適用于渤海海域浮式核電平臺水動力特性研究基礎(chǔ)與展望

孫雷，羅賢成，姜勝超，劉昌鳳

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240；3.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

近些年我國大力發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)，一些對海洋的開 發(fā)活動日益頻繁，對海上用電需求激增（僅渤海鉆井平臺的能源需求將達到1000 MW）。國家大力實施海洋發(fā)展戰(zhàn)略，大力開發(fā)一些島礁，而對于這些島嶼的開發(fā)工作迫切需要穩(wěn)定和經(jīng)濟的能源支持。針對這一系列問題，海上浮動核電站被認定為近期唯一的徹底解決方案。海上浮式核電站系統(tǒng)主要包括船舶工程系統(tǒng)與核反應(yīng)堆系統(tǒng)。海上浮式核電站可為島嶼開發(fā)、海上油氣田開采、偏遠地區(qū)供電供熱、海水淡化、核能制冷等提供能源支持。由于安全性好（遠離陸地、海水天然熱阱）、電能轉(zhuǎn)化率高（采用核能）、抗震性能強（浮于水面）、經(jīng)濟價值高（市場規(guī)模逾1000億元）、清潔環(huán)保（無碳排放）等，被稱為是未來最可行、最有利的海上供電工具[1]。

1 浮式核電平臺概述

海上核電站的概念最初由美國提出，并逐漸被世界各國所采納。1963年，美國軍方為巴拿馬運河區(qū)供電，將MH-1A核電裝置設(shè)在“自由號”船舶上。1972年，美國西屋電力公司提出將反應(yīng)堆放置在大型駁船上，由拖船拖拽的“離岸”型核電站設(shè)想，為大西洋沿岸供電。隨后麻省理工學(xué)院開發(fā)了浮動甲板式海上核電站，該核電站為圓筒FPSO（浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置）外形，核反應(yīng)堆布置在圓筒形艙室內(nèi)部，平臺采用多點系泊方式，可作業(yè)于深海海域，如圖1所示[2]。近年來，法國研制了下沉式海洋核電站Flexblue，該核電站核反應(yīng)堆沉降在海底，采用遠程控制技術(shù)進行控制，與岸上電網(wǎng)通過海底電纜相連，移位需要水面船艦輔助，如圖2所示。韓國設(shè)計了GBS式浮動核電站，通過混凝土結(jié)構(gòu)作基礎(chǔ)降低風(fēng)險，該核電站繼承了陸地核電站和浮動核電站的優(yōu)勢，既能降低海洋環(huán)境載荷對平臺影響，又能有效減小地震引發(fā)的影響，但仍然無法避免海嘯對其影響，如圖3所示[3]。2016年 7月，俄羅斯研發(fā)的世界上首座海上浮動核電站“羅蒙諾索夫院士號”進入下海測試階段，并計劃于2017年末正式服役。2016年初，國家發(fā)改委批準(zhǔn)了中船重工“國家能源重大科技創(chuàng)新工程海洋核動力平臺示范工程”項目立項，目標(biāo)是實現(xiàn)我國海洋核動力平臺“零”的突破，并結(jié)合我國海洋條件的具體情況，提出了以我國渤海近海FPSO為母型的軟剛臂系泊式浮動核電站[4]，如圖4所示。

圖1 MIT圓筒形浮式核電站

圖2 法國Flexblue沉式核電站

圖3 韓國GBS浮式核電站

圖4 中國軟剛臂系泊式浮動核電站

2 浮式核電平臺初步探討研究

相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式，核電具有消耗資源少、環(huán)境影響力小和供應(yīng)能力強等優(yōu)點，成為目前主要的電力供應(yīng)支柱。相對于陸地核電站發(fā)電方式，采取浮式核電平臺設(shè)計具體以下幾點優(yōu)勢。

1）海上核電站的海域適用性廣。因為核電站在運行過程中會產(chǎn)生巨大能量，所以核電站的選址一般要求靠近水源，最好是靠海，而海上核電站在選址上沒有過多要求，利用現(xiàn)有的海洋平臺設(shè)計經(jīng)驗，完全可以實現(xiàn)在風(fēng)暴中安全自存。海上浮式核電站可以利用其敏捷的移動性，對一些電力難以抵達的地方提供穩(wěn)定強大的電力供應(yīng)。

2）海上核電站可以在船廠的船塢里建造?？梢越档徒ㄔ斐杀九c時間，促進海工裝備的發(fā)展，同時也可以為核動力船舶的建造積累經(jīng)驗。

3）海上核電站有利于促進核電產(chǎn)業(yè)出口。海上核電站利用其廣泛的海域適應(yīng)性與靈活的移動性，可以通過出售或租賃的方式擴展核電產(chǎn)業(yè)的國際市場。

4）發(fā)展海上核電站有利于提高我國水面艦艇核動力裝置研發(fā)水平。

5）海上核電站還有望利用海水淡化緩解人類淡水危機問題。

盡管海洋核動力平臺建立的目的是生產(chǎn)清潔能源，減輕環(huán)境污染，但是海洋核動力平臺本身卻具有一定的安全隱患。主要表現(xiàn)在遇到極端海況時，如果平臺發(fā)生事故，高溫的核心就會烙化底層，穿透駁船落入水中，造成嚴(yán)重的海洋污染。這種污染造成的危害往往是巨大的，難以補救[5-6]。

對于陸地上的核電站，我國已有行業(yè)規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)以及較為完備的法律法規(guī)體系，而對于海洋核電平臺，國內(nèi)尚未有相關(guān)的規(guī)范要求。因此，現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)都是基于《IMO核動力商船安全規(guī)范》、《國際船舶裝運密封裝置輻射性核燃料、環(huán)保強放射性廢料規(guī)則》以及《CCS海上浮式裝置入級與建造規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求進行研究設(shè)計的。浮式海洋核電平臺的安全性要求應(yīng)貫穿其設(shè)計、建造、作業(yè)、報廢的全壽命周期之中，除了滿足核反應(yīng)堆自身安全，還要考慮載體平臺系統(tǒng)的安全性、適應(yīng)性以及成熟性等要求。載體的總體布置、破艙穩(wěn)性、堆艙通風(fēng)、救生消防、防火分艙以及備用急用電源等都需要作為設(shè)計的重點。參考規(guī)范要求，海洋核電平臺對平臺載體具有以下要求：應(yīng)將核反應(yīng)堆裝置布置在船舶水線以下，以滿足核反應(yīng)堆安全性要求；核反應(yīng)堆裝置布置空間應(yīng)滿足封閉性要求；作為載體的平臺應(yīng)具有相當(dāng)?shù)膹姸纫詽M足抵抗極端載荷作用，載體壽命應(yīng)與核反應(yīng)堆裝置相當(dāng)；載體要滿足渤海海域環(huán)境要求，其運動響應(yīng)和加速度等不得超過核反應(yīng)堆裝置的極限要求；便于核反應(yīng)堆裝置進行維修處理與換料。

參考我國新頒布的核動力廠設(shè)計規(guī)定中[7]，明確要求對核反應(yīng)堆損壞概念分析須綜合考慮確定論和概率論的方法。根據(jù)概率安全分析，目前核電站現(xiàn)有的二代型或二代改進型的核反應(yīng)堆發(fā)生堆芯嚴(yán)重損壞事故的概率低于1×10-4/（堆·年），發(fā)生嚴(yán)重的放射性向環(huán)境釋放的概率低于1×10-5/（堆·年），這點已成共識。對于海洋浮式核電平臺，首先必須保證其安全性，為確保海洋核電平臺在惡劣極端海況下（百年一遇、萬年一遇的海況）的結(jié)構(gòu)安全，必須開展海洋核電平臺船型方案和系泊方式的風(fēng)浪流模型試驗，供設(shè)計方提出合理的船型和系泊方案，為海洋核電平臺的設(shè)計提供依據(jù)。

在對核電平臺進行模型試驗的研究過程中發(fā)現(xiàn)，對平臺采用萬年一遇的海況標(biāo)準(zhǔn)（遠超海工百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)）進行風(fēng)浪流水池實驗時，核電平臺的系泊力及運動響應(yīng)與風(fēng)浪流同向時最為不利，這與以往風(fēng)浪流成一定夾角出現(xiàn)極值的認識[8]不符。在風(fēng)浪流同向共同作用下的系泊力及運動響應(yīng)明顯小于波浪單獨作用情況，這與使用目前的商業(yè)軟件AQWA，SESAM等進行數(shù)值計算結(jié)果完全相反。軟剛臂的動態(tài)響應(yīng)特性也凸顯出來，系泊系統(tǒng)在平臺大幅度運動時剛度有明顯下降的現(xiàn)象。這些問題的根源在于極端海況下軟剛臂系泊浮式平臺的水動力特性及機理不明，并缺乏有效的預(yù)報手段。由于海況重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)的提高，核電平臺的運動特性由量變引發(fā)了質(zhì)變，體現(xiàn)出了更強的時變性和非線性，而船級社承認的商用軟件目前大多是采用頻域線性方法，預(yù)報能力不足，這無疑將對海洋核電站的實際使用產(chǎn)生巨大的風(fēng)險。海上核電站的核心問題是安全性，對浮動基礎(chǔ)穩(wěn)定性的限制更加嚴(yán)刻，因此，必將對浮式平臺的水動力性能的評估和預(yù)報提出更高要求。

為探究極端海況下的浮式海洋核電平臺運動性能，針對作業(yè)于渤海海域的浮式海洋核電平臺作業(yè)海況進行了調(diào)研論證，采用推算方法對極端海況進行了模擬計算。

2.1 浮式核電平臺作業(yè)海況研究

渤海海域是一個近封閉的內(nèi)海，地處中國大陸東部的最北端，具體位置在北緯 37°07′～41°0′、東經(jīng)117°35′～121°10′，面積為 77 000 km2，平均深度為18 m。渤海周圍有三個主要海灣：北面的遼東灣、西面的渤海灣、南面的萊州灣（如圖5所示）。渤海以風(fēng)浪為主，隨季風(fēng)的交替具有明顯的季節(jié)性。10月至翌年 4月盛行偏北浪，6～9月盛行偏南浪。渤海風(fēng)浪以冬季為最盛，波高通常為0.8～0.9 m，周期多半小于5 s。1月平均波高為1.1～1.7 m，寒潮侵襲時可達3.5～6.0 m。夏秋之間，偶有大于6.0 m的臺風(fēng)浪。海浪以渤海海峽和中部為最大，遼東灣和渤海灣較小。渤海的平均波高多為0.1～0.7 m，以海峽區(qū)最大，平均為0.8～1.9 m。渤海潮流以半日潮流為主，流速一般為0.5～1 m/s，最強潮流見于老鐵山水道附近，達1.5～2 m/s，遼東灣次之，為1 m/s左右。最弱潮流區(qū)是萊州灣，流速為0.5 m/s左右。冬季，渤海由于強寒潮頻繁侵襲而出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，冰期約為3個多月，常見冰厚為0.1～0.4 m。

圖5 渤海海域海底地形

通過對渤海海域?qū)崪y資料分析，采用矩方法推算滿足萬年一遇極端海況下的波浪、海流、風(fēng)速以及海冰的極值?；舅枷霝椋赫J為波高、潮流、風(fēng)流、海冰等值的分布服從三參數(shù)韋布爾分布，通過使分布的各階矩和樣本的各階矩相等，從而得到分布參數(shù)的估計。推算得到的各環(huán)境參數(shù)見表1—表5：

表1 不同重現(xiàn)期波高周期極值

表2 不同重現(xiàn)期風(fēng)速極值

表3 不同重現(xiàn)期的5 m流速和表面流速極值

表4 不同重現(xiàn)期平整冰厚度 m

渤海各區(qū)的海冰極值分布如圖6所示，表4和表5為不同重現(xiàn)期時的平整冰與重疊冰的厚度。

表5 不同重現(xiàn)期平整冰厚度 m

圖6 渤海各區(qū)海冰分布區(qū)

2.2 浮式核電平臺選型研究

海洋核電平臺系統(tǒng)主要是由船舶系統(tǒng)與核反應(yīng)堆系統(tǒng)組成，而船舶系統(tǒng)主要包括核電平臺系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)。核電平臺系統(tǒng)將針對不同海域情況選取不同類型的平臺。適用于淺海海域的平臺類型包括有自升式、座底式和混凝土式、導(dǎo)管架（立柱式）等。其中，自升式平臺是一種利用自身升降裝置將平臺樁腿插入海底下的可移動式鉆井平臺，一般用于淺海海域[9]。座底式和混凝土式平臺亦稱為鉆駁或插樁鉆駁，該平臺適用水深較淺，水深一般小于30 m以下，該裝置在指定作業(yè)區(qū)域?qū)⒊翂|內(nèi)灌水著落，并達到穩(wěn)定狀態(tài)[10]。對該平臺的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)性方面而言，水深有限并且受到海底條件影響較大，因此不適于作為參考平臺。導(dǎo)管架式平臺亦稱為樁式平臺，其作業(yè)水深通常小于300 m，該裝置采用打樁方式將樁腿固定在海底，由樁腿來支撐平臺，并且抵抗風(fēng)浪流等環(huán)境力，它是目前淺海海域通用的平臺形式[11]。適用于深海海域的平臺類型包括有半潛式、SPAR、張力腿、船型等。

半潛式平臺水線面很小，具有較大的固有周期，與波頻共振的可能性低，運動響應(yīng)小，浮體位于水面以下，波浪作用力小，一般采用懸鏈線錨泊方式[12]。半潛式平臺具有相對總投資小，更大甲板空間和甲板可變載荷、無需海上安裝、全球全天候的工作能力和自存能力的優(yōu)勢。但在惡劣海況下的運動幅度較大、結(jié)構(gòu)安全性有待進一步提高。

Spar平臺共形成了四種典型結(jié)構(gòu)，發(fā)展歷程分別是第一代經(jīng)典式Spar平臺（classic spar）、第二代桁架式Spar平臺（truss spar）、第三代多柱式Spar平臺（cell spar）和新型 Spar平臺（minDoc spar）[13]。Spar平臺適應(yīng)于深海海況，在深海海況下運動性能良好，安全性能較高，靈活性優(yōu)于張力腿平臺，且造價不會隨著水深的增加而急劇提高。Spar平臺由于吃水很大，移位不便，平臺中部結(jié)構(gòu)時刻處于受拉伸狀態(tài)，對平臺結(jié)構(gòu)安全有不利影響，細長直立的圓柱外形，不便于發(fā)電設(shè)備的布置，主體部分有可能發(fā)生渦激運動。

張力腿平臺承受的浮力遠大于自身的重力，多余的浮力依靠張力腿產(chǎn)生的張力來平衡。張力腿平臺運動性能良好，抗惡劣環(huán)境作用能力強，造價相對于固定式平臺較低[14]。當(dāng)工作水深超過1200 m以上的海域時，由于張力腿自身重量較大，張力腿的張力腱運動達到極限，受力發(fā)生較大改變，導(dǎo)致張力腿平臺定位性能較差。另外由于差頻波浪力將引起平臺縱蕩、橫蕩、艏搖三個自由度的共振現(xiàn)象，稱為Spring現(xiàn)象。同時風(fēng)的激振力也會加劇這種慢漂運動，高頻水動力會引起平臺縱搖、橫搖、垂蕩三個自由度的共振現(xiàn)象，稱為Ringing現(xiàn)象。這些共振問題將會隨著水深增大而愈加嚴(yán)重，這將對張力腿平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。此外，張力腿平臺需要進行海底定位，這些問題都將讓張力腿平臺的設(shè)計和安裝施工變得愈加復(fù)雜。

船舶類平臺母型可以分為兩大類船型，F(xiàn)PSO和油船或VLCC（超大型油船）。FPSO開始出現(xiàn)于1977年，具有靈活性高、適應(yīng)海況能力強、存儲油量較大、投資相對較低、重復(fù)使用率高等優(yōu)點，目前FPSO是海上石油油氣開發(fā)的最主要的手段。FPSO適用的水深范圍為20～2000 m，一般由以下三大部分組成：船體部分、單點系泊系統(tǒng)部分和油氣生產(chǎn)存儲部分[15]。FPSO具有如下特點：甲板面積寬闊，便于生產(chǎn)設(shè)備布置，承重能力、抗風(fēng)、浪、流和地震能力強，適應(yīng)水深范圍廣，儲/卸液體貨物能力大，集生產(chǎn)處理、儲存外輸及生活、動力供應(yīng)于一體，一般無動力，有軟剛臂式單點系泊或動態(tài)定位裝置。另外一種是油船改裝，采用油船母型優(yōu)勢包括抗風(fēng)、浪、流和地震能力強，適合于深遠海，全球全天候的工作能力和自存能力。油船一般采用柴油動力，通常采用錨泊式系泊裝置，不易改裝、干舷小、浮力儲備小、甲板上浪、長深比大、縱向彎矩大、尾機型，駕駛艙和生活區(qū)在后面，存在駕駛盲區(qū)[16]。

對于我國渤海海域，因為其屬于較淺海域，平臺類和船舶類都能完美滿足，同時船舶類更容易滿足目標(biāo)吃水條件，并能提供更多的儲備浮力。平臺類和船舶類都具有較好的抗風(fēng)、抗流能力，而平臺的抗浪能力更佳。平臺類依靠樁腿和沉墊對自身進行定位，船舶類依靠系泊系統(tǒng)進行定位。平臺類的工程量、技術(shù)復(fù)雜度要低于船舶類，而其技術(shù)成熟度要高于船舶類。平臺類相對船舶類，由于與海底接觸，要抵抗極高的地震載荷，明顯抗震能力很差，對海底土壤也有更多的適應(yīng)性要求。FPSO和油船等船型類平臺具有靈活性高、抗風(fēng)浪強、工作水深范圍廣、重復(fù)使用率高等優(yōu)點，比較適用于海上石油油氣開發(fā)。另外，F(xiàn)PSO具有較好的浮力儲備，但油船滿載航行時干舷較小、浮力儲備小、甲板易上浪，一般無動力，有單點系泊或動態(tài)定位裝置。有許多FPSO駕駛艙和生活區(qū)在船首，而油船通常采用尾機型，駕駛艙和生活區(qū)在后面。相對油船的系泊系統(tǒng)來講，F(xiàn)PSO由于自身采用單點系泊系統(tǒng)，更容易改裝成目標(biāo)船型。對于張力腿平臺和 Spar平臺，雖然抗風(fēng)、抗浪能力強，但其移位十分不便，而且我國還沒有生產(chǎn)和使用過此種類型的平臺，技術(shù)不成熟。因此，不推薦采用這兩種類型的平臺作為海上動力平臺備選方案。浮式平臺中只有FPSO和半潛式平臺技術(shù)比較成熟、移位比較方便、布置改裝也比較容易，是浮式平臺中最適合用于移動電站的平臺類型。半潛式平臺出現(xiàn)過沉沒事故，而且我國現(xiàn)有的半潛式平臺數(shù)量不多、經(jīng)驗不夠，半潛式平臺結(jié)構(gòu)安全性有待深入研究。同時，考慮到作為海洋核電平臺載體系統(tǒng)的特殊性，選取浮式船型FPSO作為核電平臺改裝船型具有以下幾點優(yōu)勢：可以滿足非能動性核電反應(yīng)裝置對于安全性的要求，盡量降低地震等環(huán)境作用影響，此外船型的雙層底結(jié)構(gòu)可以抵御多種事故載荷，保證核反應(yīng)堆裝置的安全性；單船體艙室具有較大的布置面積，便于核反應(yīng)裝置的布置與安放；目前對于FPSO的設(shè)計經(jīng)驗較豐富，平臺設(shè)計可以借鑒，同時具有較高的經(jīng)濟性；可以借鑒目前已有的核電船民船的設(shè)計規(guī)范；可適用范圍廣，船型的海洋核電平臺不僅可以用于渤海海域，也可以用于較深海域的南海，同時單船船型具有較好靈活性，可以方便安裝海上設(shè)備、核料更換、報廢退役，且安全可靠。因此，對渤海海域建議采用FPSO作為改裝船型。

根據(jù)不同海況，目前FPSO系泊方式主要包括以下系泊方式：單點系泊系統(tǒng)、多點系泊系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)[17]。其中，F(xiàn)PSO廣泛采用單一接觸點的單點系泊系統(tǒng)方式。單點系泊方式門類較多，美國船級社ABS劃分單點系泊系統(tǒng)有以下幾種形式：單錨腿系泊系統(tǒng)（Single Anchor Leg Mooring System）、懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)（Catenary Anchor Leg Mooring System）、轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)（Turret Mooring System）和軟剛臂式系泊系統(tǒng)（Soft Yoke Mooring System）四大類。轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)又分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式（Inner Turret Mooring）（如圖7所示）、外轉(zhuǎn)塔式（External Turret Mooring）（如圖8所示）或浮標(biāo)式轉(zhuǎn)塔系泊形式（Buoy Turret Mooring）、立管轉(zhuǎn)塔系泊形式（Riser Tower Mooring）。軟剛臂式單點系泊也有多種系泊形式，在我國渤海海域采用的軟剛臂式單點系泊系統(tǒng)主要為系泊塔架式軟剛臂系泊系統(tǒng)（如圖9所示）、獨立柱式軟剛臂系泊系統(tǒng)（如圖10所示）。世界上第一套單點系泊系統(tǒng)于1959年出現(xiàn)，該系泊為懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)。第一艘采用單點系泊系統(tǒng)方式的浮式儲油裝置（FPO）于 1972年誕生，工作于突尼斯海域油田。在 21世紀(jì)初時，采用單點系泊系統(tǒng)的 FPSO和FPO將達到500座左右。

圖7 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)

圖8 外轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)

圖9 塔架式軟剛臂系泊系統(tǒng)

圖10 獨立柱式軟剛臂系泊系統(tǒng)

多點系泊系統(tǒng)（Spread Mooring）即船體與系泊系統(tǒng)之間通過多個接觸點連接，將FPSO通過多點系泊系統(tǒng)方式固定于指定位置，開采的原油通過海底管道輸送到FPSO的水下基盤，接著由FPSO舷側(cè)的柔性立管輸送到原油處理模塊。外輸?shù)姆绞桨ㄓ写亢团钥康刃问?，其中，旁靠適應(yīng)于深海海域的輸送方式。另外為減小外輸?？坑痛２吹挠绊?，系泊鏈通常采用導(dǎo)覽器從海底系泊船體。多點系泊方式下的FPSO船體和船首尾方向固定，沒有風(fēng)險標(biāo)效應(yīng)，受到環(huán)境作用力影響較大，因此其系泊海域受限于較為溫和且風(fēng)浪流條件較低的海域。

動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）即通過動力定位浮式系統(tǒng)以實現(xiàn)系泊的方式，該方式系泊系統(tǒng)包括以下系統(tǒng)：動力裝置推進系統(tǒng)、測量裝置系統(tǒng)和定位控制系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代已成功研制和使用動力定位系統(tǒng)，動力定位系統(tǒng)的優(yōu)點是在海洋結(jié)構(gòu)物低速情況下控制有效的驅(qū)動器來抵抗所受環(huán)境力的影響。正常情況下是對船舶或平臺在縱橫蕩、艏搖等自由度下進行動力控制來實現(xiàn)力與力矩平衡。另外動力定位系統(tǒng)造價基本不會受水深影響，且該系泊方式較為可靠、操作方便[18]。

在上述系泊形式中，多點式系泊形式和轉(zhuǎn)塔式系泊形式應(yīng)用得最多，但我國淺水區(qū)域使用較多軟剛臂系泊形式。軟剛臂系泊結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、維修工程量少，且有許多軟剛臂系泊系統(tǒng)成功的應(yīng)用實例以供參考，因此對于作業(yè)于渤海海域的海洋核電平臺適宜采用軟剛臂式單點系泊方式。

3 浮式核電平臺研究技術(shù)手段

目前，針對軟剛臂系泊型海洋核動力平臺的水動力性能的研究甚少，但是對軟剛臂系泊FPSO水動力性能的研究比較豐富，可以為大型核電平臺的研究提供參考。FPSO各種性能研究是我國淺海油氣田開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。其中，國外研究的FPSO大多考慮深海海域情況，對于FPSO工作在淺海海域研究較少。軟剛臂系泊系統(tǒng)在淺水中應(yīng)用的優(yōu)勢明顯，分析淺水軟剛臂系泊FPSO動力響應(yīng)特性方法主要有數(shù)值模擬、原型監(jiān)測及模型試驗三種技術(shù)手段。

3.1 數(shù)值模擬

系泊FPSO水動力性能數(shù)值預(yù)報的早期研究主要基于線性勢流理論，數(shù)值模擬指導(dǎo)工程實際有一定的局限性，但在初步設(shè)計階段可以提煉出研究的關(guān)鍵點，使相關(guān)研究更有針對性[19]，近年來對軟剛臂系泊型FPSO的研究較多。Liao和Chen (2010年)選取了“渤海蓬勃”號 FPSO，對其在作業(yè)海況條件下進行了研究，對比分析了軟剛臂在不同壓載情況下的運動和受力響應(yīng)，對實際FPSO安裝起到了一定指導(dǎo)作用[20]。Duggal（2011年）等對單點系泊系統(tǒng)FPSO在瞬時風(fēng)速可達 50 m/s的暴風(fēng)海況條件下的運動響應(yīng)進行了模擬分析[21]。Wang等（2012年）以淺水軟剛臂系泊FPSO船體為研究對象，采用多體法對系泊結(jié)構(gòu)和FPSO船體的耦合運動和動力響應(yīng)進行了探究[22]。劉曉?。?013年）發(fā)現(xiàn)在FPSO某些自由度運動的固有頻率與低頻波的頻率接近時，產(chǎn)生的大幅共振運動會使系泊力響應(yīng)也大幅增加，準(zhǔn)確預(yù)報這種大幅度的運動與系泊力響應(yīng)是單點系泊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在[23]。劉成義等（2014年）基于三維勢流理論和多體動力學(xué)法，建立了 FPSO-系泊腿-軟剛臂的耦合模型，對軟剛臂單點系泊系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對系統(tǒng)水動力性能的敏感性進行了探究[24]。田冠楠等（2016年）利用Ariane軟件對百年一遇環(huán)境條件下作業(yè)于渤海海域的一艘15萬t級FPSO船體在滿載和壓載兩種工況下的軟剛臂系泊系統(tǒng)的定位能力進行評估[25]。鄭凱等（2016年）利用AQWA軟件對風(fēng)浪流聯(lián)合作用下軟剛臂系泊系統(tǒng)的水動力性能進行了頻域分析，發(fā)現(xiàn)波浪低頻作用大于高頻作用[26]。劉成義等（2016年）針對不同水深/吃水比情況下的軟剛臂單點系泊FPSO船體，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法計算其二階波浪力和軟剛臂載荷，探究了兩種計算方法的適用水深/吃水比條件[27]。

目前針對海洋工程開發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與系泊分析專業(yè)軟件有 SESAM，HYDROSTAR，ARIANE及AQWA等。由于海洋水文環(huán)境包括各種方向的風(fēng)、浪、流組合，浮體與系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，數(shù)值分析軟件對結(jié)構(gòu)和邊界條件的簡化往往過多，對一些計算參數(shù)的選擇隨意性較大[28]。同時，運動的阻尼和流體的黏性有關(guān)，勢流理論是不考慮流體的黏性的。以往的頻域計算理論和時域模擬方法多是基于三維勢流理論，波浪主要考慮線性波。數(shù)值模擬應(yīng)用勢流理論并不能準(zhǔn)確估計FPSO的固有周期、運動響應(yīng)等。此外，F(xiàn)PSO的大幅漂移等極端響應(yīng)會導(dǎo)致船體運動的不穩(wěn)定性，數(shù)值分析方法對這類問題還不能準(zhǔn)確地模擬。

3.2 原型監(jiān)測

原型監(jiān)測是在海洋工程實際結(jié)構(gòu)上進行測量，同步采集FPSO工作海域風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境條件，真實反映了各種海況下結(jié)構(gòu)的荷載與響應(yīng)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可達到檢驗設(shè)計和保障安全的目的，同時可對結(jié)構(gòu)設(shè)計和載荷分析方法進行改進。

齊興斌(2012年)通過原型測量的手段提出了軟剛臂系泊系統(tǒng)可能的失效模式和判別指標(biāo)[29]。陳光（2012年）通過 FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)進行現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了FPSO單點系泊系統(tǒng)產(chǎn)生共振的原因和共振現(xiàn)象考慮的關(guān)鍵因素[30]。王海平（2013年）對原型測量中的水上軟剛臂系泊系統(tǒng)存在的橫向擺動問題進行了研究[31]。武文華等（2015年）針對監(jiān)測過程中系泊腿橫擺異常行為，提出了一種基于原型監(jiān)測的海洋結(jié)構(gòu)疲勞性能分析方法，對軟剛臂單點系泊系統(tǒng)上部鉸接點疲勞特性開展研究[32]。劉莉峰等（2015年）對渤海服役的某軟剛臂系泊FPSO應(yīng)用監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測其在復(fù)雜海況運行期間的綜合受力情況[33]。樊哲良等（2017年）基于實測原型系統(tǒng)，運用相位分析法對軟剛臂系統(tǒng)與系泊船體橫搖共振現(xiàn)象進行了探究[34-36]。

原型監(jiān)測克服了模型試驗的截斷效應(yīng)問題，結(jié)論的可靠性高于模型試驗。由于海洋工程結(jié)構(gòu)受到多種環(huán)境載荷的聯(lián)合作用，原型監(jiān)測不能像物理模型試驗?zāi)菢幽M加載各種典型工況。同時受現(xiàn)場環(huán)境和結(jié)構(gòu)運動復(fù)雜等因素的制約，海洋結(jié)構(gòu)原型監(jiān)測實施較為困難，僅可作為項目研究的參考和補充。

3.3 模型試驗

模型試驗是研究浮式結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪流聯(lián)合作用復(fù)雜問題不可或缺的有效途徑，模型試驗的結(jié)果具有高度的可靠性。模型試驗根據(jù)相似性原理制造縮尺實物模型，通過加載模擬工況得到載荷、運動響應(yīng)等，進而預(yù)測原型的工作形態(tài)。Naciri等(2004)對淺水FLNG船及其軟剛臂系泊系統(tǒng)進行了物理模型試驗研究，發(fā)現(xiàn)淺水系泊FLNG對環(huán)境荷載非常敏感，并指出應(yīng)特別注意淺水不規(guī)則波中的減水(set-down)長波[37]。肖龍飛（2007）通過不規(guī)則波浪作用下的FPSO動力響應(yīng)試驗研究，對淺水效應(yīng)的內(nèi)涵進行了深入解釋[38]。蘇方磊（2016）對軟剛臂系泊FPSO的運動與系泊力響應(yīng)特性進行了試驗研究，系統(tǒng)分析了海洋環(huán)境荷載與結(jié)構(gòu)尺度參數(shù)對淺水軟剛臂系泊FPSO水動力性能的影響[39]。賈勇（2016）對軟剛臂單點系泊式海洋核動力平臺開展了風(fēng)浪流聯(lián)合物理模型試驗，并使用小波分析手段對平臺分別在隨機波浪和聯(lián)合作用波浪群性下的運動響應(yīng)進行分析[40]。王美琪（2016）通過模型實驗（如圖11所示）和AQWA軟件對軟剛臂系泊式海洋核動力平臺在規(guī)則波、不規(guī)則波以及風(fēng)浪流聯(lián)合作用下運動響應(yīng)進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)浪流在不同組合情況下對平臺運動響應(yīng)產(chǎn)生的不同影響情況[41]。

圖11 浮式核電站模型實驗

研究船舶等浮體在某項荷載作用下的響應(yīng)問題時，常假定為線性系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系。FPSO在實際工作工況下，風(fēng)浪流等載荷通常同時存在。波浪在淺水區(qū)傳播時，風(fēng)會引起波浪的提前破碎，流也會引起波浪要素變形。研究己證實風(fēng)和流的存在極大地改變了波浪的傳播形態(tài)[42]，接著將引起波浪的群性和非線性等特征參數(shù)發(fā)生改變。各種環(huán)境荷載因素之間相互作用導(dǎo)致線性系統(tǒng)的疊加性不再成立[43]，因此對FPSO所受風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的試驗研究時，不能簡單地將各因素單獨作用時的結(jié)果進行線性疊加。渤海海域較多出現(xiàn)的極端環(huán)境條件是百年一遇波浪與各種方向的風(fēng)和流的組合，風(fēng)浪流組合的海況遠比只有波浪的工況復(fù)雜，F(xiàn)PSO與軟剛臂系泊系統(tǒng)將呈現(xiàn)空間六自由度的動力耦合。海洋環(huán)境條件及工況組合的復(fù)雜性導(dǎo)致物理模型試驗將繼續(xù)作為FPSO水動力研究的必要手段。

可以看出，對于軟剛臂系泊式FPSO平臺的水動力學(xué)研究，原型監(jiān)測嚴(yán)重依賴于監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展程度，同時受限于監(jiān)測海況的實際情況，僅作為研究的參考依據(jù)。數(shù)值模擬和模型實驗都有各自優(yōu)勢和缺陷，且實際工程中還存在著大量問題。隨著研究的不斷深入，其發(fā)展趨勢必然是以數(shù)值模擬代替模型實驗和原型監(jiān)測。

4 浮式核電平臺研究展望

隨著海洋開發(fā)的不斷深入，系泊平臺水動力學(xué)問題的研究趨勢為：從線性分析到非線性分析，從頻域理論到時域理論。盡管對軟剛臂系泊平臺水動力分析方法的研究已經(jīng)取得了很多重要成果，但是在極端海況作用下水動力問題的研究仍存一些問題亟待解決。

1）如何考慮時域非線性問題，兼顧計算量和存儲量，提高計算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。解決對瞬時復(fù)雜邊界的捕捉及邊界網(wǎng)格重構(gòu)問題，實現(xiàn)對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的長時間精確數(shù)值模擬。

2）如何考慮系泊機構(gòu)的時變特性，兼顧與平臺的相互作用，實現(xiàn)系泊裝置與平臺浮體的實時耦合分析。

由此，有必要對極端海況下軟剛臂系泊海洋核電平臺的水動力問題進行更深入的研究，加深對極端海況系泊浮體運動機理的理解。針對極端海況下有限水深軟剛臂系泊海洋核動力平臺運動中的時域非線性、系泊機構(gòu)時變性、系泊系統(tǒng)與浮體耦合特性等問題的研究存在以下幾個方向。

1）數(shù)值模型的開發(fā)。需要采用合適的波物作用理論，建立可以模擬系泊核動力平臺運動的時域完全非線性數(shù)值模型，使其能夠應(yīng)用于求解完全非線性波浪與系泊浮式平臺相互作用的問題。

2）系泊系統(tǒng)時變剛度數(shù)值計算模型和優(yōu)化方法。針對軟剛臂式系泊系統(tǒng)，推導(dǎo)軟剛臂系泊機構(gòu)的動力計算公式，利用多剛體機構(gòu)的受力及運動協(xié)調(diào)關(guān)系，建立系泊系統(tǒng)的時域受力及運動響應(yīng)數(shù)值計算模型。通過系泊系統(tǒng)的全局參數(shù)化分析，研究影響系泊系統(tǒng)剛度各因素的作用規(guī)律，進行各因素重要性排序，建立系泊系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方法。

3）極端海況下軟剛臂與系泊平臺耦合作用的數(shù)值模擬與實驗研究。將平臺運動的時域非線性的數(shù)值模型與系泊系統(tǒng)時變剛度數(shù)值計算模型對接，建立軟剛臂與系泊平臺耦合作用的數(shù)值模型，開展極端海況下軟剛臂與系泊核動力平臺相互作用的試驗研究。

5 結(jié)語

隨著“國家能源重大科技創(chuàng)新工程海洋核動力平臺示范工程”項目的立項以及深入開展，海洋核動力平臺的安全性能也必將成為國內(nèi)海洋工程界研究熱點之一?；诤四芾玫闹斏餍?，針對極端海況下軟剛臂系泊式海洋核動力平臺水動力性能的研究也必將向著時域非線性、系泊機構(gòu)時變性及系統(tǒng)浮體耦合非線性方向發(fā)展，以便可以準(zhǔn)確地預(yù)報出海洋核動力平臺在服役期間內(nèi)可能遭遇的極端海況下的生存能力，降低風(fēng)險。

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