圓筒形FWPSO水動力性能模型試驗研究

黃 佳，王忠暢，趙戰華

(1. 中海油研究總院，北京 100028; 2. 中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

圓筒形FWPSO水動力性能模型試驗研究

黃 佳1，王忠暢1，趙戰華2

(1. 中海油研究總院，北京 100028; 2. 中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

針對一圓筒形FWPSO設計概念開展水動力性能模型試驗研究，研究發現圓筒形FWPSO縱搖運動受二階波浪力作用明顯，存在顯著的低頻運動；同時由于垂蕩固有周期與波浪周期接近，該平臺在大的波浪環境中出現較大幅度的垂蕩運動而在小的波浪環境下縱搖和垂蕩運動性能優良。該問題應當引起設計者足夠的重視。

圓筒形FWPSO；運動性能；低頻響應；二階波浪力；系泊系統；垂蕩運動

圓筒形海洋平臺依靠其設計理念的先進性、安全穩定性和作業可靠性等方面的優勢得到了海洋工程領域廣泛關注。圓筒形浮體結構簡潔、建造工藝簡單，從而可以降低施工難度和建造成本[1]。張永康等[2]研究了圓筒形半潛平臺原油儲存性能、甲板承受可變載荷性能和風暴自存狀態的抗傾等性能，表明其性能都要優于作為傳統第六代半潛平臺，適合應用于南海海域。李楊等[3]對圓筒形深海鉆井儲油平臺浮態制造穩定性影響因素進行了分析與優化。童波[5]對圓筒形FPSO尺度和運動性能進行了研究。國外公司研究了用于墨西哥灣超深水，采用SCR(鋼質懸鏈線立管)的圓筒形平臺形式，并論證了平臺運動性能對SCR的適應性[5-6]。

圓筒形海洋平臺功能多樣，移動靈活，非常適宜于我國邊際油氣田的開發作業；此外，其對于環境方向性不敏感，抵御環境載荷的能力高于船型。對圓筒形海洋平臺水動力性能開展更加深入細致的研究具有重要的現實意義和應用價值，為此有必要對圓筒形FWPSO(帶修井功能的FPSO)相關特性進行研究。

以某型應用于南海的15萬噸級圓筒形FWPSO設計概念為研究目標，開展一系列水動力性能模型試驗，包括靜水衰減試驗、白噪聲試驗和風浪流聯合作用試驗，對其水動力性能進行深入研究，為平臺的設計與優化提供參考。

1 目標平臺介紹

1.1試驗模型

選取某型應用于南海的圓筒形FWPSO設計概念為研究對象，平臺概念設計及模型如圖1所示。作業水深330 m，試驗模型縮比1∶82.5。主要參數如表1所示。

圖1 圓筒形FWPSO概念設計及平臺模型Fig. 1 Cylindrical FWPSO concept and model

表1 FPSO主尺度及主要狀態參數(實船)Tab. 1 Principal dimension and parameters of FWPSO

1.2系泊系統

系泊系統為3×4張緊式系泊，每組系泊纜之間角為120°，每根系泊纜之間夾角為2°，如圖2所示。系泊纜為錨鏈+聚酯纜+浮筒+聚酯纜+錨鏈結構，試驗中采用全水深模擬。值得一提的是，由于聚酯纜的特殊性，其具備多個不同的剛度，在試驗中應分別進行模擬。通常采用大剛度來預測系泊力，較小的剛度來預測運動及平臺位置偏移。

圖2 坐標定義及系泊系統布置方式Fig. 2 Coordinate definition and layout of mooring system

1.3管線系統

整個系統共有7條立管、13條電纜和臍帶纜，系泊纜和立管上布置有浮筒裝置。模型試驗中通過合并簡化對管線系統進行了模擬，采用特種材料模擬了浮筒的作用，如圖3所示。

圖3 管線系統布置方式及試驗模型Fig. 3 Layout of the risers and the model

2 試驗研究

在耐波性水池中開展了本次模型試驗，該水池主尺度為69 m×49 m×4 m(長×寬×深)，水池具有先進的造波裝置，能夠模擬各種規則波、不規則波；同時還裝備有造風、造流設施。

2.1海洋環境

本次試驗模擬目標海域一年一遇季風環境、百年一遇臺風環境和千年一遇臺風環境，不規則波采用JONSWAP譜，試驗工況見表2。

表2 模型試驗環境參數Tab. 2 Actual metocean condition as well as the model test

2.2試驗工況

模型試驗包括兩個吃水狀態的靜水衰減試驗、系泊狀態白噪聲試驗和不同條件的風、浪、流聯合作用試驗三個部分，通過模型試驗獲得平臺固有周期、運動RAO和系泊狀態風、浪、流聯合作用下的運動性能。

3 試驗結果及分析

3.1靜水衰減試驗

通過靜水衰減試驗獲得壓載吃水平臺縱搖、垂蕩的固有周期分別為38.174 s和16.390 s，滿載吃水平臺縱搖、垂蕩固有周期分別為36.641 s和17.221 s，獲得縱搖和垂蕩阻尼系數，如圖4所示。

圖4 縱搖和垂蕩阻尼系數Fig. 4 The damping ratio of pitch and heave

3.2系泊狀態白噪聲試驗

通過白噪聲試驗獲得系泊狀態下圓筒形FWPSO縱搖和垂蕩的運動響應RAO如圖5所示。通過圖5(a)縱搖運動RAO可以發現，圓筒形FWPSO在周期小于23 s的波頻部分縱搖運動微小，具有很好的運動性能，而在周期大于23 s部分，由于逐步接近固有頻率36 s附近位置，縱搖運動大幅增加。因此，對于大周期的低頻荷載，如不規則波的二階差頻力，圓筒形FWPSO縱搖穩定性降低。

從圖5(b)圓筒形FWPSO垂蕩運動RAO可以看出，平臺最大垂蕩運動出現在17 s附近，這是由于接近垂蕩固有周期，發生諧振作用。由表2可知，一年一遇作業環境譜峰周期9.6 s遠離垂蕩運動固有周期，該環境下平臺垂蕩運動性能優良，有利于平臺正常作業；而對于百年一遇和千年一遇波浪環境，譜峰周期16.3 s和17.2 s接近平臺固有周期，容易發生諧振，引起平臺大幅垂蕩，從而對平臺作業安全，尤其是立管結構造成嚴重威脅，應當給予重視。

圖5 縱搖和垂蕩運動RAOFig. 5 The RAO of pitch and heave

3.3系泊狀態風、浪、流聯合作用試驗

為了研究FWPSO平臺低頻縱搖運動特性，對縱搖運動通過頻譜分析，分別統計得到波頻和低頻運動響應結果。系泊狀態風、浪、流聯合作用模型試驗獲得圓筒形FWPSO平臺運動響應統計結果如表3所示，濾波之后得到的波頻和低頻時歷數據如圖6所示。

值得一提的是，根據工程經驗，通過優化船型、調整吃水、增大阻尼板等方法，可以有效提高圓筒形FPSO的運動性能，尤其是垂蕩性能。根據中海油研究總院同類項目研究成果——方案2(吃水30 m，船體直徑82 m，阻尼板外徑116 m)，以及在墨西哥灣運用的一艘圓筒形FPSO[6]——方案3(吃水31 m，船體直徑93 m，阻尼板外徑138 m)，對比他們的垂蕩運動RAO如圖7所示。可見通過優化工作，可使得平臺的垂蕩運動周期避開波浪周期，有效提高垂蕩運動性能。其帶來的影響，譬如阻尼板增大帶來的結構設計挑戰等，在本文中不做贅述。

采用勢流理論，對滿載吃水百年一遇環境條件下平臺運動特性進行預報，模型試驗與數值預報結果對比如圖8和圖9所示。

表3 系泊狀態風、浪、流聯合作用結果統計Tab. 3 Motion statistics

圖6 縱搖運動時歷波頻與低頻對比Fig. 6 Comparison of pitch motion in wave frequency and low frequency

圖7 不同船型垂蕩RAO對比Fig. 7 Heave RAO comparison of different cylinder FPSO types

圖8 模型試驗與數值計算縱搖運動響應對比Fig. 8 Comparison of pitch motion between test result and numerical result

圖9 模型試驗與數值計算垂蕩運動響應對比Fig. 9 Comparison of heave motion between test result and numerical result

3.3.1 縱搖運動結果分析

從表3統計結果可以發現，一年一遇季風環境FWPSO平臺縱搖運動穩定性良好，壓載吃水和滿載吃水縱搖運動有效值分別為0.84°和0.74°，在百年一遇臺風環境和千年一遇臺風環境平臺縱搖運動響應明顯增大，最大值達到16.64°。對比分析波頻和低頻運動可以發現，不同工況下縱搖運動存在顯著的低頻運動響應，而且低頻運動明顯大于波頻，最大達到50%以上。

從圖8縱蕩運動譜分析對比可以發現，模型試驗與數值計算結果吻合較好，由于阻尼的非線性因素，在峰值處略有差異。從對比結果來看，縱搖運動低頻部分運動遠大于波頻運動，低頻部分是構成縱搖運動的主要因素。低頻運動峰值出現在33 s附近，靠近縱搖固有周期，因此，低頻一階波浪載荷和垂向二階差頻波浪載荷引起縱搖諧振運動應當是出現大幅低頻縱搖運動的主要原因。另外，圓筒型FWPSO特殊的結構形式，決定了它會受到更大的縱搖方向波浪載荷。

3.3.2 垂蕩運動結果分析

與縱搖運動響應相似，平臺在一年一遇季風環境，垂蕩運動性能優良，最大垂蕩運動0.285 m，對于保障平臺日常作業，相比其它形式平臺存在明顯優勢。在百年一遇和千年一遇臺風環境出現大幅的垂蕩運動，垂蕩最大值超過10 m。從圖9的譜分析結果可以發現，大幅垂蕩運動出現在平臺固有周期附近，說明高海況下波浪載荷引起了平臺垂向的諧振。

需要指出的是，采用小縮尺比全水深模擬，考慮黏性作用的影響，模型運動響應結果會略微偏于保守，在具體工程設計中應予以考慮。

4 結 語

對一個用于南海的FWPSO設計概念開展水動力性能試驗研究，包括靜水衰減試驗、白噪聲試驗和風浪流聯合作用試驗。通過研究，得到如下結論：

1)該平臺在低海洋環境條件下具有優良縱搖和垂蕩性能，有利于平臺的正常作業；

2)該平臺縱搖運動存在明顯的低頻現象，尤其是高海況條件會出現大幅縱搖運動，容易引起平臺的砰擊、上浪，不利于平臺的安全保障；

3)該平臺垂蕩運動固有頻率接近高海況下波浪能量集中的頻率范圍，在高海況條件下會出現較大的垂蕩運動，在平臺設計過程中應當引起足夠重視。

根據模型試驗結果，該圓筒形FWPSO研究對象運動性能基本能滿足作業需求，技術上可行。通過模型試驗，也進一步認識到圓筒形平臺低頻縱搖響應以及垂蕩響應的影響，在設計中應充分考慮。圓筒形平臺功能多樣，移動靈活，運動性能較好，具有在中國投入實際應用的前景。

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[2] 張永康，沈翰，戴峰澤. 圓筒形超深海半潛式鉆井儲油平臺運動特性分析[J]. 江蘇大學學報, 2013, 34(1):33-37.(ZHANG Yongkang, SHEN Han, DAI Fengze. Analysis on motion performance of a cylinder semi drillingamp; storage platform for ultra-deep water [J].Journal of Jiangsu University, 2013, 34(1):33-37. (in Chinese))

[3] 李楊，張永康，王勻. 圓筒形深海鉆井儲油平臺浮態制造穩定性影響分析與優化[J].機械工程學報,2013,49(17):164-169.(LI Yang, ZHANG Yongkang, WANG Yun. Analysis and optimization on stability of floating construction of a cylinder drilling platform[J]. Journal of Mechanical Engineering,2013,49(17):164-169. (in Chinese))

[4] 童波. 圓筒形FPSO尺度規劃和運動性能研究[J]. 海洋工程, 2017, 35(4): 94-99. (TONG Bo. Dimension design and motion research for cylinder FPSO[J]. The Ocean Engineering, 2017, 35(4): 94-99. (in Chinese))

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[6] VIDEC-PERUNOVIC J, GUO S, WANG L, et al. Steel catenary riser design for cylindrical fpso application in ultra-deep gom[C]//Proceedings of the Offshore Technongy Conference. 2014: OTC25406.

Model experimental research on hydrodynamic performance of cylindrical floating workover production storage offloading (FWPSO)

HUANG Jia1, WANG Zhongchang1, ZHAO Zhanhua2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China; 2. National Key Laboratory of Science and Technology on Hydrodynamics, China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, China )

Model tests were carried out to study the hydrodynamic performance of a cylindrical floating workover production storage offloading (FWPSO). The test results show that the second order wave forces have a significant influence on the FWPSO pitch motion, which turns out to be at low frequency. As the natural frequency of heave motion is close to wave frequency, large heave motion is observed in severe wave conditions, while the FWPSO still has fine performance on pitch and heave motions in mild condition. Special considerations should be made by the designers about the problems above.

cylindrical FWPSO; motion performance; low frequency response; second order wave forces; mooring system; heave motion

1005-9865(2017)06-0119-06

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.06.014

2017-01-05

中國海洋石油有限公司科技課題“圓筒形FWPSO關鍵技術研究”

黃 佳(1987-)，男，江蘇人，浮體工程師，主要從事浮式平臺總體設計及研究以及大型海洋結構物安裝設計工作。E-mail: tcflyjia@126.com