新型圓筒型FPSO垂蕩抑制結構優(yōu)化設計

白 杰，李 焱, 3，曲志森，唐友剛

(1. 天津大學 建筑工程學院，天津 300072; 2. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 3. 天津大學 天津市港口與海洋工程重點實驗室，天津 300350)

浮式生產儲卸油裝置(floating production storage and offloading system, 簡稱FPSO)作為一種新型的油田開發(fā)裝備，具有功能靈活、開發(fā)風險小、適合早期投產和邊際油田滾動開發(fā)等特點，具有光明的應用前景。其中船型FPSO是目前主力的油田開發(fā)裝備，但船型浮體對波浪的作用方向非常敏感，運動性能差，影響上部設備與儀器的正常工作[1]。經過多年發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型式FPSO的概念，包括多筒式FPSO[2-4]、八角形FPSO[5]、沙漏式FPSO[6]和圓角倒棱臺形FPSO[7]等。2006年挪威Sevan Marine公司設計建造了世界上第一艘圓筒型FPSO，Rika Afriana[8]利用水動力仿真軟件SESAM對圓筒型FPSO進行了運動響應分析，研究表明，圓筒型FPSO的橫搖和縱搖運動性能優(yōu)于船形FPSO，但垂蕩運動性能差。SEVAN圓筒型FPSO的垂蕩運動固有周期在15～18 s，我國南海百年一遇波浪的譜峰周期也在15 s附近，使其應用范圍受到限制。童波等[9]研究了圓筒型FPSO阻尼結構的性能，采用CFD方法分析了阻尼形成機理以及阻尼特性的影響因素。馬翔宇[10]采用模型試驗方法，對比分析了不規(guī)則波和畸形波作用下圓筒型FPSO的水動力特性，研究了圓筒型FPSO運動響應和系纜力的影響因素。黃佳等[11]通過對傳統(tǒng)圓筒型FPSO水動力性能模型試驗研究也得出了傳統(tǒng)圓筒型FPSO在百年一遇海況下，垂蕩運動幅度大，運動性能不佳的結論。

為了克服圓筒型FPSO垂蕩運動性能差的缺點，提出研究一種帶垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO。通過模型的垂蕩縱搖自由衰減試驗，選取最優(yōu)的垂蕩抑制結構型式，并與傳統(tǒng)圓筒型FPSO進行運動性能的對比。在此基礎上結合我國南海海洋環(huán)境條件，設計新型圓筒型FPSO的系泊系統(tǒng)。通過時域耦合分析得到新型圓筒型FPSO自存工況下的運動響應，與傳統(tǒng)圓筒型FPSO進行比較，驗證了新型圓筒型FPSO的技術優(yōu)勢。

1 帶有垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO結構特征

新型圓筒型FPSO借鑒傳統(tǒng)圓筒型FPSO外形設計，將傳統(tǒng)圓筒型FPSO的底部阻尼結構去掉，只保留主筒體，在主筒體的下部增加延伸筒體與垂蕩抑制結構，得到帶延伸筒體與垂蕩抑制結構的形式，如圖1所示。

新型圓筒型FPSO垂蕩抑制結構安裝在延伸筒體上，圍繞延伸筒體下部環(huán)向布置，如圖1(b)所示。其與延伸筒體的相對位置有兩種形式：垂蕩抑制結構與延伸筒體之間無間隙和垂蕩抑制結構與延伸筒體之間有間隙。垂蕩抑制結構環(huán)向設有9個艙。每個艙的底板中心位置開設阻尼孔，頂板四個邊角開設阻尼孔，海水可由阻尼孔進入垂蕩抑制結構，起到增加結構內附連水質量的作用。阻尼孔位置如圖2所示。保持矩形垂蕩抑制結構頂板與底板的尺寸不變，將外圍板的直徑減小，使頂板與底板外伸，外伸部分被稱為外板邊鋒。由此得到另一種型式的垂蕩抑制結構，稱為外板邊鋒垂蕩抑制結構。

圖1 圓筒型FPSO主視圖Fig. 1 Main view of cylindrical FPSO

圖2 新型圓筒型FPSO阻尼孔布置圖Fig. 2 New cylindrical FPSO damping hole

2 帶有垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO自由衰減試驗

2.1 試驗模型

試驗模型采用亞克力與PVC材料制成，縮尺比為1∶77.8。模型幾何外形如圖3所示，具體技術參數(shù)如表1所示。

圖3 新型圓筒型FPSO試驗模型Fig. 3 New cylindrical FPSO experimental model

表1 試驗模型技術參數(shù)
Tab. 1 Technical parameters of experimental model

技術參數(shù)原型參數(shù)試驗模型參數(shù)主筒體直徑R1/m700.9垂蕩抑制結構直徑R2/m961.234垂蕩抑制結構高度h/m100.128垂蕩抑制結構寬度R3/m120.154延伸筒體高度H/m20.30.261吃水d/m400.514質量/kg8.71×107185.1重心/m370.476轉動慣量/(kg·m2)6.78×101023.7

采用了四種結構型式進行垂蕩和縱搖運動的自由衰減試驗，分別是無垂蕩抑制結構，帶有間隙的矩形垂蕩抑制結構(下文簡稱帶矩形垂蕩抑制結構)，帶無間隙的矩形垂蕩抑制結構(下文簡稱帶無間隙垂蕩抑制結構)，帶有間隙的外板邊鋒垂蕩抑制結構(下文簡稱帶外板邊鋒垂蕩抑制結構)，各結構模型如圖4-圖7所示。為了通過試驗結果對比得到垂蕩抑制結構對運動性能的影響，四種結構均采用了有延伸筒體的型式。外板邊鋒垂蕩抑制結構的截面放大圖如圖8所示。

圖4 無垂蕩抑制結構模型和實物圖Fig. 4 Model without heave suppression structure

圖5 帶矩形垂蕩抑制結構模型和實物圖Fig.5 Model with rectangle heave suppression structure

圖6 帶無間隙垂蕩抑制結構模型和實物圖Fig. 6 Model with gapless heave suppression structure

圖7 帶外板邊鋒垂蕩抑制結構模型和實物圖Fig. 7 Model with outer-edge heave suppression structure

圖8 外板邊鋒垂蕩抑制結構截面放大圖Fig. 8 Section of outer-edge heave suppression structure

2.2 試驗結果

通過模型垂蕩和縱搖運動的自由衰減試驗，得到了自由衰減曲線。對自由衰減曲線進行快速傅里葉變換，得到不同模型垂蕩和縱搖運動的固有周期，再根據(jù)縮尺比換算得到實尺度平臺運動的固有周期。采用消滅曲線方法得到模型的無因次阻尼系數(shù)，結果如表2和表3所示。

表2 帶不同垂蕩抑制結構平臺的固有周期(實尺度)Tab. 2 Natural periods of platforms with different heave suppression structures (actual scale)

表3 不同試驗模型的無因次阻尼系數(shù)Tab. 3 Dimensionless damping coefficients of different experimental models

表2數(shù)據(jù)表明，垂蕩抑制結構使平臺垂蕩和縱搖運動的固有周期明顯提高。分析表3數(shù)據(jù)得出，相比于無垂蕩抑制結構模型，三種帶垂蕩抑制結構模型的垂蕩無因次阻尼系數(shù)分別增加26.1%、17.4%、33.3%，縱搖無因次阻尼系數(shù)分別增加145%、107%、190%，表明設置垂蕩抑制結構能夠顯著增加模型的垂蕩阻尼和搖擺阻尼。

表3結果表明，帶外板邊鋒垂蕩抑制結構的阻尼增加效果最顯著，因此選擇帶外板邊鋒垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO進行頻域計算和浮體與系泊系統(tǒng)的時域耦合分析。

3 帶有垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO頻域計算

隨著水動力計算軟件發(fā)展的日趨成熟，數(shù)值模擬由于其低成本，研究周期短，研究成果綜合性高的特點而在水動力性能計算中得到廣泛應用。利用水動力計算軟件AQWA建立了傳統(tǒng)圓筒型FPSO和帶外板邊鋒垂蕩抑制結構的新型圓筒型FPSO模型，如圖9所示。具體參數(shù)如表4所示。

圖9 傳統(tǒng)和新型圓筒型FPSO平臺Fig. 9 Traditional and new cylindrical FPSO

表4 具體參數(shù)
Tab. 4 Specific parameters

平臺主筒體直徑/m垂蕩抑制結構直徑/m重心(距基線)/m吃水/m質量/kg轉動慣量/(kg·m2)傳統(tǒng)平臺709620.3198.2×1075.2×1010新型平臺709637408.7×1076.4×1010

計算得到兩種平臺垂蕩和縱搖運動的幅頻響應函數(shù)如圖10所示。我國南海生存海況的譜峰周期通常在12～18 s之間。頻域分析結果顯示新型圓筒型FPSO的垂蕩固有周期在20 s附近，遠離波能集中區(qū)域，減少了發(fā)生波頻共振的機會。而對于傳統(tǒng)圓筒型FPSO，其垂蕩固有周期在16.25 s附近，處于波能集中區(qū)域，容易發(fā)生共振。傳統(tǒng)結構的縱搖RAO出現(xiàn)兩個峰值，這兩個峰值分別對應于波浪載荷最大值點與固有周期點，新型結構所受縱搖波浪載荷降低，僅在固有周期點出現(xiàn)峰值。數(shù)值計算得到的固有周期與上文試驗結果相當接近，驗證了數(shù)值計算的正確性。由圖10可見新型平臺的垂蕩和縱搖固有周期相較于傳統(tǒng)平臺都有提升，尤其是垂蕩固有周期的提升可以明顯地改善垂蕩運動性能。

圖10 兩種平臺垂蕩和縱搖運動的幅頻響應Fig. 10 Numerical RAO for roll motion and pitch motion

4 帶有垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO浮體與系纜的時域耦合分析

4.1 系泊系統(tǒng)設計

系泊纜采用全錨鏈加配重塊的型式，共分為3組，每組包括3根夾角為5°的系泊纜，如圖11所示。每根系泊纜16個配置塊，每個配重塊重5 t。系泊纜的下端與海底基礎相連，距離導纜孔的水平距離為900 m，上端通過主體結構上的導纜孔連接到起鏈器上，通過起鏈器可以靈活調節(jié)錨鏈的長度，系泊纜預張力470 t。導纜孔位于水下40 m處，沿FPSO主體環(huán)向等間隔布置。系泊纜的具體參數(shù)如表5所示。

表5 系泊纜參數(shù)Tab. 5 Mooring line parameters

圖11 新型圓筒型FPSO系泊方式Fig. 11 Mooring method of new cylindrical FPSO

4.2 環(huán)境條件

進行系泊分析時考慮的工況是完整自存工況，通常指百年一遇環(huán)境條件，環(huán)境條件具體參數(shù)如表6-表8所示。基于282 m水深，采用AQWA軟件進行帶外板邊鋒垂蕩抑制結構圓筒型FPSO浮體與系泊系統(tǒng)的時域耦合計算，得到運動響應以及系纜的張力時間歷程曲線。

表6 波浪參數(shù)Tab. 6 Wave parameters

表7 海流參數(shù)Tab. 7 Current parameters

表8 風參數(shù)Tab. 8 Wind parameters

4.3 結構運動響應

完整自存工況下帶外板邊鋒垂蕩抑制結構圓筒型FPSO的垂蕩、縱蕩和縱搖運動時歷曲線和響應譜如圖12-圖17所示。

圖12 垂蕩時歷曲線Fig. 12 Time history curve of heave

圖13 垂蕩響應譜Fig. 13 Response spectrum of heave

圖14 縱蕩時歷曲線Fig. 14 Time history curve of surge

圖15 縱蕩響應譜Fig. 15 Response spectrum of surge

圖16 縱搖時歷曲線Fig. 16 Time history curve of pitch

圖17 縱搖響應譜Fig. 17 Response spectrum of pitch

在完整自存工況下，波浪頻率集中在0.3～0.6 rad/s區(qū)間。從圖13中可以看到，垂蕩運動能量主要集中在波頻區(qū)域。從圖15中可以看到，縱蕩運動能量主要集中在兩個區(qū)域，分別為低頻區(qū)域與波浪頻率區(qū)域，低頻區(qū)域運動能量占主導，在0.3～0.6 rad/s波頻能量區(qū)域同時存在部分運動能量。在圖17中，縱搖運動能量集中在三個區(qū)域，分別出現(xiàn)在0.3～0.6 rad/s的波頻區(qū)域，0.1～0.2 rad/s固有頻率區(qū)域以及低頻區(qū)域，其中，固有頻率區(qū)域的運動能量占主導。可以看到，在完整自存工況下，縱搖運動與縱蕩運動出現(xiàn)了耦合，縱搖運動的低頻能量被激發(fā)。對運動時歷曲線進行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結果如表9所示。

表9 新型圓筒型FPSO完整自存工況下運動響應統(tǒng)計表Tab. 9 Motion under the self-existing condition of the new cylindrical FPSO

保持環(huán)境條件不變，采用相同的系泊方式對傳統(tǒng)圓筒型FPSO進行時域耦合分析，統(tǒng)計運動響應值，結果如表10所示。

對比表9和表10數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)圓筒型FPSO垂蕩運動幅值已接近10 m，而新型圓筒型FPSO垂蕩運動幅值則維持在3.1 m左右，垂蕩運動性能大幅改善。主要原因是新型圓筒型FPSO的延伸筒體與垂蕩抑制結構大幅增加了結構的附連水質量，提高了垂蕩運動的固有周期，使垂蕩運動遠離了波能集中區(qū)域。

新型圓筒型FPSO的縱搖運動性能同樣得到大幅改善，這得益于延伸筒體和垂蕩抑制結構帶來的縱搖阻尼的增加。新型圓筒型FPSO縱蕩平衡位置相比于傳統(tǒng)圓筒型FPSO有所增加，這是因為新型圓筒型FPSO增加了延伸筒體與垂蕩抑制結構，導致縱蕩載荷受力面積增大。

表10 傳統(tǒng)圓筒型FPSO完整自存工況下運動響應統(tǒng)計表Tab. 10 Motion under the self-existing condition of the traditional cylindrical FPSO

5 結 語

為了克服圓筒型FPSO垂蕩運動性能差的缺點，提出研究一種帶垂蕩抑制結構的圓筒型FPSO，通過自由衰減試驗，頻域計算和浮體與系泊系統(tǒng)的時域耦合分析，得出以下結論:

1)設置垂蕩抑制結構能夠顯著增加模型的垂蕩阻尼和搖擺阻尼，使平臺垂蕩和縱搖運動的固有周期明顯提高。延伸筒體和垂蕩抑制結構之間的間隙以及垂蕩抑制結構的外板邊鋒起到了增加阻尼的作用。帶外板邊鋒垂蕩抑制結構的阻尼增加效果最顯著。

2)頻域計算結果表明傳統(tǒng)圓筒型FPSO垂蕩固有周期處于波能集中區(qū)域，容易發(fā)生共振。新型圓筒型FPSO的垂蕩固有周期遠離波能集中區(qū)域，減少了發(fā)生波頻共振的機會。傳統(tǒng)結構的縱搖RAO出現(xiàn)兩個峰值，這兩個峰值分別對應于波浪載荷最大值點與固有周期點，新型結構所受縱搖波浪載荷降低，僅在固有周期點出現(xiàn)峰值。新型平臺的垂蕩和縱搖固有周期相較于傳統(tǒng)平臺都有提升，尤其是垂蕩固有周期的提升可以明顯地改善垂蕩運動性能。

3)時域耦合分析表明，在百年一遇海況下，新型圓筒型FPSO垂蕩和縱搖運動幅值遠低于傳統(tǒng)圓筒型FPSO。說明增加延伸筒體與垂蕩抑制結構后，圓筒型FPSO運動性能得到大幅改善。

隨著水動力軟件發(fā)展的日趨成熟，數(shù)值模擬由于其低成本，研究周期短，研究成果綜合性高的特點而在水動力性能計算中得到廣泛應用，但試驗驗證依然是必要的過程。由于試驗條件和加工工藝的限制，本文的頻域結果對比和時域結果對比仍需進一步的試驗驗證，這是下一步的工作中的重點。