深水八角形FDPSO垂荡性能数值分析

于晨芳， 胡志强， 王 晋

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)



深水八角形FDPSO垂荡性能数值分析

于晨芳， 胡志强， 王 晋

(上海交通大学 海洋工程国家重点实验室， 上海 200240)

FDPSO是深水油气生产的重要装备之一，合理设置其垂荡板参数可较好地提高FDPSO垂荡运动性能。该文利用数值分析技术，以深水八角形FDPSO为研究对象，研究环绕型垂荡板主要参数对垂荡运动性能的影响。研究中利用SESAM软件计算得到不同垂荡板参数下平台运动响应曲线，进而得出不同垂荡板参数对垂荡性能的影响规律，确定最佳垂荡板参数。计算结果表明，合理设置垂荡板设计参数可明显改善垂荡及纵摇运动性能。

深水八角形FDPSO；水动力性能；垂荡板；数值分析；幅值响应算子

0 引言

海底蕴藏着丰富的油气资源，据美国地质调查局和国际能源机构估计，全球深海区最终潜在石油储量有可能超过1 000 亿桶[1]。丰富的深水油气资源掀起了深水石油勘探的热潮，迫使油气开采模式由浅水向深水、超深水转变。各种形式的深水海洋平台涌现，形成了以张力腿式平台(TLP)、深吃水立柱式平台(SPAR)、半潜式平台(SEMI)、顺应塔式平台(CTP)以及浮式生产钻井储油系统(FDPSO)等多种多样的深水平台系列[2]。 FDPSO是集海上钻井、原油处理、储油和卸油为一体的浮式钻井生产储油系统，自20世纪90年代以来，就以其多功能的特点受到海洋工程界的广泛关注[3]。采用FDPSO作为生产装置将其应用于我国南海可以大幅降低油田初期开发费用，及早投产，及早收回投资[4]。但到目前为止，已投产的FDPSO数量不多，且应用海域的海洋环境均比较温和，因此如何改善FDPSO在较恶劣海况下浮体的运动性能，使其能够应用于南海海域成为迫切需要解决的问题。

该文研究的深水八角形FDPSO是一种即将应用于我国南海的超深水平台，除了满足基本的功能要求、有较高的储油效率外，还具有建造容易、成本低、有良好的经济性等优点。八角形浮体和圆筒形浮体的水动力特性类似，有较好的稳定性，但是由于水线面积大，垂荡运动幅度大，严重时易导致钻杆、立管及系泊缆疲劳破坏，不利于满足钻井、生产的要求[5]。研究发现，浮体外形和主尺度是影响浮体垂荡运动性能的决定性因素，而压载量及其分布、储油量、甲板载荷等对浮体垂荡运动性能的影响是次要的[6]，且改变浮体直径对于改善浮体的垂荡运动性能没有太大影响，而且浮体直径受上部甲板面积的限制，减小浮体直径将减小上部甲板的支撑距离，对上部结构不利[7]，所以比较可行的方法是通过改变浮体外形来改变浮体运动的固有周期，并增大阻尼。研究表明，通过对浮体设置垂荡板，可增加平台的附加质量和阻尼系数，延长垂荡固有周期，避开波浪能量主频率，从而有效抑制浮体的垂荡运动[8]。目前，对于垂荡板的研究主要是针对Spar平台，也有少部分是针对半潜式平台。它们共同的特点是垂荡板均设置在浮体的正下方，板与板之间或板与浮体之间采用桁架结构连接固定。与之不同的是，该文所研究的深水八角形FDPSO的垂荡板是环浮体一周设置，也可称之为垂荡裙板，除了增大浮体附加质量以及阻尼系数外，还可以大幅度减小平台的纵摇和横摇。

不同垂荡板参数直接影响垂荡板抑制垂荡运动的效果。该文利用数值计算软件，从垂荡板吃水深度、板数量、板宽度及板间距等方面展开计算，通过比较分析获得不同垂荡板参数对垂荡性能的影响规律，最终确定最佳垂荡板参数。

1 理论基础

应用势流理论来描述大尺度浮式结构物在波浪中的运动。假设流体无黏、无旋、不可压缩，流场中的速度势Φ满足拉普拉斯方程及边界条件，且因Φ=ΦI+ΦD+ΦR(ΦI为入射势、ΦD为绕射势、ΦR为绕射势),通过源汇法可以求得辐射速度势，进而求得浮体的附加质量及辐射阻尼系数。在求解绕射势之后，又因入射势已知，通过伯努利方程可以求得作用在结构物表面的水压力。

浮体在波浪中六自由度运动方程为[9]：

(1)

式中：αij(ω)为附加质量矩阵；cij(ω)为阻尼系数矩阵；Kij为静水回复力刚度矩阵；Fi(ω)为浮体六自由度运动受到的水压力。

将浮体在波浪中运动的整个系统认为是一个线性系统，输入ξ(jω)，浮体作为能量转换器，将能量传递至作为输出的六自由度运动X(jω)，即有X(jω)=RAO(ω)ξ(jω)。

应用SESAM软件的HydroD模块进行运动幅值响应算子RAO计算。由于HydroD计算过程中假定流体是无粘的，所以MCK方程中的阻尼系数仅为势流阻尼，但是实际流体是有粘性的，且由于垂荡侧板的外沿单薄，在运动中会在板外侧形成涡，所以粘性阻尼的作用不可忽略。鉴于以上考虑，在计算中取纵摇临界阻尼的3%来对计算结果加以修正[10-12]。

2 深水八角形FDPSO主要参数

深水八角形FDPSO是中海油研究总院研发、预计应用于我国南海的浮式生产储油系统，原油储存能力为50 000 t，原油处理能力为3 000 m3/d~3 500 m3/d，年处理量为106m3。采用4×4散布式多点系泊系统，详细参数见表1。

表1 深水八角形FDPSO平台结构参数

浮体底部设置垂荡板，环浮体一周，考虑到FDPSO浮体吃水较浅，在恶劣海况下极易出水的问题，对垂荡板吃水深度、数量、板间距的设置均有限制，且垂荡板宽度过大会增加板结构强度的复杂性，所以此次计算中最小吃水深度为4.9 m、最大板数量为3层、最大板间距为10 m、最大板宽度为20 m。

3 数值计算结果及分析

图1 深水八角形浮体湿表面模型

在设置垂荡板参数时主要考虑三方面内容：一是垂荡板不能离水面太近，否则会出现垂荡板出水的问题；二是垂荡板间距不能过小，否则板与板之间的遮蔽作用大，绕流效果不明显，作用效果趋于单层垂荡板；三是垂荡板宽度不能过大，否则需要更多的支撑结构来保证垂荡板的强度及刚度，增加了建造成本且减小了有效载重量，不利于经济性。鉴于以上三方面的考虑，在垂荡板参数设置时，垂荡板吃水深度变化范围为4.9 m~12.9 m，板数量变化范围为1层~3层，板宽度变化范围为5 m ~20 m，板间距变化范围为4 m ~10 m。

随着社会的发展，老龄化问题逐步显现，离退休党员不断增加，作为广大党员队伍中的特殊群体，他们有着与众不同的心理特点、基本需求和现实问题。习总书记说过：“老同志作为干部虽然离退休了，但作为党员永不退休，还应从政治上关心老同志”。党的基层组织应在习近平新时代中国特色社会主义思想的指引下，担负起妥善安置以及有效管理广大离退休党员的职责。

通过改变板数量、板宽及板间距等参数，建立不同垂荡板参数下浮体湿表面模型，图1显示的是其中双层垂荡板，板宽10 m，板间距4 m时的湿表面模型。其中月池位于浮体中部，且在二分之一型深处，月池截面沿其中一个方向扩张，为纵向不对称布置。不同垂荡板参数排列组合情况及对应的计算周期见表2。

表2 不同垂荡板参数下浮体固有周期计算值

3.1 单层垂荡板不同吃水深度对于垂荡性能的影响

图2与图3显示的是单层垂荡板不同吃水深度下垂荡及纵摇运动的幅值响应算子曲线，对应表3中0~5号模型。可以看出，无垂荡板时浮体垂荡运动固有周期为11.74 s，刚好落在波浪主能量周期范围内，极易引起共振现象，从而大幅增加垂荡运动幅值，这种情况是非常不利的。

通过与无垂荡板时浮体的运动幅值响应曲线对比可以看出，垂荡板的设置可以大幅改变垂荡及纵摇的固有周期及幅值响应算子的峰值。对浮体设置垂荡板可使垂荡运动固有周期增大，远离波浪主能量周期范围。虽然垂荡运动幅值响应算子的峰值有所增大，但是在波浪主能量周期范围内，有垂荡板的浮体的幅值响应算子明显小于无垂荡板时浮体的运动幅值响应算子。对于纵摇运动而言，垂荡板的设置同时增大了纵摇附加质量与阻尼系数，所以纵摇运动的固有周期增大，同时纵摇运动幅值响应算子的峰值也大幅减小。

对比1~5号模型的运动幅值响应算子曲线可以看出，单层垂荡板吃水较深时，即距底部小于9 m，不同的吃水深度对于垂荡及纵摇固有周期的影响程度很小，固有周期及响应算子的峰值基本不随板吃水深度发生变化。在单层垂荡板吃水较浅时，即距底部为9 m，垂荡固有周期突然增大，且幅值也急剧增大。对于纵摇而言，固有周期变化不大，幅值大幅度减小，但在波浪主能量周期范围内，纵摇运动幅值明显增大。所以垂荡板在距水面较近时，浮体整体运动性能并不理想。

图2 单层垂荡板不同吃水深度对垂荡性能的影响 图3 单层垂荡板不同吃水深度对纵摇性能的影响

3.2 垂荡板数量对于垂荡性能的影响

图4与图5显示的是不同垂荡板数量下垂荡及纵摇运动的幅值响应算子曲线，对应表3中0,1,9,13号模型。

图4 板数目变化对垂荡性能的影响 图5 板数目变化对纵摇性能的影响

3.3 垂荡板板宽对于垂荡性能的影响

图6与图7显示的是不同垂荡板宽度下垂荡及纵摇运动的幅值响应算子曲线，对应表3中0,6,9,11,12号模型。

图6 不同板宽对垂荡性能的影响 图7 不同板宽对纵摇性能的影响

从图6中可以看出，垂荡板宽度的变化对于垂荡及纵摇的影响最大。随着垂荡板宽度的增加，垂荡运动固有周期逐渐增大，垂荡运动峰值先增大后减小。考虑到工程造价及实际建造时的困难，垂荡板宽度为10 m时的垂荡固有周期已经远离了波浪主能量周期范围，且垂荡运动响应峰值也在可以接受的范围内。所以垂荡板宽度为10 m时，已经能很好的发挥垂荡板抑制垂荡响应的作用。

从图7中可以看出，垂荡板的宽度变化对于纵摇周期有非常大的影响，随着垂荡板宽度的增加，纵摇固有周期逐渐增大，纵摇响应峰值逐渐减小，当垂荡板增加到一定宽度后，纵摇周期急剧减小至波浪主能量周期范围内，之后，垂荡板宽度继续增加，纵摇固有周期及响应峰值继续增大，但整体变化幅度很小。 考虑到板宽度增大到15 m之后，纵摇固有周期降至波浪主能量周期范围内，会引起共振响应，大幅增大纵摇运动幅值，所以板宽度有效值应在10 m以内。

3.4 垂荡板间距对于垂荡性能的影响

图8与图9显示的是不同垂荡板间距下垂荡及纵摇运动的幅值响应算子曲线，对应表3中0,7,8,9,10号模型。

图8 不同板间距对垂荡性能的影响 图9 不同板间距对纵摇性能的影响

从图8、图9中可以看出，随着垂荡板间距的增大，垂荡运动固有周期及垂荡运动响应峰值均增大，垂荡板间距越大，垂荡运动固有周期越远离波浪主能量周期范围。但变化程度明显小于改变板宽度对垂荡运动性能的影响。对于纵摇而言，随着间距的增大，纵摇运动固有周期先增大后减小，间距为6 m时达到最大；纵摇运动响应峰值先减小后增大，但是变化幅度均不大。考虑到垂荡板间距10 m时，在波浪主能量周期范围内运动幅值明显大于其他间距下运动幅值，此间距下浮体纵摇性能不理想，所以最佳间距值定为8 m。

4 结论

该文对深水八角形FDPSO钻井储油平台在不同垂荡板参数下的运动响应开展研究，得到以下结论：

(1) 垂荡板的设置可大幅改变垂荡及纵摇运动的固有周期。

(2) 对于垂荡运动而言，在一定范围内，垂荡运动固有周期随垂荡板数量、板宽度及板间距的增大而增大。板宽度对于固有周期的影响最大，其次为板数量及板间距；改变单层垂荡板的吃水深度对垂荡性能的影响很小。

(3) 对于纵摇运动而言，垂荡板的设置可以大幅减小纵摇响应峰值，起到类似于舭龙骨的作用，但对于纵摇运动固有周期，改变板数量、板宽度及板间距会产生不同的影响。

(4) 通过对垂荡及纵摇幅值响应算子的分析比较，可初步确定本浮体的最佳垂荡板设置为双层垂荡板，板宽10 m，板间距8 m。

[1] 金秋，张国忠.世界海洋油气开发现状及前景展望[J].国际石油经济，2005(3):43-44.

[2] 谢彬，曾恒一，安维杰.中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型 [J].石油学报,2007,28(1):115-118.

[3] Harris D,Howard H,Hampshire K C.FDPSOS: The New Reality, and a Game-Changing Approach to Field Development and Early Production Systems[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas.2010.

[4] 刘健，谢彬，喻西崇，等.FDPSO在深水油田开发中应用浅析[C].第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会，山西太原，2011.

[5] 李淼，唐友刚，赵志娟，等.新型多筒式FDPSO概念设计及其系泊系统分析[J].中国舰船研究，2013,8(5):97-103.

[6] Tek K, Phil R, Kaj L. A New Approach to the Design of Mono-Hull FPSO[C].Proceedings of OMAE,2005.

[7] 王世圣，赵晶瑞，谢彬，等.深水八角形FDPSO总体性能分析[J].船海工程，2014(3):183-189.

[8] 纪亨腾.黄国梁,范菊. 垂荡阻尼板的强迫振荡试验[J].上海交通大学学报2003，37(7):977-980.

[9] 戴遗山，段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论[M].北京：国防工业出版社，2008.

[10] Rho B，Hang S C. An Experimental Study for Mooring Effects on the Stability of Spar Platform[C]. The Thirteenth (2003) International Offshore and Polar Engineering ConferenceHonolulu, Hawaii, USA,2003.

[11] Liu Jianhui, Yang Xiaogang, Yu Hao. Heave and Pitch Motions of Floating Platform in South China Sea[C]. The Twentieth (2010) International Offshore and Polar Engineering Conference. Beijing, China, 2010.

[12] Koo B J, Kim M H, Randall R E. Mathieu instability of a Spar platform with mooring and risers [J]. OceanEngineering, 2004, (3)：2175-2208.

Numerical Analysis of Heave Performance for Deep Water Octagon FDPSO

YU Chen-fang, HU Zhi-qiang, WANG Jin

(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240， China)

FDPSO is one of the most important equipment for deep water oilfield development. Reasonable setting of heave plates is of crucial importance to improve the heave performance of FDPSO. Numerical simulations were used to investigate the influence of the main parameters of rounding heave plates to heave performance. The response amplitude operators of the octagon FDPSO with different parameters were obtained by using SESAM software, based on which optimized heave plates parameters were determined after the comparison analysis. The results show that reasonable settings of heave plates can improve heave and pitch performance obviously.

octagon FDPSO; hydrodynamic performance; heave plate; numerical analysis; response amplitude operator

2015-01-22

国家十二五重大专项课题(2011ZX05026-006-05)。

于晨芳(1990-)，女，硕士研究生。

1001-4500(2016)01-0023-06

P75

A