超大型浮式海上基地概念及模塊形式研究

(寇雨豐, 肖龍飛, 于 皓

)

1.上海交通大學,上海 200030;2.海洋石油工程股份有限公司設計公司,天津 300451

超大型浮式海上基地概念及模塊形式研究

(寇雨豐1, 肖龍飛1, 于 皓2

)

1.上海交通大學,上海 200030;2.海洋石油工程股份有限公司設計公司,天津 300451

回顧了超大型浮式結構物的研究歷程,在此基礎上提出深遠海超大型浮式海上基地概念,對有潛力作為其模塊形式備選方案的新型深海平臺概念進行了調研分析,并提出進一步開展相關研究的建議。

超大型浮式結構物;海上基地;深海平臺;模塊

Abstract:Based on a review of the research on Very Large Floating Structures(VLFS),a new concept of very large floating offshore base is proposed for the application in deepwater oil and gas exploration and production in the South China Sea.This concept is composed of different purpose-built modules connected by mooring lines.For the design of the modules,the recent development of new concepts of deepwater platforms is presented and analyzed.

Key words:Very Large Floating Structure;offshore base;deepwater platform;module

0 引言

海洋油氣是世界經濟發展所需能源之一,為尋找新的海洋油氣資源,世界各國正不斷向深水海域勘探。南海深水海域蘊藏著豐富的油氣資源,是未來我國海洋油氣開發的主要區域。但由于南海海域很廣,最遠的區域距海南島1 000多公里,直升機的續航力無法滿足;且氣候惡劣,夏季臺風和冬季風會威脅海上作業船只。因而,南海油氣開發的后勤補給和安全得不到保障。作為開發利用海洋資源的研究基地、海上中轉基地的超大型浮式結構物(VLFS),國外十分重視對它的研究。在南海未來的油氣開發區域中心如能利用超大型浮式結構物,將其作為存放周邊油氣田開發所需物資的海上補給基地和中轉站,并滿足深水作業船風暴期間臨時停靠的需求,這樣就能解決南海油氣勘探開發的諸多困難。因此,VLFS的研究對南海油氣開發具有重要意義,也是我國實施深遠海資源開發戰略的一項重大任務。

本文回顧了各國對VLFS的研究歷程,在此基礎上提出深遠海超大型浮式海上基地的概念,對有潛力作為其模塊形式備選方案的新型深海平臺概念進行了調研分析,并提出進一步開展相關研究的建議。

1 VL FS經典概念與研究歷程

VLFS是指那些尺度以公里計的浮式海洋結構物。日本和美國對VLFS進行了持續深入的研究,分別提出Megafloat和移動式海上基地(MOB)這兩種具有代表意義的VLFS概念。

Megafloat是一種箱式VLFS概念,包括箱式浮體、錨泊系統、通道以及防波堤等[1]。它是日本提出的一種可以實現陸地功能的人工島,用作海上機場、離岸集裝箱碼頭、浮動應急援救基地等。

1995年,日本專門成立Megafloat技術研究委員會(TRAM),研究Megafloat的設計、建造技術,并通過實地實驗證明海上機場技術的可行性。1999年,TRAM按一個小型機場等比例建成了Phase 2模型,并成功地進行了飛機起降實驗[2]。2001年,TRAM提出了半潛式Megafloat(SSMF)的概念,其具有良好水動力性能的立柱和下浮體,可適應于環境更惡劣的海域[3]。2001年后,日本造船研究中心和日本造船工程師協會繼續對VLFS進行研究,為羽田國際機場的新跑道提出了一個海洋浮式結構的方案[2]。在該方案中,新跑道靠近Tama河的一段是柱-箱混合形式的浮式結構。

2006年,Wang等[4]發現Megafloat的變形存在碟形效應,即中部撓度明顯大于周圍部分。為解決這一問題,便在Megafloat周圍區域設置底部有小孔的箱形單體,讓海水流進箱型體內,使得Megafloat的撓度趨于一致。

浮式風力發電系統是Megafloat的一項重要應用,包括箱式、半潛式、Spar式、巡航式等形式。箱式系統可用于較平靜的海域;半潛式和Spar式系統可用于海況相對惡劣的海域;巡航式系統是半潛式系統的改進,具有自航性能,可以躲避臺風的襲擊。2008年,Manabe等[5]對五下浮體型和雙下浮體型巡航式風力發電系統進行了研究(如圖1所示),水彈性響應分析和強度評估均表明該結構形式是可行的。

與Megafloat不同,MOB更多是為了滿足美國海軍發展的需求。MOB是指由具有推進裝置的多個模塊連接起來的、可固定在海上的多用途浮動后勤基地。它可以作為固定翼飛機和直升飛機的跑道和保障基地,也可以作為貨物的儲存中轉站以便于貨物的運轉[6]。

1992年,美國國防部啟動MOB研究計劃。圍繞建立可移動的后勤基地的目標,海況、靠泊方式、飛行甲板、可移動性、設計壽命、可維修性等設計標準相繼確定。1993年～1997年,Brown&Root MOB、McMOB、獨立半潛式 MOB的概念相繼誕生[7]。這些概念均由幾個半潛式模塊連接而成,各模塊具有其特定的功能。它們分別采用剛性連接器、柔性連接器和動力定位來保持整體性。獨立半潛式MOB如圖2(a)所示。進一步的研究表明[8],作為能夠完成飛機常規起降的海上基地,應由多個模塊相連而成,半潛式是模塊形式的必然選擇。為此,美國海上戰爭中心對單個、兩個和四個半潛式模塊組成的MOB進行了水池實驗研究,美國海軍學院也對半潛式模塊在拖航狀態下的動力特性和在生存海況下的氣隙性能進行了一系列實驗研究。2003年,海上基地被美國海軍定位為海軍建設的三大基石之一,它具有物資中轉、駐扎軍隊、儲備軍事設施和支持飛機起降的功能。在此基礎上,MOB的概念也發生了變化,特指由多個功能模塊組成的較長的海上基地,具有支持飛機常規起降的功能[8]。

VLFS概念在其他國家也得到重視和發展。挪威曾提出混凝土/鋼MOB概念[9],其半潛式模塊由鋼甲板、鋼交叉支柱和水泥主體組成,具有便于拖航、良好的響應特性和靜水力性能等優點,并且半潛式單體可以建造得比較長;挪威還提出柔性橋連接半潛式MOB的概念[10],模塊間采用長度410 m的柔性橋連接,如圖2(b)所示;荷蘭人Pinkster[11]提出了氣墊支撐MOB的概念,認為其相比于其他MOB概念具有中部彎矩較低的優點[12],但有研究發現該MOB概念在波浪作用下存在顯著的共振效應[13];新加坡為提高儲油能力而提出了海上超大型浮式儲油設備(FFSF)的概念[14],FFSF由兩個大型箱式模塊組成,外圍設置了浮動箱式消波堤,大大降低了浮式模塊的垂蕩運動;中國對VLFS的水彈性響應、MOB連接器等也進行了大量深入的研究[15～17]。

2 深遠海超大型浮式海上基地概念

從世界各國對VLFS的研究歷程可以發現,VLFS的概念層出不窮。VLFS的發展呈現出這樣的趨勢:

(1)VLFS的應用領域在拓展。MOB的研究出于美國海上軍事基地的需求;Megafloat最初用作海上機場等,后來被拓寬用作海上風力發電系統;FFSF則是一種海上超大型浮式儲油設備。可以預見,VLFS用途將不斷擴展,而這也決定了其形式的多樣化。

(2)VLFS分為定點式和移動式。MOB是移動式VLFS的典型代表,它不僅要求各模塊能方便地組裝、拆分,還要求某些模塊具有自航能力。而像FFSF這樣的定點式VLFS則對定位、生存能力等更加關注,因此往往需要設置消波堤。

(3)VLFS的模塊形式更加豐富。對于在海灣等遮蔽水域中用作海上機場的箱型模塊是不錯的選擇;對于在海洋環境更加惡劣的深水區域使用的MOB,半潛式模塊長期以來都是主要選擇;Spar型模塊開始引起重視;混合型模塊綜合了多種模塊的優點,具有相當大的潛力。

(4)VLFS的模塊功能更加清晰。特別是作為海上基地的VLFS,需要完成儲藏物資、裝卸貨物、安置人員等多項任務,這就要求各個模塊分工明細。例如,MOB的每個組成模塊往往都有其特殊的功能。

(5)VLFS的模塊之間連接方式多樣化。MOB的模塊間連接方案始終是一項關鍵技術。人們提出用剛性連接器、柔性連接器、柔性連接橋、動力定位等方式來保持MOB的整體性。而對于不需要大面積連續甲板的VLFS,可以采用纜繩、棧橋等方式連接模塊。

但是,目前在各種 VLFS概念中,并沒有為深海油氣開發提供補給的中轉基地,這是由于國內外油氣開發絕大多數集中在補給較為方便的近海。然而南海深水油氣開發需要在離岸1 000多公里的深遠海作業,因此我們在前述研究成果的基礎上提出了深遠海超大型浮式海上基地的概念:深遠海超大型浮式海上基地是由具有儲備物資、庇護船舶、安置人員等功能的多個模塊連接在一起組成的能適應惡劣海況的定點式超大型浮式結構物。圖3為一種深遠海超大型浮式海上基地概念的示意圖。

圖3所示的深遠海超大型浮式海上基地由兩個工程船救助模塊、兩個儲物模塊和兩個起居模塊組成一個六邊形形狀的結構,同功能模塊分布于相對的頂點處,這種布置可使某功能模塊到另兩種功能模塊的距離最短。該海上基地概念并不需要起降運輸機的功能,各模塊間通過纜繩連接并可以搭接棧橋,各模塊與海底間都有系泊系統,這樣任意模塊的定位都是由其與相鄰模塊的纜繩和與海底間的系泊系統共同完成。在作業工況時,模塊間的纜繩收短,并搭接棧橋,人員可以在模塊間走動;在生存工況時,模塊間的纜繩放松,使模塊間距增大,并收回棧橋。

圖3 深遠海超大型浮式海上基地概念示意圖

圖3中的工程船救助模塊主要功能是作為工程船舶的靠泊碼頭,并提供補給和維護服務;儲物模塊主要功能是作為油氣勘探、鉆井、開采過程所需物資的中轉站;起居模塊主要功能是作為基地工作人員、工程船工作人員和周邊油田工作人員的生活場所。

3 深遠海超大型浮式海上基地的模塊形式

對于深遠海超大型浮式海上基地,孤立地看待每個模塊,它就是一個深海平臺。因此,可以根據模塊的功能選擇最有利的模塊形式。不斷涌現的深海平臺概念都是深遠海超大型浮式海上基地模塊的備選形式。下面分別對有潛力作為模塊選型方案的新型半潛式、單柱式、混合形式深海平臺概念進行介紹。

3.1 半潛式平臺

半潛式平臺概念歷經數十年發展。外形結構不斷簡化,立柱數量減少、橫截面積增大,立柱一般為圓形或者圓角方形;下浮體趨向于簡單箱型,常見的是雙下浮體和正方形浮箱,最近還出現三邊形浮箱[18]。半潛式平臺具有適用工作水深廣、抗風浪能力強、甲板面積大、裝載量大、轉移安裝方便和投資較少等優點[19],美國的MOB就采用半潛式模塊。而圖3中的工程船救助模塊采用了雙下浮體的半潛式模塊。

近年來,深吃水半潛式平臺(DDS)概念受到廣泛重視,它比傳統半潛式平臺的吃水增加了10～15 m,既保持了半潛式平臺的優點,又在垂向響應特性上得到明顯改善,其缺點是立柱在遭遇強海流時會產生渦激運動[20]。挪威Aker公司已開發了適用于墨西哥灣的DDS[21]。設置垂蕩板以降低垂蕩運動響應的方案,也被一些新型半潛式平臺概念所采用。Aubault等[22]提出直接在平臺立柱底部設置垂蕩板;Murray等[23]提出在平臺中央設置一個導管架中心井,在中心井下端設置垂蕩板。Versabuoy平臺[24]也是一種新型半潛式平臺,其立柱和平臺甲板為鉸鏈接,這使得立柱可以相對于甲板轉動,降低了平臺甲板及上層建筑的運動。圖4所示為3種新型半潛式平臺概念。

圖4 新型半潛式平臺概念

3.2 單柱式平臺

Spar平臺是最典型的單柱式平臺形式,適用深水和超深水作業,穩性好,運動性能優良,是我國南海油氣開發和海上基地模塊的備選平臺形式。目前,已有Classic Spar、Truss Spar、Cell Spar等3代Spar平臺投入工程應用,新的Spar平臺形式正在研制[25]。除此之外,新型的單柱式海洋結構物也不斷出現,如圖5所示。

挪威Sevan Marine公司開發的Sevan Hull系列平臺具有圓柱形的殼體,底部設置了外部舭龍骨,可以通過錨鏈或動力定位系統進行定位。該系列平臺具有成本低、建造快、承載能力強、響應特性好、應用范圍廣等特點[26],已開始投入工程應用。巴西石油公司提出的MONOBR平臺形式與Sevan系列平臺相似,外形上不同之處在于MONOBR殼體在水線處的直徑有所減小,在惡劣海況下存在甲板上浪的問題[27]。挪威Aker公司提出的Buoyform平臺的外殼為錐形體,具有更強的抵御冰載荷的能力[28]。這幾種新型單柱式平臺的共同特點就是裝載量大,圖3中的儲物模塊采用了與之類似的圓柱殼體的單柱形式。

3.3 混合形式平臺

半潛式平臺和單柱式平臺各有明顯優缺點,將二者結合形成混合形式平臺概念,成為近年來新型深海平臺概念發展的熱點,也為海上基地模塊形式提供了新的選擇,如圖6所示。

圖5 新型單柱式平臺概念

圖6 混合形式平臺

2006年,美國FloaTEC公司提出了桁架半潛式平臺(Truss Semi)的概念[29]。其主體是半潛式平臺,同時借鑒桁架式Spar平臺的理念,設置了幾塊通過桁架連接的垂蕩板,以降低半潛式平臺的垂蕩幅度,桁架則與平臺的立柱相連。美國Bennett&Associates公司提出了新型平臺概念MinDoc3[30]。其有3根立柱,按頂角為146°的等腰三角形布置;立柱的上半部直徑44 m,下半部直徑25 m,分別與上、下浮筒相連。MinD-oc3是半潛式平臺和桁架式Spar的組合改進,雖然外形像半潛式平臺,但其重心位置低于浮心,因此其穩性和動力特性跟Spar平臺相似。ATP公司已于2006年引進了MinDoc3平臺概念,以付諸工程實踐。美國AGR DDS公司提出了多柱式平臺(Multi-column floater)的概念。其主體是半潛式平臺,但其立柱比傳統的半潛式平臺立柱長,且每個立柱由多個直徑較小的圓柱組成,立柱下端與浮筒相連[31]。這實際上是半潛式平臺和Cell Spar的組合設計。

圖3中的起居模塊采用了桁架半潛平臺的形式,是由于其在海洋環境中運動幅度小,可以提供較為舒適的起居環境。

4 總結與建議

國際上關于海上機場、海上基地等VLFS的研究,涵蓋概念設計、動力特性預報、模型實驗等多個領域,不同功能的海上基地在其模塊形式、模塊功能、模塊間連接方式等方面都可能不同。為適應我國未來南海深水油氣大開發的需要,提出深遠海超大型浮式海上基地的概念,即由具有儲備物資、庇護船舶、安置人員等功能的多個模塊連接在一起組成的能適應惡劣海況的定點式超大型浮式結構物。模塊形式的選取,可借鑒性能優良的新型深海平臺概念。深遠海超大型浮式海上基地的研究剛剛起步。有關總體方案設計、模塊選型、模塊運動性能與控制、模塊間的連接方案、多浮體動力響應分析、定位系統、水池模型試驗、海上安裝與連接等一系列關鍵技術問題還需要深入研究。

[1] Suzuki H.Overview of Megafloat:Concept,design criteria,analysis,and design[J].Marine Structures,2005,18(2):111-132.

[2] Sato C.Results of 6 years research project of Mega-float[C].Proceedings of the Fourth International Workshop on Very Large Floating Structures,2003:377-383.

[3] Yoshida K,Suzuki H,Kato S,et,al.A basic study for practical use of semisub-Megafloat[C].Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2001:59-66.

[4] Wang C M,Wu T Y,Choo Y S,et,al.Minimizing differential deflection in a pontoon-type very large floating structure via gill cells[J].Marine Structures,2006,19(1):70-82.

[5] Manabe H,Uehiro T,Utiyama M,et,al.Development of the floating structure for the Sailing-type Offshore Wind Farm[C].OCEANS2008-MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean,2008.

[6] Mcallister K R.Mobile offshore bases-an overview of recent research[J].Marine Science and Technology,1997,3(2):173-181.

[7] 余瀾,李潤培,舒志.移動式海上基地連接器研究現狀與發展[J].海洋工程,2003,21(1):60-66.

[8] Palo P.Mobile offshore base:Hydrodynamic advancements and remaining challenges[J].Marine Structures,2005,18(2):133-147.

[9] Rognaas G,Xu J,Lindseth S,Rosendahl F.Mobile offshore base concepts:Concrete hull and steel topsides[J].Marine Structures,2001,14(1-2):5-23.

[10] Pettersen E.SeaBase,the flexible alternative[C].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2001,1:212-216.

[11] Pinkster J A.The effect of air cushions under floating offshore structures[C].Proceedings of the Eighth International Conference on the Behaviour of Offshore Structures,1997,2:143-158.

[12] Pinkster J A,Meevers Scholte E J A.The behaviour of a large air-supported MOB at sea[J].Marine Structures,2001,14(1-2):163-179.

[13] Lee C H,Newman J N.Wave effects on large floating structures with air cushions[J].Marine Structures,2000,13(4-5):315-330.

[14] Tay Z Y,Wang C M,Utsunomiya T.Hydroelastic responses and interactions of floating fuel storage modules placed side-by-side with floating breakwaters[J].Marine Structures,2009,22(3):633-658.

[15] Fu S X,Moan T,Chen XJ,Cui W C.Hydroelastic analysis of flexible floating interconnected structures[J].Ocean Engineering,2007,34(11-12):1516-1531.

[16] 丁偉,余瀾,李潤培,姚美旺.移動式海上基地(MOB)連接器動力響應試驗研究[J].海洋工程,2005,23(2):11-15.

[17] Key J W,Geiger P R,Norton C V,Clague R E.Semi-submersible floating production facility:US patent 6701861[C].2004.

[18] 楊立軍,肖龍飛,楊建民.半潛式平臺水動力性能研究[J].中國海洋平臺,2009,24(1):1-9.

[19] Hong Y P,Choi Y H,Lee J Y,Kim Y B.Vortex-Induced Motion of a Deep-Draft Semi-Submersible in Current and Waves[C].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2008:453-459.

[20] Rasmussen S,Lu R,Rodningen R.Carving a deep niche for the dry tree semi[J].Offshore Engineer,2007,32(10):33-34,36,38.

[21] Aubault A,Cermelli C,Roddier D.Parametric optimization of a semi-submersible platform with heave plates[C].Proceedings of the 26th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2007(1):471-478.

[22] Murray J,Tahar A,Yang C K.Hydrodynamics of dry tree semisubmersibles[C].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2007:2275-2281.

[23] Mansour A M,Huang E W,Zhong Z Y.Performance evaluation of articulated multi-body floaters in harsh environment[C].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference,2008:120-128.

[24] 張帆,楊建民,李潤培.Spar平臺的發展趨勢及其關鍵技術[J].中國海洋平臺,2005,20(2):6-11,24.

[25] Syvertsen K,Lopes C.The SSP:A new class of hull for the oil industry[C].Proceedings of the 23rd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2004(2):1069-1072.

[26] Masetti I Q,Costa A P,Goulart R,et,al.General view about the design of monocolumn floaters[C].Rio Oil&Gas Expo and Conference,2006.

[27] Institute of Marine Engineers.FPDSO buoy for marginal fields[J].Offshore Technology,1997,5(3):26-27.

[28] Ding Y,Soester W L.Truss semi-submersible offshore floating structure:US patent 20070166109[C].2004.

[29] Gonzalez S.Floating Production Advances:New thinking for deepwater challenges[C].Hart′s E and P,2008.

[30] Horton E.Semi-submersible multicolumn floating offshore platform:US patent 20040253060[C].2004.

Research on the Concept and Module Type of Very Large Floating Offshore Base

KOU Yu-feng1, XIAO Long-fei1, YU Hao2
(1.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China;2.Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China)

P75

A

1001-4500(2010)04-0019-06

2009-11-23; 修改稿收到日期:2010-03-28

國家高技術研究發展計劃(八六三)資助項目(2008AA09A107)

寇雨豐(1986-),男,碩士生,主要從事海洋結構物水動力學的研究。