基于內轉塔系泊系統的浮筒設計與研究

劉念　張艷云　劉瀚昱　石彥文　李應剛

摘 要：本文主要介紹一種應用于內轉塔系泊系統的新式浮筒，用于輔助采油船采油管系的近海面分離，有提高工作效率，保護采油管系和減少環境污染的作用。

關鍵詞：鉆井采油船；內轉塔系泊系統；浮筒

目前來看，極地資源愈來愈重要，大型石油公司也越來越傾向于使用擁有先進鉆探能力和更高靈活性的鉆井船來進行鉆探作業。但是當采油船在遇到緊急狀況時需要采取分離作業，目前采取的是在海底將隔水管與防噴器直接斷開的方式，耗時長，鉆井液泄露至海水中，污染嚴重，復位困難。本文主要介紹一種應用在內轉塔系泊系統中的新型浮筒，這種新型浮筒可實現立管近海面分離，解決上述問題。

1 浮筒結構設計

浮筒整體結構如1圖所示

①浮筒采用圓臺狀外形，相較于圓筒型，具有與轉塔連接更為牢固，分離后在水下運動響應小，保持位置能力強的優勢。

②設有多個艙室，每個艙室均設有密封閥門，可智能控制進水排水，用于控制浮筒的浮淺狀態。浮筒第一層艙室采用拱型艙底，保持浮筒內部的水密狀態。

③浮筒艙壁與管系直接接觸處均設有密封圈，以保證系統水密性。

④浮筒內部設有GPS，消息聲納系統及攝像頭，能夠長距離精確定位和控制。配合錨鏈連接器及轉塔分離器及可做到浮筒的快速釋放及重連。

⑤第一層艙室中設有夾持裝置，如圖2所示，用于固定隔水管及鉆桿，配合頂驅裝置進行鉆井管系的分離操作。

2 浮筒可行性研究

2.1 浮筒結構研究

分析分離之后浮筒，主要是要確認浮筒的尺寸。首先計算立管濕重G：

G=G總-G排

其中，G總為立管總重，G排為立管排開水的重量。可得G=20000kN。

根據工程經驗

G排=F浮×107=k·G×107

其中G排為浮筒排開水的重量，G浮為浮筒所受的浮力，k=0.875。

求得G排=25000kN，則V=2500m3。

研究不同浮筒模型的最大應力、最大應變、最大位移以及拖曳力的變化規律，得出不同情況下，浮筒抵抗外力的變化曲線，從而確定最佳的浮筒高度與外徑比值范圍。[2]

經計算得，當h/D1大于3/4以后幅度迅速的減小，最大應力、最大位移、最大應變趨于穩定。故取最佳的浮筒高度與外徑比值為3/4。

當浮筒高度為定值時，d1/D1不同時，浮筒受水下運動響應大小會不同。多次計算得，當d1/D1=1/2時，水下運動響應最小，浮筒保持位置能力最強。

故最終計算得d1=10m，D1=20m，h=15m。

2.2 立管結構分析

分離之后，立管所受的力主要來自浮筒對其的軸向載荷以及水流的橫向載荷。對于水流載荷，根據莫里森方程，可求得單位長度載荷：

2.4 浮筒水動力響應仿真分析

Aqwa是一款功能強大的水動力學分析計算軟件，在許多海洋工程結構物流體動力學分析、系泊系統計算等領域得到廣泛應用，十分適于此項目的模擬仿真。

本項目組應用此軟件，對分離后的水下部分進行模擬仿真，如圖2所示。

進行動態仿真后，得出浮筒及鉆井桿的位移偏移量，如圖3所示，和鉆桿受力，如圖4所示。

故可得出結論，此新式浮筒在與內轉塔系泊系統分離后，與鉆井桿保持方位的能力很強，鉆桿受力在限定限度內，能較好的保護分離后的鉆井采油管系，可滿足工作需求。

參考文獻：

[1]吳剛，張東江.極地船舶技術最新動向[J].中國船檢，2015（03）：97-101.

[2]劉佳寧.自由站立式管浮力筒結構設計與分析[D].哈爾濱工程大學，2011.

[3]徐棟.冰載荷作用下極區船舶強度校核研究[D].上海交通大學，2014.