新型對接棱臺狀FPSO的浮體參數和水動力分析

王文華，姚宇鑫，黃 一，葉茂生（大連理工大學船舶工程學院，116024遼寧大連）

新型對接棱臺狀FPSO的浮體參數和水動力分析

王文華，姚宇鑫，黃 一，葉茂生
（大連理工大學船舶工程學院，116024遼寧大連）

為解決傳統船型和棱柱筒狀FPSO的性能局限，提出一種具有對接棱臺狀浮式主體的新概念FPSO.根據所研發的新型對接棱臺狀浮體模型，確定了能夠反映浮體幾何形狀、FPSO基本功能和水動力性能的5個相互獨立的外形參數.然后，采用基于頻域勢流理論的邊界元數值模擬方法研究了新型對接棱臺狀浮體在波浪中的運動響應，并且定性分析了不同浮體外形參數（下傾角、水線面外接圓半徑等）對浮體水動力性能的影響.最后，根據頻域勢流理論和工程近似方法，分析并概括出基于垂蕩運動性能的新型浮體設計準則和方案.在此基礎上，結合某棱柱型FPSO的基本功能（載重量、排水量、儲油空間、上甲板面積的設計值），完成新型FPSO的主浮體設計.通過性能比較，證明了對接棱臺狀FPSO的水動力性能優勢和設計方案有效合理性，以期能夠為深水油氣開發提供一種有效的新型工程裝備和解決方案.

對接棱臺狀浮體模型；外形參數；下傾角；水線面外接圓半徑；水動力性能

隨著海洋油氣的開采逐漸向環境惡劣的深海發展，在深水油氣田開發模式中，FPSO以其儲油量大、承載能力強、適應水深范圍廣等優點已經成為必不可少的重要環節.FPSO作為一種集生產、儲油、外輸、生活、動力于一體的多功能采油設施，有著廣闊的應用前景［1－3］.但是，傳統船型和棱柱狀FPSO的性能存在以下不足［4－5］：傳統船型FPSO對波浪的作用方向非常敏感，在深海環境載荷和單點系泊系統的聯合影響下，FPSO經常會處于斜（橫）向迎浪的狀態，從而導致垂蕩和橫搖運動性能較差；船首長期暴露在波浪作用下，并且縱向尺度較大，因此甲板上浪現象比較普遍且危害很大；在深海環境載荷作用下，會產生頻繁的首搖運動，從而嚴重磨損內轉塔和流體接頭.中海油公司設計的新概念八角棱柱狀FPSO的性能雖然有所改善，但是還具有一些性能局限：浮體垂蕩運動幅度較大；甲板面積較小，居住和工作空間太近，不利于危險區與非危險區分離；容易引發渦激振動.其中，垂蕩是浮體非常重要的運動性能，直接影響到FPSO的甲板上浪和FDPSO的鉆井功能.因此，以提高垂蕩運動性能為主要目標，并且兼顧抑制渦激振動和增大甲板面積，本文提出一種具有對接棱臺狀浮式主體的新概念FPSO.與鉆采平臺相比具有較大的儲油空間，與船型和棱柱狀FPSO相比又具有較好的運動性能、較強的極端海洋環境適應能力以及很高的作業有效性和安全性.能夠廣泛適用于深海和淺海的各種海洋環境，有利于實現各種海域大規模油氣的多功能一體化，具有較好經濟效益［6－9］.此外，新概念采用了一種名為“一種浮式平臺及其裝卸載過程中保持浮態和穩性控制方法”的專利技術，使得新概念在裝卸載過程中排水量和吃水恒定，始終具備最佳水動力性能［10］.

為了能夠給新型對接棱臺狀FPSO的主浮體外形設計提供參考依據和準則，本文根據所研發的新型對接棱臺狀浮體模型，確定了能夠反映浮體幾何形狀、FPSO基本功能和水動力性能的5個相互獨立的外形參數.然后，采用基于頻域勢流理論的邊界元數值模擬方法研究了新型對接棱臺狀浮體在波浪中的運動響應，并且定性分析了不同浮體外形參數（下傾角、水線面外接圓半徑等）對浮體水動力性能的影響，并且進一步定量推導出基于垂蕩運動性能的浮體外形設計準則，制定出新型FPSO的設計方案.在此基礎上，結合某棱柱狀FPSO的基本功能，完成新型對接棱臺狀FPSO的主浮體設計.此外，通過進行模型性能對比，分析了新型FPSO具有的水動力性能優勢.

1 新型對接棱臺狀FPSO浮式主體外形參數的選取

新型FPSO的主浮體為對接棱臺狀結構，該浮體外形主要有如下參數：水線面外接圓半徑RW，上甲板外接圓半徑RT，下底面外接圓半徑RB，干舷f，吃水d，下傾角α、上傾角β、水線面以上體積VT，水線面以下排水體積VB，如圖1所示.其中，根據參數間幾何關系可以確定，對接棱臺狀浮體相互獨立的參數共有5個.這里根據設計初期的需要選擇參數VB、VT、RT、RW和α確定主浮體外形，從而決定FPSO的功用和性能.其中，首先根據FPSO的基本性能要求（設計儲油量、排水量、儲油空間和上甲板面積等），選擇合適的VB、VT和RT；其次通過調整能夠決定水下浮體形狀的兩個參數RW和α，來實現對FPSO水動力性能的優化設計.因此，本文主要研究參數RW和α的變化對FPSO水動力性能的影響.

圖1 對接八角棱臺式主浮體參數示意

2 外形參數RW和α對新型FPSO水動力性能的影響

這里，以PL19－3油田的30萬t超大型FPSO為參考，基于軟件AQWA建立新型對接棱臺狀FPSO主浮體的網格模型圖（如圖2所示）.在此網格模型的基礎上，分析外形參數對其水動力性能的影響［11－12］.

圖2 新型對接八角棱臺狀FPSO主浮體參數示意

2.1 不同α對新型浮體模型水動力性能的影響

首先，在水線面以上體積、上甲板外接圓半徑、排水體積和水線面外接圓半徑一定的情況下（VT＝136 304.46 m3、RT＝59.30 m、VB＝367 151.22 m3、RW＝40.00 m），建立不同下傾角α（40°～60°）的浮體模型，將計算所得縱蕩運動、縱搖運動、縱向平均波浪漂移力和垂蕩運動性能分別展示如圖3所示.

從圖3（a）中可以看出，在ω＜0.2的區間內，縱蕩運動響應直線下降至1.0以下，變化趨勢極為劇烈，并且不同下傾角模型對應的縱蕩RAO基本相同；在0.2＜ω＜0.8的區間內縱蕩運動RAO逐漸減小，直至ω＝0.8附近趨近于零.其中，在波浪能量集中頻率段（0.35＜ω＜0.60）中，下傾角越小的浮體模型縱蕩運動響應RAO越大.在圖3（b）中，縱搖運動響應在0＜ω＜0.7時呈拋物線變化，在ω＝0.4～0.5附近達到峰值，并且隨下傾角的減小而增大；在ω＞0.6的區間，縱搖運動響應出現周期性振蕩衰減變化趨勢.在圖3（c）中，在ω＜0.4的區間內，縱蕩平均波浪力幾乎為零，然后在ω＝0.4附近直線上升，到最大值后開始振蕩衰減.其中，最大的平均波浪漂移力隨著浮體模型的下傾角變小而增大.從圖3中可以看出，外形參數α對浮體縱向水動力性能的影響比較明顯；α越小，在波譜高能頻帶的縱搖運動、縱蕩運動和平均漂移力的響應幅值越顯著.此外，從圖3（d）中可以看出，只在固有頻率附近才有非常窄的垂蕩RAO峰值帶寬，而在兩側RAO會急劇下降.在頻率較小的一側，垂蕩運動響應變化比較平穩，約為1.0.然而，在頻率較大的一側，垂蕩運動RAO由最小值快速增大到峰值后緩慢下降，此處峰值遠遠小于固有頻率處的RAO最大值.因此，如果將浮體垂蕩固有周期設計為遠離波浪能量峰值區域，那么新型FPSO就會具有較好的垂蕩運動性能.此外，浮體模型α越小，垂蕩運動附加質量越大，則垂蕩運動的固有頻率越小，越可能遠離波譜高能頻帶；但是，在固有頻率已經遠離波浪高能頻帶的前提下，繼續減小α，則最小值右側的峰值反而會變大，從而增大新型浮體在波浪中的垂蕩運動幅值.因此，通過改變α可以控制浮體垂蕩運動固有周期，將其設計為遠離波浪能量峰值區域，可以達到提高垂蕩運動性能的目的.

圖3 不同下傾角的浮體模型縱蕩、縱搖運動響應、縱蕩平均漂移力和垂蕩響應

2.2 不同RW對新型浮體模型水動力性能的影響

在水線面以上體積VT、上甲板外接圓半徑RT、排水體積VB和水線面外接圓半徑RW一定的情況下（VT＝136 304.46 m3、RT＝59.30 m、VB＝367 151.22 m3、α＝47.27°），建立不同水線面半徑RW（30～50 m）的浮體模型，將計算所得縱蕩運動、縱搖運動、縱向平均波浪漂移力和垂蕩運動性能分別展示如圖4所示.

如圖4（a）～（c）所示，浮體模型的縱蕩和縱搖運動響應，以及縱蕩平均漂移力會受到水線面半徑的影響，但是影響程度各不相同.其中，水線面半徑越小，縱蕩和縱搖運動響應越小，但是彼此相差不是很明顯，因此在設計中可以不予考慮.但是水線面半徑對縱蕩平均漂移力的作用效果比較顯著，水線面半徑越小，則對應的平均漂移力幅值越小.此外，從圖4（d）中可以看出，隨著浮體模型的水線面半徑逐漸增加，垂蕩運動的固有頻率越大，越可能靠近波浪能量峰值區域.所以，同樣可以通過改變水線面半徑，來控制浮體垂蕩運動固有頻率，進而達到提高垂蕩運動性能的目的.

圖4 不同水線面半徑的浮體模型縱蕩、縱搖運動響應、縱蕩平均漂移力和垂蕩響應

3 新型對接棱臺狀FPSO浮體的設計方案和性能對比分析

3.1 新型對接棱臺狀浮體的垂蕩運動響應

為了進一步定量地分析α、RW與浮體垂蕩運動響應的影響，這里采用頻域勢流理論，參考文獻［13－15］，對新型浮體所受波浪入射和繞射力進行推導，得到工程近似估算公式為：

式中：δ＝（RB－RW）／RW，r0＝（RB+RW）／2；ω為波浪頻率；ξ為波浪波幅；k為波數；A33為垂蕩附加質量；B33為垂蕩阻尼；AW為浮體水線面面積.此外，針對新型浮體模型，將由棱臺底面和側面產生的附加質量采用圓柱豎向附加質量理論值［13］進行估算，并且將外擴傾角引入可以得到用于工程的垂蕩附加質量的估算公式為

式中：AB為下底面面積；α為浮體下傾角.在此基礎上，可以推得浮體垂蕩運動響應RAO為

式中：x3為浮體垂蕩運動位移；K33為浮體垂蕩靜水回復剛度；z0＝dδ.通過分析新型浮體的垂蕩運動幅值響應RAO的估算式（3），可以求得垂蕩運動RAO最小值對應的頻率ωmin為

進一步，以P－M波浪譜為例，如果在新型浮體設計過程中控制ωmin略小于波浪譜的起始頻率ωL，那么可以保證垂蕩運動RAO峰值頻率遠離波浪高能頻帶，從而達到提高沙漏型浮體垂蕩運動性能的目的.

3.2 新型對接棱臺狀浮體外形的設計準則

在設計初期，首先，需要根據業主的要求可以確定FPSO的儲油量、載重量、排水量、儲油空間和上甲板面積，從而可以確定新型浮體載重量DWT、排水量Δ、水線面以下排水體積VB、總體積、水線面以上體積VT和上甲板外接圓半徑RT；其次，結合上述分析結論，通過調整水下浮體形狀的兩個參數水線面外接圓半徑RW和下傾角α，來實現對FPSO水動力性能的優化設計，需要遵循的設計準則可以概括如下：

1）遵循式（6）確定浮體外形參數，從而保證垂蕩運動響應極大值頻率（固有頻率）遠離波浪能量峰值區域，達到提高浮體垂蕩運動性能的目的.

2）根據浮體外形參數計算浮體初穩性高，從而保證浮體初穩性滿足穩性衡量標準.

3）在滿足上述1）和2）設計準則的基礎上，盡量設計具有較大下傾角的浮體外形，從而保證在波譜高能頻帶范圍內浮體具有較好的縱搖和縱蕩運動性能以及遭受較小的波浪平均漂移力.

4）在滿足上述1）和2）設計準則的基礎上，盡量設計具有較小水線面半徑的浮體外形，從而保證在波譜高能頻帶范圍內浮體遭受較小的波浪平均漂移力.

最后，將整個分析流程概述如下：根據FPSO的功用和性能，確定新型浮體的DWT、Δ、VB、VT和RT.然后，選擇初始浮體下傾角α和初始水線面半徑RW，根據幾何關系計算新型浮體所有外形參數.根據初穩性浮體外形，獲得浮體初穩性高GM，判斷是否滿足穩性衡準.如果“否”的話，增大RW進行循環計算，直至穩性能夠滿足要求.然后通過求解式（5）得到垂蕩運動RAO最小值對應的頻率ωmin，進一步計算波浪譜的起始頻率ωL，判斷ωmin是否略小于ωL.如果“否”的話，減小α重新循環計算.直至滿足穩性和垂蕩運動性能要求，此時設計完成，可以得到新型浮體外形參數.

3.3 對接八角棱臺狀浮體的性能分析

以某八角棱柱狀FPSO的主浮體模型的主尺度信息為參考，以保證穩性和提高水動力性能為目標，根據提出的設計準則和方案，進行新型對接八角棱臺狀浮體的外形設計，如圖5所示.

通過勢流邊界元方法數值模擬得到的各浮體模型垂蕩運動響應RAO如圖6所示.其中，八角棱柱狀FPSO為八角棱柱狀FPSO的主浮體，新型對接八角棱臺狀FPSO為新型對接八角棱臺狀浮體模型.進一步，通過譜分析法計算各種海況下兩種模型的垂蕩和縱搖運動平均值，將其展示如表1所示.

從圖6和表1中可以看出，在波浪能量峰值頻率段內，八角棱柱狀浮體模型的垂蕩運動RAO具有較大的峰值變化，然而新型對接八角棱臺狀浮體模型的極大峰值位置則在波浪高能頻率之外.因此，相比八角棱柱狀浮體模型而言，新型浮體模型在滿載狀態下，遭遇任何海況都具有較好的垂蕩運動性能.八角棱柱狀浮體模型在頻率段0.2＜ω＜0.4內具有極大的縱搖RAO峰值，所以在任何海況下新型浮體模型的縱搖性能都要優于八角棱柱狀浮體模型.

圖5 八角棱柱狀和新型對接八角棱臺狀FPSO浮體模型和主尺度信息

圖6 棱柱狀和對接棱臺狀浮體模型的垂蕩和縱搖運動RAO

表1 棱柱狀和對接棱臺狀浮體模型在各海況作用下的垂蕩和縱搖運動響應

最后，將計算得到的完整大傾角靜穩性曲線和穩性特征參數展示如圖7、表2所示.從圖7可看出，與八角棱柱狀浮體模型相比，新型浮體模型的初穩性高在滿足IMO穩性規定的前提下相對較小.隨著傾角增大，新型浮體模型的回復力矩迅速增加，最大復原力矩和穩性消失角都明顯大于八角棱柱狀浮體模型.此外，根據靜穩性曲線的形狀，可以得出新型浮體模型具有較大的曲線面積，并且能夠承受相對更大的極限風傾力矩.這說明新型浮體模型在具有較大縱（橫）搖固有周期的前提下，同樣具有較大的極限回復力矩，能夠抵御更大的極限風傾力矩.因此，可以認為新型浮體模型的靜穩性曲線形狀較為理想，具有良好的完整大傾角穩性.

圖7 棱柱狀和對接棱臺狀浮體模型的靜穩性曲線和特征參數

表2 棱柱狀和對接棱臺狀浮體模型的特征參數

4 結 語

本文針對新型對接棱臺狀FPSO外形特點，建立浮體水動力模型.采用勢流邊界元方法研究了不同下傾角和水線面外接圓半徑對浮體運動性能的影響，制定出基于垂蕩運動性能的浮體外形設計準則和方案，進一步將新概念與傳統模型進行性能對比分析.通過研究發現：新型對接棱臺狀浮體外形設計可以使得垂蕩運動RAO峰值遠離波譜高能頻帶，并且能夠大幅度地增大縱搖附加質量和阻尼，從而有效地提高FPSO的垂蕩和縱搖運動性能.尤其，在波浪作用下新型浮體模型垂蕩運動幅值至少降為1／2以下.此外，新型浮體模型在具有較大縱搖固有周期的前提下，具有較大的極限回復力矩，能夠抵御更大的極限風傾力矩.

因此，本文提出的新型浮式主體設計方案是有效合理的，能夠顯著地提高FPSO的垂蕩、縱搖（橫）運動性能和穩性，從而可以大幅度地提高FPSO在工作工況下的作業效率和自存工況下的安全性，為深水油氣開發提供一種有效的新型工程裝備和解決方案.

［1］SHIMAMURA Y.FPSO／FSO：state of the art［J］.Journal of Marine Science and Technology，2002，7（2）：59－70.

［2］MA Yu，HU Zhiqiang，QU Yan，et al.Research on the characteristics and fundamental mechanism of a newly discovered phenomenon of a single moored FPSO in the South China Sea［J］.Ocean Engineering，2013，59（1）：274－284.

［3］馬延德.新型FPSO發展趨勢及設計［C］／／中國海洋油氣國際峰會2010論文集.北京：中國石油石化工程研究會：2010：1－30.

［4］王天英，馮永訓.新概念FPSO最新研究進展［J］.船海工程，2011，40（5）：184－188.

［5］吳家鳴.FPSO的特點與現狀［J］.船舶工程，2012，34（Z2）：1－4.

［6］黃一，王文華，姚宇鑫，等.沙漏型海洋工程浮式結構物：ZL201220526277.4［P］.2013－05－08.

［7］黃一，王文華，姚宇鑫，等.對接圓臺式浮式生產儲油系統：ZL201220526712.3［P］.2013－04－10.

［8］黃一，王文華，姚宇鑫，等.對接八角棱臺式浮式生產儲油系統：ZL201220526306.7［P］.2013－04－03.

［9］姚宇鑫，王文華，黃一.新型沙漏式浮式生產儲油系統的概念設計分析［J］.上海交通大學學報.2014，48（4）：558－564.

［10］黃一，王文華，姚宇鑫，等.一種浮式平臺及其裝卸載過程中保持浮態和穩性控制方法：ZL201410106561.X［P］. 2014－06－04.

［11］李彬彬.新型深吃水多立柱平臺的水動力與運動響應研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［12］劉應中，繆國平.船舶在波浪上的運動理論［M］.上海：上海交通大學出版社，1987.

［13］SALVESEN N，TUCK E O，FALTINSEN O M.Ship motions and sea loads［J］.Trans.SNAME，1970，78（8）：250－287.

［14］BANERJEEP K，BUTTERFIELD R.Boundary element methods in engineering science［M］.London：McGraw Hill，1981.

［15］FALTINSEN O M.Sea loads on ships and offshore structures［M］.UK：Cambridge University Press，1990.

（編輯 張 紅）

Influence of shape parameters of docking pyramidal floating body on hydrodynamic performance

WANG Wenhua，YAO Yuxin，HUANG Yi，YE Maosheng
（School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，116024 Dalian，Liaoning，China）

In order to solve the performance limitations of traditional ship?type and prismatic FPSO，a novel concept of docking pyramidal FPSO is presented.For the new floating body，five independent shape parameters are presented to decide the geometry of floating body and also affect the basic functions and hydrodynamic performance of FPSO.Then boundary element method based on potential flow theory is applied to analyze the motion response of docking pyramidal floating body in wave.Furthermore，the effect of shape parameters on the hydrodynamic performance of FPSO is qualitatively studied，and the design guideline of the new floating body is also proposed to improve the heave motion performance based on wave potential flow theory and engineering approximate method. Finally，the new floating body can be designed according to the basic functions of an octagon FPSO，and the comparison results show the performance advantages of docking pyramidal FPSO and the rationality of design principle in this paper provide effective engineering equipment and solutions for deep?water oil and gas development.

docking pyramidal floating body；shape parameters；inclination angle；circumcircle radius of water plane；hydrodynamic performance

P 751

A

0367－6234（2015）10－0076－06

10.11918／j.issn.0367?6234.2015.10.015

2014－07－12.

國家自然科學基金創新研究群體科學基金（51221961）；大連理工大學引進人才科研啟動基金（852011）.

王文華（1964—），男，博士；黃 一（1964—），男，教授，博士生導師.

黃 一，huangyi＠dlut.edu.cn.