單點(diǎn)系統(tǒng)布置空間和設(shè)備費(fèi)用；可以容納支撐更多的立管、臍帶纜和電纜；浮體中拱中垂變形小，利于上部模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；波浪誘導(dǎo)的疲勞載荷較??；浮體總強(qiáng)度抵御惡劣海況能力強(qiáng)；運(yùn)動(dòng)性能良好。

目前運(yùn)營(yíng)的圓筒裝置全部由SEVAN公司設(shè)計(jì)，2007年投入運(yùn)營(yíng)的第一座圓筒形FPSO Piranema Spirit，作業(yè)于巴西海域，水深1 000 m，油處理能力30 000 bod。目前最大圓筒形FPSO作業(yè)于挪威海域，水深400 m，儲(chǔ)油量100萬(wàn)桶，油處理能力100 000 bod。以圓筒形FPSO在中國(guó)南海流花油田開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究為基礎(chǔ)，研究其主尺度規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)性能分析技術(shù)，如圖1所示。

圖1 圓筒形FPSO示意Fig. 1 Picture for cylinder FPSO

1 圓筒形FPSO尺度規(guī)劃

圓筒形FPSO是針對(duì)特定海域、特定油氣田量身定制的，圓筒形和船形FPSO主尺度選取依據(jù)和設(shè)計(jì)原則本質(zhì)相似，主要控制因素包括：原油儲(chǔ)量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩(wěn)性、系泊系統(tǒng)、排水量等。

圓筒形FPSO外形結(jié)構(gòu)主要包括三部分：柱型筒體、底部阻尼板和上部外飄結(jié)構(gòu)。該裝置尺度規(guī)劃中首先根據(jù)目標(biāo)油田艙容需求(包括貨油、SLOP艙、工藝艙和壓載艙等)，滿載排水量需求(包括貨油滿載、100%燃油+淡水、工藝艙部分裝載、系泊立管載荷、作業(yè)載荷以及必要壓載水)，初穩(wěn)性要求和運(yùn)動(dòng)固有周期確定筒體直徑、型深和吃水。圓筒形FPSO的干舷除了滿足穩(wěn)性要求外，更要考慮防止生存海況下的甲板上浪。

通常FPSO載重量占排水量75%，船體鋼料占排水量的13%～16%，壓載水容積占排水量的35%～50%。壓載艙的容積和位置主要為確保原油艙空或部分裝載時(shí)，F(xiàn)PSO的吃水浮態(tài)滿足穩(wěn)性、浮態(tài)和耐波性要求。如果圓筒形FPSO設(shè)置鉆修井附加功能，壓載艙和設(shè)備系統(tǒng)的能力應(yīng)滿足鉆修井系統(tǒng)升沉補(bǔ)償?shù)囊?。圓筒形裝置的初穩(wěn)性由直徑、排水量、浮心高度和重心高度決定，通常各工況最小初穩(wěn)性高在4～5 m?？紤]圓筒形裝置穩(wěn)性時(shí)應(yīng)兼顧運(yùn)動(dòng)固有周期，其中垂蕩固有周期通常大于16 s，橫搖固有周期通常大于30 s。綜合上述因素，圓筒形FPSO的直徑和型深比通常為2左右。

然后根據(jù)圓筒形FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)目標(biāo)確定阻尼板尺度，阻尼板是增加圓筒形裝置附連水質(zhì)量和黏性阻尼的關(guān)鍵裝置，可以有效降低垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)。阻尼板通常為與柱型筒體相連的箱形結(jié)構(gòu)，其高度與油艙雙層底高度一致，通常為2～3 m，其外延徑向長(zhǎng)度與浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、阻尼板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和建造限制相關(guān)。

最后上部外飄結(jié)構(gòu)主要與工藝甲板面積的需求相關(guān)，同時(shí)統(tǒng)籌考慮外飄結(jié)構(gòu)的砰擊載荷影響，與垂直方向的外飄角度通常為25°左右。圓筒形裝置的主甲板和工藝甲板之間的外圍結(jié)構(gòu)采用隔柵狀的擋浪板，既防止甲板上浪又利于危險(xiǎn)區(qū)通風(fēng)。

綜上所述圓筒形FPSO主尺度及其影響因素如表1所示。

表1 主尺度選取依據(jù)Tab. 1 Impact factor for main dimension

圖2是目標(biāo)油田設(shè)計(jì)的圓筒形FWPSO主尺度和外形，該裝置除了原油處理，儲(chǔ)存和卸油功能外，還增加鉆修井功能，因此在筒體中心增加月池開(kāi)口，開(kāi)口尺寸滿足特定海況下鉆井系統(tǒng)作業(yè)要求。

圖2 圓筒形FPSO外形示意Fig. 2 Hull lines for cylinder FPSO

通常認(rèn)為FPSO生產(chǎn)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)期系泊定位在深水不會(huì)有觸底風(fēng)險(xiǎn)，淺水拖航時(shí)艙內(nèi)不再儲(chǔ)存原油，規(guī)范也不要求破艙穩(wěn)性考慮底部破損，原則上可以采用單底。但是圓筒形FPSO雙層底構(gòu)造主要基于以下原因：油艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件少，易于洗艙、掃艙；便于油艙底部結(jié)構(gòu)件的檢查；保溫效果好；更有利于環(huán)保，更好地防止油污染[1]。

圓筒形FPSO分艙結(jié)構(gòu)主要為環(huán)形艙壁和徑向艙壁，環(huán)形和徑向艙壁將貨油艙、工藝艙和壓載艙進(jìn)行有效分隔，艙壁間距的設(shè)置需主要考慮以下因素：艙容需求；減輕結(jié)構(gòu)重量；破艙穩(wěn)性；自由液面效應(yīng)；滿足MARPOL的防污染要求；液艙晃蕩；貨艙檢修不影響生產(chǎn)作業(yè)；設(shè)備系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)圓筒形FPSO尺度規(guī)劃研究，與常規(guī)船形FPSO尺度外形規(guī)劃相比，需特別注意的是阻尼板的結(jié)構(gòu)型式，這也是圓筒形裝置具有優(yōu)良運(yùn)動(dòng)性能，從而抵御惡劣海況的保障?？紤]阻尼板黏性和非線性的水動(dòng)力特性，基于模型試驗(yàn)的方法分析了不同的阻尼板型式對(duì)浮體響應(yīng)固有周期和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO的影響，阻尼板型式包括：水平阻尼板和錐形阻尼板(傾角分別為15°和30°)。不同型式阻尼板的垂蕩和橫搖固有周期，白噪聲RAO響應(yīng)如表2所示。

表2 不同阻尼板對(duì)固有周期的影響Tab. 2 Natural period for different damping plates

由此可知改變阻尼板角度，能夠引起圓筒形FPSO橫搖周期變化，隨著阻尼板角度的增大，圓筒形FPSO的橫搖運(yùn)動(dòng)固有周期逐漸增大，而垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期變化不明顯。

可以發(fā)現(xiàn)不同形式的阻尼板對(duì)垂蕩影響不大，對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)影響較大，如圖3和圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)在波頻范圍內(nèi)不同阻尼板運(yùn)動(dòng)RAO較為接近，隨著阻尼板角度增加，在低頻范圍內(nèi)出現(xiàn)較大差別，且阻尼板角度越小縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大。

綜合運(yùn)動(dòng)固有周期和響應(yīng)RAO，不同阻尼板型式對(duì)垂蕩影響不大，考慮圓筒形裝置的橫搖運(yùn)動(dòng)主要由低頻成分所控制，增大阻尼板角度可以降低橫搖運(yùn)動(dòng)，而且緩解阻尼板與筒體連接強(qiáng)度和疲勞問(wèn)題，建議工程中采用阻尼板和筒體整體相連的錐臺(tái)型式，與水平方向夾角30°左右。

圖3 不同阻尼板型式的橫搖RAOFig. 3 Roll RAO for different damping plates

圖4 不同阻尼板型式的垂蕩RAOFig. 4 Heave RAO for different damping plates

2 基于二階響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)值計(jì)算

在理想流體、流動(dòng)無(wú)旋的假定下，流動(dòng)的基本方程為關(guān)于速度勢(shì)的Laplace方程，其定解條件包括自由面條件和物面條件、海底條件以及輻射條件等。在微幅運(yùn)動(dòng)的假定下，應(yīng)用正則攝動(dòng)法建立流場(chǎng)中不同階次速度勢(shì)必須滿足的定解條件，可以得到精確的一階解，即是所謂的線性理論。然而圓筒形FPSO橫搖固有周期接近35 s，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)既包括波浪頻率區(qū)間的運(yùn)動(dòng)，也包括低頻區(qū)的運(yùn)動(dòng)，二階差頻波浪載荷對(duì)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響是不容忽視的，因此需要計(jì)算基于二階響應(yīng)的垂蕩和橫搖耦合運(yùn)動(dòng)[2]。

在海況條件較大時(shí)，波浪周期較大，并與平臺(tái)的垂蕩固有周期比較接近，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值增加明顯。平臺(tái)的大幅度垂蕩會(huì)導(dǎo)致濕表面積的周期性變化，浮心位置發(fā)生改變，進(jìn)而改變了初穩(wěn)性高GM值，導(dǎo)致了浮體的橫搖/縱搖回復(fù)力矩隨之發(fā)生變化，需要關(guān)注因波浪和運(yùn)動(dòng)引起的濕表面積的變化，以及橫搖回復(fù)力矩變化的非線性影響[3-4]。

采用法國(guó)BV船級(jí)社的HydroStar軟件對(duì)圓筒形FPSO的二階運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算，主要計(jì)算原理：首先采用近場(chǎng)法計(jì)算自由液面和濕表面的二階力，根據(jù)牛頓第二定律獲得二階運(yùn)動(dòng)方程[5]：

進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為頻域計(jì)算方程：

-Δω2M+MaΔω-iΔωBequΔω+K·X=F2Δω

其中，M是浮體質(zhì)量矩陣，Ma是輻射問(wèn)題求解獲得的附加質(zhì)量矩陣；Bquad為二階阻尼；Blin為線性阻尼；Bequ包括了輻射問(wèn)題求解獲得的勢(shì)流阻尼和其他阻尼之和；K為系統(tǒng)總的剛度矩陣；X為浮體的運(yùn)動(dòng)向量；F2為低頻載荷。

對(duì)上式進(jìn)行求解，獲得二階運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)(QTFs)。因?yàn)槎A計(jì)算結(jié)果極值不滿足Rayleigh分布，運(yùn)動(dòng)幅值的估算需要將一階運(yùn)動(dòng)和二階運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，該過(guò)程在HydroStar軟件的Starspec模塊完成。

二階運(yùn)行時(shí)歷數(shù)據(jù)生成過(guò)程：

考慮一列方向?yàn)棣碌膯蜗虿úㄗVS(ω)，為生成時(shí)歷對(duì)波譜進(jìn)行離散。對(duì)于每個(gè)離散點(diǎn)(Ai,ωi,φi)，Ai為i階散點(diǎn)的幅值，ωi為i階散點(diǎn)的頻率，φi為i階散點(diǎn)的相位。

根據(jù)RAO的幅值r(1)(ω,β)和相位α(1)(ω,β)進(jìn)行一階運(yùn)動(dòng)的重建：

根據(jù)QTF的幅值r(2)(ω1,ω2,β)和相位a(2)(ω1,ω2,β)進(jìn)行二階運(yùn)動(dòng)的重建：

進(jìn)一步進(jìn)行短期預(yù)報(bào)的計(jì)算即可獲得包含一階運(yùn)動(dòng)和二階運(yùn)動(dòng)的幅值。

采用上述方法，分別對(duì)滿載和壓載工況，作業(yè)和生存海況的一階和二階運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)考慮了黏性阻尼的敏感性分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算Tab. 3 Calculation results for motion response

由表3可知二階對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略，QTF的橫搖峰值周期接近一階垂蕩固有周期。如圖5所示，表明垂蕩和橫搖的耦合關(guān)系，通過(guò)增加垂蕩阻尼，減小一階垂蕩運(yùn)動(dòng)，可以降低二階橫搖響應(yīng)，因此垂蕩阻尼是控制二階橫搖耦合運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)。尤其在生存海況下，橫搖運(yùn)動(dòng)基本被二階響應(yīng)控制，這一方面由于二階運(yùn)動(dòng)與波高平方成正比，而且橫搖QTF峰值接近惡劣海況譜峰周期。

圖5 不同垂蕩阻尼系數(shù)垂蕩RAO和縱搖QTF比較Fig. 5 Heave RAO and pitch QTF for different heave damping coefficients

文中涉及的目標(biāo)平臺(tái)在風(fēng)浪流水池進(jìn)行了不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，如圖6所示。表4列舉滿載工況下在作業(yè)和生存海況的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，給出了響應(yīng)的最大、最小值以及波頻和低頻值。根據(jù)表4可知，模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算匹配性較好，垂蕩運(yùn)動(dòng)由一階波頻響應(yīng)控制，縱搖運(yùn)動(dòng)由二階低頻響應(yīng)控制，平臺(tái)在風(fēng)載荷、流載荷和系泊系統(tǒng)的不均衡載荷作用下產(chǎn)生初始的橫傾[6]。

表4 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Model test results for motion response

圖6 壓載/滿載工況百年一遇不規(guī)則波試驗(yàn)Fig. 6 Irregular wave test on ballast/full condition for 100a return period

3 結(jié) 語(yǔ)

圓筒形裝置實(shí)際工程應(yīng)用中有5條FPSO、4條鉆井船、3條生活支持船，主要作業(yè)海域在北海和巴西，圓筒形裝置環(huán)境方向性不敏感，整體運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)，良好的耐波性使其在惡劣海況生存能力更強(qiáng)。圓筒形FPSO主尺度選取的主要控制因素包括：原油儲(chǔ)量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩(wěn)性、系泊系統(tǒng)和排水量等。阻尼板的結(jié)構(gòu)型式是圓筒形裝置具有優(yōu)良運(yùn)動(dòng)性能的保障。綜合運(yùn)動(dòng)固有周期和響應(yīng)RAO，不同阻尼板型式對(duì)垂蕩影響不大，增大阻尼板角度可以降低橫搖低頻運(yùn)動(dòng)，而且緩解阻尼板與筒體連接強(qiáng)度和疲勞問(wèn)題。不規(guī)則波運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算匹配性較好，垂蕩運(yùn)動(dòng)由一階波頻響應(yīng)控制，二階對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)的影響可以忽略，縱搖固有周期較大，其運(yùn)動(dòng)由二階低頻響應(yīng)控制，QTF的橫搖峰值周期接近一階垂蕩固有周期，證實(shí)了垂蕩和橫搖的耦合關(guān)系，通過(guò)增加垂蕩阻尼，減小一階垂蕩運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可以降低二階橫搖響應(yīng)。圓筒形FPSO設(shè)計(jì)時(shí)考慮改變橫搖固有周期從而降低二階低頻響應(yīng)。在下一步的研究中還需考慮馬休不穩(wěn)定現(xiàn)象，通過(guò)改變固有周期，調(diào)整垂蕩阻尼，從而一定程度避免馬休不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。

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Dimension design and motion research for cylinder FPSO

TONG Bo

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.012

1005-9865(2017)04-0094-06

2016-09-05

童 波(1983-)，男，天津人，高級(jí)工程師，從事船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)及理論研究工作。E-mail：tongbmaric@163.com