圓筒形FPSO尺度規劃和運動性能研究

童 波

(中國船舶工業集團公司第七O八研究所，上海 200011)

圓筒形FPSO尺度規劃和運動性能研究

童 波

(中國船舶工業集團公司第七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用案例，對比圓筒形FPSO相對常規船形的優勢，然后以原油儲量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩性、系泊系統、排水量等控制參數為目標，研究圓筒形FPSO主尺度選取依據，分艙原則。重點研究圓筒形裝置的阻尼板結構，此為抑制運動響應的關鍵結構，通過模型試驗方法分析對比了水平阻尼板、不同角度錐形阻尼板的特性。最后研究圓筒形裝置運動性能分析方法，介紹二階響應數值預報方法，研究垂蕩和橫搖運動的耦合效應，分析波頻和低頻運動響應，通過模型試驗進行了驗證，從而指導圓筒形裝置設計。

圓筒形FPSO；尺度規劃；阻尼板；模型試驗；二階運動

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

深海油氣田生產開發的海上裝置主要有FPSO、半潛式平臺、張力腿平臺和SPAR等型式，其中FPSO是一種兼有原油處理，儲存和卸油功能的浮式油氣生產設施。FPSO長期系泊于某一固定海域，將開采的海底原油進行油、水、氣分離處理后注入貨油艙臨時儲存，再由穿梭油輪或海底管線外輸。目前FPSO工程上應用較多的結構型式有船形和圓筒形，在中國南海、英國北海以及巴西等相對東南亞、西非海況惡劣的海域，使用船形FPSO需采用造價和維護成本高昂的單點系統。圓筒形FPSO相比單點系泊船形FPSO具有以下優勢：浮體各向同性，無旋轉；無風標效應，節省單點系統布置空間和設備費用；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，利于上部模塊結構設計；波浪誘導的疲勞載荷較小；浮體總強度抵御惡劣海況能力強；運動性能良好。

目前運營的圓筒裝置全部由SEVAN公司設計，2007年投入運營的第一座圓筒形FPSO Piranema Spirit，作業于巴西海域，水深1 000 m，油處理能力30 000 bod。目前最大圓筒形FPSO作業于挪威海域，水深400 m，儲油量100萬桶，油處理能力100 000 bod。以圓筒形FPSO在中國南海流花油田開發應用研究為基礎，研究其主尺度規劃和運動性能分析技術，如圖1所示。

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

1 圓筒形FPSO尺度規劃

圓筒形FPSO是針對特定海域、特定油氣田量身定制的，圓筒形和船形FPSO主尺度選取依據和設計原則本質相似，主要控制因素包括：原油儲量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩性、系泊系統、排水量等。

圓筒形FPSO外形結構主要包括三部分：柱型筒體、底部阻尼板和上部外飄結構。該裝置尺度規劃中首先根據目標油田艙容需求(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、作業載荷以及必要壓載水)，初穩性要求和運動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，FPSO的吃水浮態滿足穩性、浮態和耐波性要求。如果圓筒形FPSO設置鉆修井附加功能，壓載艙和設備系統的能力應滿足鉆修井系統升沉補償的要求。圓筒形裝置的初穩性由直徑、排水量、浮心高度和重心高度決定，通常各工況最小初穩性高在4～5 m。考慮圓筒形裝置穩性時應兼顧運動固有周期，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。

然后根據圓筒形FPSO運動響應目標確定阻尼板尺度，阻尼板是增加圓筒形裝置附連水質量和黏性阻尼的關鍵裝置，可以有效降低垂蕩和橫搖運動。阻尼板通常為與柱型筒體相連的箱形結構，其高度與油艙雙層底高度一致，通常為2～3 m，其外延徑向長度與浮體運動響應、阻尼板結構強度和建造限制相關。

最后上部外飄結構主要與工藝甲板面積的需求相關，同時統籌考慮外飄結構的砰擊載荷影響，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構采用隔柵狀的擋浪板，既防止甲板上浪又利于危險區通風。

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Tab. 1 Impact factor for main dimension

圖2是目標油田設計的圓筒形FWPSO主尺度和外形，該裝置除了原油處理，儲存和卸油功能外，還增加鉆修井功能，因此在筒體中心增加月池開口，開口尺寸滿足特定海況下鉆井系統作業要求。

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

通常認為FPSO生產作業時長期系泊定位在深水不會有觸底風險，淺水拖航時艙內不再儲存原油，規范也不要求破艙穩性考慮底部破損，原則上可以采用單底。但是圓筒形FPSO雙層底構造主要基于以下原因：油艙內結構件少，易于洗艙、掃艙；便于油艙底部結構件的檢查；保溫效果好；更有利于環保，更好地防止油污染[1]。

圓筒形FPSO分艙結構主要為環形艙壁和徑向艙壁，環形和徑向艙壁將貨油艙、工藝艙和壓載艙進行有效分隔，艙壁間距的設置需主要考慮以下因素：艙容需求；減輕結構重量；破艙穩性；自由液面效應；滿足MARPOL的防污染要求；液艙晃蕩；貨艙檢修不影響生產作業；設備系統配置的經濟性。

根據圓筒形FPSO尺度規劃研究，與常規船形FPSO尺度外形規劃相比，需特別注意的是阻尼板的結構型式，這也是圓筒形裝置具有優良運動性能，從而抵御惡劣海況的保障。考慮阻尼板黏性和非線性的水動力特性，基于模型試驗的方法分析了不同的阻尼板型式對浮體響應固有周期和運動響應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響應如表2所示。

表2 不同阻尼板對固有周期的影響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的橫搖運動固有周期逐漸增大，而垂蕩運動固有周期變化不明顯。

可以發現不同形式的阻尼板對垂蕩影響不大，對縱搖運動影響較大，如圖3和圖4所示。從圖中可以發現在波頻范圍內不同阻尼板運動RAO較為接近，隨著阻尼板角度增加，在低頻范圍內出現較大差別，且阻尼板角度越小縱搖運動響應越大。

綜合運動固有周期和響應RAO，不同阻尼板型式對垂蕩影響不大，考慮圓筒形裝置的橫搖運動主要由低頻成分所控制，增大阻尼板角度可以降低橫搖運動，而且緩解阻尼板與筒體連接強度和疲勞問題，建議工程中采用阻尼板和筒體整體相連的錐臺型式，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 基于二階響應的運動數值計算

在理想流體、流動無旋的假定下，流動的基本方程為關于速度勢的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。在微幅運動的假定下，應用正則攝動法建立流場中不同階次速度勢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，其運動響應既包括波浪頻率區間的運動，也包括低頻區的運動，二階差頻波浪載荷對橫搖運動的影響是不容忽視的，因此需要計算基于二階響應的垂蕩和橫搖耦合運動[2]。

在海況條件較大時，波浪周期較大，并與平臺的垂蕩固有周期比較接近，垂蕩運動幅值增加明顯。平臺的大幅度垂蕩會導致濕表面積的周期性變化，浮心位置發生改變，進而改變了初穩性高GM值，導致了浮體的橫搖/縱搖回復力矩隨之發生變化，需要關注因波浪和運動引起的濕表面積的變化，以及橫搖回復力矩變化的非線性影響[3-4]。

采用法國BV船級社的HydroStar軟件對圓筒形FPSO的二階運動進行了計算，主要計算原理：首先采用近場法計算自由液面和濕表面的二階力，根據牛頓第二定律獲得二階運動方程[5]：

進一步轉換為頻域計算方程：

-Δω2M+MaΔω-iΔωBequΔω+K·X=F2Δω

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

對上式進行求解，獲得二階運動傳遞函數(QTFs)。因為二階計算結果極值不滿足Rayleigh分布，運動幅值的估算需要將一階運動和二階運動的時歷數據進行整合，該過程在HydroStar軟件的Starspec模塊完成。

二階運行時歷數據生成過程：

考慮一列方向為β的單向波波譜S(ω)，為生成時歷對波譜進行離散。對于每個離散點(Ai,ωi,φi)，Ai為i階散點的幅值，ωi為i階散點的頻率，φi為i階散點的相位。

根據RAO的幅值r(1)(ω,β)和相位α(1)(ω,β)進行一階運動的重建：

根據QTF的幅值r(2)(ω1,ω2,β)和相位a(2)(ω1,ω2,β)進行二階運動的重建：

進一步進行短期預報的計算即可獲得包含一階運動和二階運動的幅值。

采用上述方法，分別對滿載和壓載工況，作業和生存海況的一階和二階運動進行了計算，同時考慮了黏性阻尼的敏感性分析，計算結果如表3所示。

表3 運動響應數值計算Tab. 3 Calculation results for motion response

由表3可知二階對垂蕩運動的影響可以忽略，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系，通過增加垂蕩阻尼，減小一階垂蕩運動，可以降低二階橫搖響應，因此垂蕩阻尼是控制二階橫搖耦合運動的關鍵參數。尤其在生存海況下，橫搖運動基本被二階響應控制，這一方面由于二階運動與波高平方成正比，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

文中涉及的目標平臺在風浪流水池進行了不規則波運動響應試驗，如圖6所示。表4列舉滿載工況下在作業和生存海況的運動響應，給出了響應的最大、最小值以及波頻和低頻值。根據表4可知，模型試驗和數值計算匹配性較好，垂蕩運動由一階波頻響應控制，縱搖運動由二階低頻響應控制，平臺在風載荷、流載荷和系泊系統的不均衡載荷作用下產生初始的橫傾[6]。

表4 運動響應模型試驗結果Tab. 4 Model test results for motion response

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

3 結 語

圓筒形裝置實際工程應用中有5條FPSO、4條鉆井船、3條生活支持船，主要作業海域在北海和巴西，圓筒形裝置環境方向性不敏感，整體運動性能更優，良好的耐波性使其在惡劣海況生存能力更強。圓筒形FPSO主尺度選取的主要控制因素包括：原油儲量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩性、系泊系統和排水量等。阻尼板的結構型式是圓筒形裝置具有優良運動性能的保障。綜合運動固有周期和響應RAO，不同阻尼板型式對垂蕩影響不大，增大阻尼板角度可以降低橫搖低頻運動，而且緩解阻尼板與筒體連接強度和疲勞問題。不規則波運動模型試驗和數值計算匹配性較好，垂蕩運動由一階波頻響應控制，二階對垂蕩運動的影響可以忽略，縱搖固有周期較大，其運動由二階低頻響應控制，QTF的橫搖峰值周期接近一階垂蕩固有周期，證實了垂蕩和橫搖的耦合關系，通過增加垂蕩阻尼，減小一階垂蕩運動，進而可以降低二階橫搖響應。圓筒形FPSO設計時考慮改變橫搖固有周期從而降低二階低頻響應。在下一步的研究中還需考慮馬休不穩定現象，通過改變固有周期，調整垂蕩阻尼，從而一定程度避免馬休不穩定現象的發生。

[1] 金曉劍. FPSO最佳實踐與推薦做法[M]. 青島：中國石油大學出版社,2012. (JIN Xiaojian. The excellence application and recommended practice on FPSO[M]. Qingdao: Press of China University of Petroleum,2012. (in Chinese))

[2] 王俊榮, 謝彬. 深水半潛式平臺Mathieu不穩定問題研究[J]. 工程力學, 2012, 29(10):347-353.(WANG Junrong, XIE Bin. Mathieu instability study of a deepwater semi-submersible platform[J]. Engineering Mechanics, 2012, 29(10):347-353.(in Chinese))

[3] FRANCE W N, LEVADOU M, TREAKLE T W. An investigation of head-sea parametric rolling and its influence on container lashing systems[C]//Proceedings of the SNAME Annual Meeting. Jersey City: Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2003.

[4] RHO J B, CHOI H S. A study on mathieu-type instability of conventional Spar platform in regular waves[J]. The International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2005, 15(2): 104-108.

[5] Hydrostar user guide[M]. BV, 2014.

[6] 圓筒形FWPSO水池模型試驗報告[R].無錫: 702研究所,2016. (Model test report for cylinder FPSO[R]. Wuxi: 702 Research Institution, 2016. (in Chinese))

[7] 趙晶瑞, 唐友剛, 王文杰. 傳統Spar平臺參數激勵Mathieu不穩定性的研究[J]. 工程力學, 2010, 27(3): 222-227. (ZHAO Jingrui, TANG Yougang, WANG Wenjie. Study on parametrically excited Mathieu instability of a classic Spar platform[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(3): 222-227. (in Chinese))

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，高級工程師，從事船舶與海洋工程總體設計及理論研究工作。E-mail：tongbmaric@163.com