新型圓筒型FPSO垂蕩抑制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

白 杰，李 焱, 3，曲志森，唐友剛

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072; 2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300072; 3. 天津大學(xué) 天津市港口與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300350)

浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(floating production storage and offloading system, 簡稱FPSO)作為一種新型的油田開發(fā)裝備，具有功能靈活、開發(fā)風(fēng)險小、適合早期投產(chǎn)和邊際油田滾動開發(fā)等特點(diǎn)，具有光明的應(yīng)用前景。其中船型FPSO是目前主力的油田開發(fā)裝備，但船型浮體對波浪的作用方向非常敏感，運(yùn)動性能差，影響上部設(shè)備與儀器的正常工作[1]。經(jīng)過多年發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型式FPSO的概念，包括多筒式FPSO[2-4]、八角形FPSO[5]、沙漏式FPSO[6]和圓角倒棱臺形FPSO[7]等。2006年挪威Sevan Marine公司設(shè)計建造了世界上第一艘圓筒型FPSO，Rika Afriana[8]利用水動力仿真軟件SESAM對圓筒型FPSO進(jìn)行了運(yùn)動響應(yīng)分析，研究表明，圓筒型FPSO的橫搖和縱搖運(yùn)動性能優(yōu)于船形FPSO，但垂蕩運(yùn)動性能差。SEVAN圓筒型FPSO的垂蕩運(yùn)動固有周期在15～18 s，我國南海百年一遇波浪的譜峰周期也在15 s附近，使其應(yīng)用范圍受到限制。童波等[9]研究了圓筒型FPSO阻尼結(jié)構(gòu)的性能，采用CFD方法分析了阻尼形成機(jī)理以及阻尼特性的影響因素。馬翔宇[10]采用模型試驗方法，對比分析了不規(guī)則波和畸形波作用下圓筒型FPSO的水動力特性，研究了圓筒型FPSO運(yùn)動響應(yīng)和系纜力的影響因素。黃佳等[11]通過對傳統(tǒng)圓筒型FPSO水動力性能模型試驗研究也得出了傳統(tǒng)圓筒型FPSO在百年一遇海況下，垂蕩運(yùn)動幅度大，運(yùn)動性能不佳的結(jié)論。

為了克服圓筒型FPSO垂蕩運(yùn)動性能差的缺點(diǎn)，提出研究一種帶垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO。通過模型的垂蕩縱搖自由衰減試驗，選取最優(yōu)的垂蕩抑制結(jié)構(gòu)型式，并與傳統(tǒng)圓筒型FPSO進(jìn)行運(yùn)動性能的對比。在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國南海海洋環(huán)境條件，設(shè)計新型圓筒型FPSO的系泊系統(tǒng)。通過時域耦合分析得到新型圓筒型FPSO自存工況下的運(yùn)動響應(yīng)，與傳統(tǒng)圓筒型FPSO進(jìn)行比較，驗證了新型圓筒型FPSO的技術(shù)優(yōu)勢。

1 帶有垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO結(jié)構(gòu)特征

新型圓筒型FPSO借鑒傳統(tǒng)圓筒型FPSO外形設(shè)計，將傳統(tǒng)圓筒型FPSO的底部阻尼結(jié)構(gòu)去掉，只保留主筒體，在主筒體的下部增加延伸筒體與垂蕩抑制結(jié)構(gòu)，得到帶延伸筒體與垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的形式，如圖1所示。

新型圓筒型FPSO垂蕩抑制結(jié)構(gòu)安裝在延伸筒體上，圍繞延伸筒體下部環(huán)向布置，如圖1(b)所示。其與延伸筒體的相對位置有兩種形式：垂蕩抑制結(jié)構(gòu)與延伸筒體之間無間隙和垂蕩抑制結(jié)構(gòu)與延伸筒體之間有間隙。垂蕩抑制結(jié)構(gòu)環(huán)向設(shè)有9個艙。每個艙的底板中心位置開設(shè)阻尼孔，頂板四個邊角開設(shè)阻尼孔，海水可由阻尼孔進(jìn)入垂蕩抑制結(jié)構(gòu)，起到增加結(jié)構(gòu)內(nèi)附連水質(zhì)量的作用。阻尼孔位置如圖2所示。保持矩形垂蕩抑制結(jié)構(gòu)頂板與底板的尺寸不變，將外圍板的直徑減小，使頂板與底板外伸，外伸部分被稱為外板邊鋒。由此得到另一種型式的垂蕩抑制結(jié)構(gòu)，稱為外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)。

圖1 圓筒型FPSO主視圖Fig. 1 Main view of cylindrical FPSO

圖2 新型圓筒型FPSO阻尼孔布置圖Fig. 2 New cylindrical FPSO damping hole

2 帶有垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO自由衰減試驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ筒捎脕喛肆εcPVC材料制成，縮尺比為1∶77.8。模型幾何外形如圖3所示，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖3 新型圓筒型FPSO試驗?zāi)Ｐ虵ig. 3 New cylindrical FPSO experimental model

表1 試驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)參數(shù)
Tab. 1 Technical parameters of experimental model

技術(shù)參數(shù)原型參數(shù)試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)主筒體直徑R1/m700.9垂蕩抑制結(jié)構(gòu)直徑R2/m961.234垂蕩抑制結(jié)構(gòu)高度h/m100.128垂蕩抑制結(jié)構(gòu)寬度R3/m120.154延伸筒體高度H/m20.30.261吃水d/m400.514質(zhì)量/kg8.71×107185.1重心/m370.476轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2)6.78×101023.7

采用了四種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行垂蕩和縱搖運(yùn)動的自由衰減試驗，分別是無垂蕩抑制結(jié)構(gòu)，帶有間隙的矩形垂蕩抑制結(jié)構(gòu)(下文簡稱帶矩形垂蕩抑制結(jié)構(gòu))，帶無間隙的矩形垂蕩抑制結(jié)構(gòu)(下文簡稱帶無間隙垂蕩抑制結(jié)構(gòu))，帶有間隙的外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)(下文簡稱帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu))，各結(jié)構(gòu)模型如圖4-圖7所示。為了通過試驗結(jié)果對比得到垂蕩抑制結(jié)構(gòu)對運(yùn)動性能的影響，四種結(jié)構(gòu)均采用了有延伸筒體的型式。外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的截面放大圖如圖8所示。

圖4 無垂蕩抑制結(jié)構(gòu)模型和實(shí)物圖Fig. 4 Model without heave suppression structure

圖5 帶矩形垂蕩抑制結(jié)構(gòu)模型和實(shí)物圖Fig.5 Model with rectangle heave suppression structure

圖6 帶無間隙垂蕩抑制結(jié)構(gòu)模型和實(shí)物圖Fig. 6 Model with gapless heave suppression structure

圖7 帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)模型和實(shí)物圖Fig. 7 Model with outer-edge heave suppression structure

圖8 外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)截面放大圖Fig. 8 Section of outer-edge heave suppression structure

2.2 試驗結(jié)果

通過模型垂蕩和縱搖運(yùn)動的自由衰減試驗，得到了自由衰減曲線。對自由衰減曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，得到不同模型垂蕩和縱搖運(yùn)動的固有周期，再根據(jù)縮尺比換算得到實(shí)尺度平臺運(yùn)動的固有周期。采用消滅曲線方法得到模型的無因次阻尼系數(shù)，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 帶不同垂蕩抑制結(jié)構(gòu)平臺的固有周期(實(shí)尺度)Tab. 2 Natural periods of platforms with different heave suppression structures (actual scale)

表3 不同試驗?zāi)Ｐ偷臒o因次阻尼系數(shù)Tab. 3 Dimensionless damping coefficients of different experimental models

表2數(shù)據(jù)表明，垂蕩抑制結(jié)構(gòu)使平臺垂蕩和縱搖運(yùn)動的固有周期明顯提高。分析表3數(shù)據(jù)得出，相比于無垂蕩抑制結(jié)構(gòu)模型，三種帶垂蕩抑制結(jié)構(gòu)模型的垂蕩無因次阻尼系數(shù)分別增加26.1%、17.4%、33.3%，縱搖無因次阻尼系數(shù)分別增加145%、107%、190%，表明設(shè)置垂蕩抑制結(jié)構(gòu)能夠顯著增加模型的垂蕩阻尼和搖擺阻尼。

表3結(jié)果表明，帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的阻尼增加效果最顯著，因此選擇帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO進(jìn)行頻域計算和浮體與系泊系統(tǒng)的時域耦合分析。

3 帶有垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO頻域計算

隨著水動力計算軟件發(fā)展的日趨成熟，數(shù)值模擬由于其低成本，研究周期短，研究成果綜合性高的特點(diǎn)而在水動力性能計算中得到廣泛應(yīng)用。利用水動力計算軟件AQWA建立了傳統(tǒng)圓筒型FPSO和帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的新型圓筒型FPSO模型，如圖9所示。具體參數(shù)如表4所示。

圖9 傳統(tǒng)和新型圓筒型FPSO平臺Fig. 9 Traditional and new cylindrical FPSO

表4 具體參數(shù)
Tab. 4 Specific parameters

平臺主筒體直徑/m垂蕩抑制結(jié)構(gòu)直徑/m重心(距基線)/m吃水/m質(zhì)量/kg轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2)傳統(tǒng)平臺709620.3198.2×1075.2×1010新型平臺709637408.7×1076.4×1010

計算得到兩種平臺垂蕩和縱搖運(yùn)動的幅頻響應(yīng)函數(shù)如圖10所示。我國南海生存海況的譜峰周期通常在12～18 s之間。頻域分析結(jié)果顯示新型圓筒型FPSO的垂蕩固有周期在20 s附近，遠(yuǎn)離波能集中區(qū)域，減少了發(fā)生波頻共振的機(jī)會。而對于傳統(tǒng)圓筒型FPSO，其垂蕩固有周期在16.25 s附近，處于波能集中區(qū)域，容易發(fā)生共振。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的縱搖RAO出現(xiàn)兩個峰值，這兩個峰值分別對應(yīng)于波浪載荷最大值點(diǎn)與固有周期點(diǎn)，新型結(jié)構(gòu)所受縱搖波浪載荷降低，僅在固有周期點(diǎn)出現(xiàn)峰值。數(shù)值計算得到的固有周期與上文試驗結(jié)果相當(dāng)接近，驗證了數(shù)值計算的正確性。由圖10可見新型平臺的垂蕩和縱搖固有周期相較于傳統(tǒng)平臺都有提升，尤其是垂蕩固有周期的提升可以明顯地改善垂蕩運(yùn)動性能。

圖10 兩種平臺垂蕩和縱搖運(yùn)動的幅頻響應(yīng)Fig. 10 Numerical RAO for roll motion and pitch motion

4 帶有垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO浮體與系纜的時域耦合分析

4.1 系泊系統(tǒng)設(shè)計

系泊纜采用全錨鏈加配重塊的型式，共分為3組，每組包括3根夾角為5°的系泊纜，如圖11所示。每根系泊纜16個配置塊，每個配重塊重5 t。系泊纜的下端與海底基礎(chǔ)相連，距離導(dǎo)纜孔的水平距離為900 m，上端通過主體結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)纜孔連接到起鏈器上，通過起鏈器可以靈活調(diào)節(jié)錨鏈的長度，系泊纜預(yù)張力470 t。導(dǎo)纜孔位于水下40 m處，沿FPSO主體環(huán)向等間隔布置。系泊纜的具體參數(shù)如表5所示。

表5 系泊纜參數(shù)Tab. 5 Mooring line parameters

圖11 新型圓筒型FPSO系泊方式Fig. 11 Mooring method of new cylindrical FPSO

4.2 環(huán)境條件

進(jìn)行系泊分析時考慮的工況是完整自存工況，通常指百年一遇環(huán)境條件，環(huán)境條件具體參數(shù)如表6-表8所示。基于282 m水深，采用AQWA軟件進(jìn)行帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)圓筒型FPSO浮體與系泊系統(tǒng)的時域耦合計算，得到運(yùn)動響應(yīng)以及系纜的張力時間歷程曲線。

表6 波浪參數(shù)Tab. 6 Wave parameters

表7 海流參數(shù)Tab. 7 Current parameters

表8 風(fēng)參數(shù)Tab. 8 Wind parameters

4.3 結(jié)構(gòu)運(yùn)動響應(yīng)

完整自存工況下帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)圓筒型FPSO的垂蕩、縱蕩和縱搖運(yùn)動時歷曲線和響應(yīng)譜如圖12-圖17所示。

圖12 垂蕩時歷曲線Fig. 12 Time history curve of heave

圖13 垂蕩響應(yīng)譜Fig. 13 Response spectrum of heave

圖14 縱蕩時歷曲線Fig. 14 Time history curve of surge

圖15 縱蕩響應(yīng)譜Fig. 15 Response spectrum of surge

圖16 縱搖時歷曲線Fig. 16 Time history curve of pitch

圖17 縱搖響應(yīng)譜Fig. 17 Response spectrum of pitch

在完整自存工況下，波浪頻率集中在0.3～0.6 rad/s區(qū)間。從圖13中可以看到，垂蕩運(yùn)動能量主要集中在波頻區(qū)域。從圖15中可以看到，縱蕩運(yùn)動能量主要集中在兩個區(qū)域，分別為低頻區(qū)域與波浪頻率區(qū)域，低頻區(qū)域運(yùn)動能量占主導(dǎo)，在0.3～0.6 rad/s波頻能量區(qū)域同時存在部分運(yùn)動能量。在圖17中，縱搖運(yùn)動能量集中在三個區(qū)域，分別出現(xiàn)在0.3～0.6 rad/s的波頻區(qū)域，0.1～0.2 rad/s固有頻率區(qū)域以及低頻區(qū)域，其中，固有頻率區(qū)域的運(yùn)動能量占主導(dǎo)?？梢钥吹?，在完整自存工況下，縱搖運(yùn)動與縱蕩運(yùn)動出現(xiàn)了耦合，縱搖運(yùn)動的低頻能量被激發(fā)。對運(yùn)動時歷曲線進(jìn)行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結(jié)果如表9所示。

表9 新型圓筒型FPSO完整自存工況下運(yùn)動響應(yīng)統(tǒng)計表Tab. 9 Motion under the self-existing condition of the new cylindrical FPSO

保持環(huán)境條件不變，采用相同的系泊方式對傳統(tǒng)圓筒型FPSO進(jìn)行時域耦合分析，統(tǒng)計運(yùn)動響應(yīng)值，結(jié)果如表10所示。

對比表9和表10數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)圓筒型FPSO垂蕩運(yùn)動幅值已接近10 m，而新型圓筒型FPSO垂蕩運(yùn)動幅值則維持在3.1 m左右，垂蕩運(yùn)動性能大幅改善。主要原因是新型圓筒型FPSO的延伸筒體與垂蕩抑制結(jié)構(gòu)大幅增加了結(jié)構(gòu)的附連水質(zhì)量，提高了垂蕩運(yùn)動的固有周期，使垂蕩運(yùn)動遠(yuǎn)離了波能集中區(qū)域。

新型圓筒型FPSO的縱搖運(yùn)動性能同樣得到大幅改善，這得益于延伸筒體和垂蕩抑制結(jié)構(gòu)帶來的縱搖阻尼的增加。新型圓筒型FPSO縱蕩平衡位置相比于傳統(tǒng)圓筒型FPSO有所增加，這是因為新型圓筒型FPSO增加了延伸筒體與垂蕩抑制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致縱蕩載荷受力面積增大。

表10 傳統(tǒng)圓筒型FPSO完整自存工況下運(yùn)動響應(yīng)統(tǒng)計表Tab. 10 Motion under the self-existing condition of the traditional cylindrical FPSO

5 結(jié) 語

為了克服圓筒型FPSO垂蕩運(yùn)動性能差的缺點(diǎn)，提出研究一種帶垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的圓筒型FPSO，通過自由衰減試驗，頻域計算和浮體與系泊系統(tǒng)的時域耦合分析，得出以下結(jié)論:

1)設(shè)置垂蕩抑制結(jié)構(gòu)能夠顯著增加模型的垂蕩阻尼和搖擺阻尼，使平臺垂蕩和縱搖運(yùn)動的固有周期明顯提高。延伸筒體和垂蕩抑制結(jié)構(gòu)之間的間隙以及垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的外板邊鋒起到了增加阻尼的作用。帶外板邊鋒垂蕩抑制結(jié)構(gòu)的阻尼增加效果最顯著。

2)頻域計算結(jié)果表明傳統(tǒng)圓筒型FPSO垂蕩固有周期處于波能集中區(qū)域，容易發(fā)生共振。新型圓筒型FPSO的垂蕩固有周期遠(yuǎn)離波能集中區(qū)域，減少了發(fā)生波頻共振的機(jī)會。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的縱搖RAO出現(xiàn)兩個峰值，這兩個峰值分別對應(yīng)于波浪載荷最大值點(diǎn)與固有周期點(diǎn)，新型結(jié)構(gòu)所受縱搖波浪載荷降低，僅在固有周期點(diǎn)出現(xiàn)峰值。新型平臺的垂蕩和縱搖固有周期相較于傳統(tǒng)平臺都有提升，尤其是垂蕩固有周期的提升可以明顯地改善垂蕩運(yùn)動性能。

3)時域耦合分析表明，在百年一遇海況下，新型圓筒型FPSO垂蕩和縱搖運(yùn)動幅值遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)圓筒型FPSO。說明增加延伸筒體與垂蕩抑制結(jié)構(gòu)后，圓筒型FPSO運(yùn)動性能得到大幅改善。

隨著水動力軟件發(fā)展的日趨成熟，數(shù)值模擬由于其低成本，研究周期短，研究成果綜合性高的特點(diǎn)而在水動力性能計算中得到廣泛應(yīng)用，但試驗驗證依然是必要的過程。由于試驗條件和加工工藝的限制，本文的頻域結(jié)果對比和時域結(jié)果對比仍需進(jìn)一步的試驗驗證，這是下一步的工作中的重點(diǎn)。