圆筒形FPSO尺度规划和运动性能研究

童 波

(中国船舶工业集团公司第七O八研究所，上海 200011)

圆筒形FPSO尺度规划和运动性能研究

童 波

(中国船舶工业集团公司第七O八研究所，上海 200011)

首先介绍全球海域圆筒形装置的工程应用案例，对比圆筒形FPSO相对常规船形的优势，然后以原油储量、工艺模块甲板面积、耐波性、稳性、系泊系统、排水量等控制参数为目标，研究圆筒形FPSO主尺度选取依据，分舱原则。重点研究圆筒形装置的阻尼板结构，此为抑制运动响应的关键结构，通过模型试验方法分析对比了水平阻尼板、不同角度锥形阻尼板的特性。最后研究圆筒形装置运动性能分析方法，介绍二阶响应数值预报方法，研究垂荡和横摇运动的耦合效应，分析波频和低频运动响应，通过模型试验进行了验证，从而指导圆筒形装置设计。

圆筒形FPSO；尺度规划；阻尼板；模型试验；二阶运动

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

深海油气田生产开发的海上装置主要有FPSO、半潜式平台、张力腿平台和SPAR等型式，其中FPSO是一种兼有原油处理，储存和卸油功能的浮式油气生产设施。FPSO长期系泊于某一固定海域，将开采的海底原油进行油、水、气分离处理后注入货油舱临时储存，再由穿梭油轮或海底管线外输。目前FPSO工程上应用较多的结构型式有船形和圆筒形，在中国南海、英国北海以及巴西等相对东南亚、西非海况恶劣的海域，使用船形FPSO需采用造价和维护成本高昂的单点系统。圆筒形FPSO相比单点系泊船形FPSO具有以下优势：浮体各向同性，无旋转；无风标效应，节省单点系统布置空间和设备费用；可以容纳支撑更多的立管、脐带缆和电缆；浮体中拱中垂变形小，利于上部模块结构设计；波浪诱导的疲劳载荷较小；浮体总强度抵御恶劣海况能力强；运动性能良好。

目前运营的圆筒装置全部由SEVAN公司设计，2007年投入运营的第一座圆筒形FPSO Piranema Spirit，作业于巴西海域，水深1 000 m，油处理能力30 000 bod。目前最大圆筒形FPSO作业于挪威海域，水深400 m，储油量100万桶，油处理能力100 000 bod。以圆筒形FPSO在中国南海流花油田开发应用研究为基础，研究其主尺度规划和运动性能分析技术，如图1所示。

图1 圆筒形FPSO示意Fig. 1 Picture for cylinder FPSO

1 圆筒形FPSO尺度规划

圆筒形FPSO是针对特定海域、特定油气田量身定制的，圆筒形和船形FPSO主尺度选取依据和设计原则本质相似，主要控制因素包括：原油储量、工艺模块甲板面积、耐波性、稳性、系泊系统、排水量等。

圆筒形FPSO外形结构主要包括三部分：柱型筒体、底部阻尼板和上部外飘结构。该装置尺度规划中首先根据目标油田舱容需求(包括货油、SLOP舱、工艺舱和压载舱等)，满载排水量需求(包括货油满载、100%燃油+淡水、工艺舱部分装载、系泊立管载荷、作业载荷以及必要压载水)，初稳性要求和运动固有周期确定筒体直径、型深和吃水。圆筒形FPSO的干舷除了满足稳性要求外，更要考虑防止生存海况下的甲板上浪。

通常FPSO载重量占排水量75%，船体钢料占排水量的13%～16%，压载水容积占排水量的35%～50%。压载舱的容积和位置主要为确保原油舱空或部分装载时，FPSO的吃水浮态满足稳性、浮态和耐波性要求。如果圆筒形FPSO设置钻修井附加功能，压载舱和设备系统的能力应满足钻修井系统升沉补偿的要求。圆筒形装置的初稳性由直径、排水量、浮心高度和重心高度决定，通常各工况最小初稳性高在4～5 m。考虑圆筒形装置稳性时应兼顾运动固有周期，其中垂荡固有周期通常大于16 s，横摇固有周期通常大于30 s。综合上述因素，圆筒形FPSO的直径和型深比通常为2左右。

然后根据圆筒形FPSO运动响应目标确定阻尼板尺度，阻尼板是增加圆筒形装置附连水质量和黏性阻尼的关键装置，可以有效降低垂荡和横摇运动。阻尼板通常为与柱型筒体相连的箱形结构，其高度与油舱双层底高度一致，通常为2～3 m，其外延径向长度与浮体运动响应、阻尼板结构强度和建造限制相关。

最后上部外飘结构主要与工艺甲板面积的需求相关，同时统筹考虑外飘结构的砰击载荷影响，与垂直方向的外飘角度通常为25°左右。圆筒形装置的主甲板和工艺甲板之间的外围结构采用隔栅状的挡浪板，既防止甲板上浪又利于危险区通风。

综上所述圆筒形FPSO主尺度及其影响因素如表1所示。

表1 主尺度选取依据Tab. 1 Impact factor for main dimension

图2是目标油田设计的圆筒形FWPSO主尺度和外形，该装置除了原油处理，储存和卸油功能外，还增加钻修井功能，因此在筒体中心增加月池开口，开口尺寸满足特定海况下钻井系统作业要求。

图2 圆筒形FPSO外形示意Fig. 2 Hull lines for cylinder FPSO

通常认为FPSO生产作业时长期系泊定位在深水不会有触底风险，浅水拖航时舱内不再储存原油，规范也不要求破舱稳性考虑底部破损，原则上可以采用单底。但是圆筒形FPSO双层底构造主要基于以下原因：油舱内结构件少，易于洗舱、扫舱；便于油舱底部结构件的检查；保温效果好；更有利于环保，更好地防止油污染[1]。

圆筒形FPSO分舱结构主要为环形舱壁和径向舱壁，环形和径向舱壁将货油舱、工艺舱和压载舱进行有效分隔，舱壁间距的设置需主要考虑以下因素：舱容需求；减轻结构重量；破舱稳性；自由液面效应；满足MARPOL的防污染要求；液舱晃荡；货舱检修不影响生产作业；设备系统配置的经济性。

根据圆筒形FPSO尺度规划研究，与常规船形FPSO尺度外形规划相比，需特别注意的是阻尼板的结构型式，这也是圆筒形装置具有优良运动性能，从而抵御恶劣海况的保障。考虑阻尼板黏性和非线性的水动力特性，基于模型试验的方法分析了不同的阻尼板型式对浮体响应固有周期和运动响应RAO的影响，阻尼板型式包括：水平阻尼板和锥形阻尼板(倾角分别为15°和30°)。不同型式阻尼板的垂荡和横摇固有周期，白噪声RAO响应如表2所示。

表2 不同阻尼板对固有周期的影响Tab. 2 Natural period for different damping plates

由此可知改变阻尼板角度，能够引起圆筒形FPSO横摇周期变化，随着阻尼板角度的增大，圆筒形FPSO的横摇运动固有周期逐渐增大，而垂荡运动固有周期变化不明显。

可以发现不同形式的阻尼板对垂荡影响不大，对纵摇运动影响较大，如图3和图4所示。从图中可以发现在波频范围内不同阻尼板运动RAO较为接近，随着阻尼板角度增加，在低频范围内出现较大差别，且阻尼板角度越小纵摇运动响应越大。

综合运动固有周期和响应RAO，不同阻尼板型式对垂荡影响不大，考虑圆筒形装置的横摇运动主要由低频成分所控制，增大阻尼板角度可以降低横摇运动，而且缓解阻尼板与筒体连接强度和疲劳问题，建议工程中采用阻尼板和筒体整体相连的锥台型式，与水平方向夹角30°左右。

图3 不同阻尼板型式的横摇RAOFig. 3 Roll RAO for different damping plates

图4 不同阻尼板型式的垂荡RAOFig. 4 Heave RAO for different damping plates

2 基于二阶响应的运动数值计算

在理想流体、流动无旋的假定下，流动的基本方程为关于速度势的Laplace方程，其定解条件包括自由面条件和物面条件、海底条件以及辐射条件等。在微幅运动的假定下，应用正则摄动法建立流场中不同阶次速度势必须满足的定解条件，可以得到精确的一阶解，即是所谓的线性理论。然而圆筒形FPSO横摇固有周期接近35 s，其运动响应既包括波浪频率区间的运动，也包括低频区的运动，二阶差频波浪载荷对横摇运动的影响是不容忽视的，因此需要计算基于二阶响应的垂荡和横摇耦合运动[2]。

在海况条件较大时，波浪周期较大，并与平台的垂荡固有周期比较接近，垂荡运动幅值增加明显。平台的大幅度垂荡会导致湿表面积的周期性变化，浮心位置发生改变，进而改变了初稳性高GM值，导致了浮体的横摇/纵摇回复力矩随之发生变化，需要关注因波浪和运动引起的湿表面积的变化，以及横摇回复力矩变化的非线性影响[3-4]。

采用法国BV船级社的HydroStar软件对圆筒形FPSO的二阶运动进行了计算，主要计算原理：首先采用近场法计算自由液面和湿表面的二阶力，根据牛顿第二定律获得二阶运动方程[5]：

进一步转换为频域计算方程：

-Δω2M+MaΔω-iΔωBequΔω+K·X=F2Δω

其中，M是浮体质量矩阵，Ma是辐射问题求解获得的附加质量矩阵；Bquad为二阶阻尼；Blin为线性阻尼；Bequ包括了辐射问题求解获得的势流阻尼和其他阻尼之和；K为系统总的刚度矩阵；X为浮体的运动向量；F2为低频载荷。

对上式进行求解，获得二阶运动传递函数(QTFs)。因为二阶计算结果极值不满足Rayleigh分布，运动幅值的估算需要将一阶运动和二阶运动的时历数据进行整合，该过程在HydroStar软件的Starspec模块完成。

二阶运行时历数据生成过程：

考虑一列方向为β的单向波波谱S(ω)，为生成时历对波谱进行离散。对于每个离散点(Ai,ωi,φi)，Ai为i阶散点的幅值，ωi为i阶散点的频率，φi为i阶散点的相位。

根据RAO的幅值r(1)(ω,β)和相位α(1)(ω,β)进行一阶运动的重建：

根据QTF的幅值r(2)(ω1,ω2,β)和相位a(2)(ω1,ω2,β)进行二阶运动的重建：

进一步进行短期预报的计算即可获得包含一阶运动和二阶运动的幅值。

采用上述方法，分别对满载和压载工况，作业和生存海况的一阶和二阶运动进行了计算，同时考虑了黏性阻尼的敏感性分析，计算结果如表3所示。

表3 运动响应数值计算Tab. 3 Calculation results for motion response

由表3可知二阶对垂荡运动的影响可以忽略，QTF的横摇峰值周期接近一阶垂荡固有周期。如图5所示，表明垂荡和横摇的耦合关系，通过增加垂荡阻尼，减小一阶垂荡运动，可以降低二阶横摇响应，因此垂荡阻尼是控制二阶横摇耦合运动的关键参数。尤其在生存海况下，横摇运动基本被二阶响应控制，这一方面由于二阶运动与波高平方成正比，而且横摇QTF峰值接近恶劣海况谱峰周期。

图5 不同垂荡阻尼系数垂荡RAO和纵摇QTF比较Fig. 5 Heave RAO and pitch QTF for different heave damping coefficients

文中涉及的目标平台在风浪流水池进行了不规则波运动响应试验，如图6所示。表4列举满载工况下在作业和生存海况的运动响应，给出了响应的最大、最小值以及波频和低频值。根据表4可知，模型试验和数值计算匹配性较好，垂荡运动由一阶波频响应控制，纵摇运动由二阶低频响应控制，平台在风载荷、流载荷和系泊系统的不均衡载荷作用下产生初始的横倾[6]。

表4 运动响应模型试验结果Tab. 4 Model test results for motion response

图6 压载/满载工况百年一遇不规则波试验Fig. 6 Irregular wave test on ballast/full condition for 100a return period

3 结 语

圆筒形装置实际工程应用中有5条FPSO、4条钻井船、3条生活支持船，主要作业海域在北海和巴西，圆筒形装置环境方向性不敏感，整体运动性能更优，良好的耐波性使其在恶劣海况生存能力更强。圆筒形FPSO主尺度选取的主要控制因素包括：原油储量、工艺模块甲板面积、耐波性、稳性、系泊系统和排水量等。阻尼板的结构型式是圆筒形装置具有优良运动性能的保障。综合运动固有周期和响应RAO，不同阻尼板型式对垂荡影响不大，增大阻尼板角度可以降低横摇低频运动，而且缓解阻尼板与筒体连接强度和疲劳问题。不规则波运动模型试验和数值计算匹配性较好，垂荡运动由一阶波频响应控制，二阶对垂荡运动的影响可以忽略，纵摇固有周期较大，其运动由二阶低频响应控制，QTF的横摇峰值周期接近一阶垂荡固有周期，证实了垂荡和横摇的耦合关系，通过增加垂荡阻尼，减小一阶垂荡运动，进而可以降低二阶横摇响应。圆筒形FPSO设计时考虑改变横摇固有周期从而降低二阶低频响应。在下一步的研究中还需考虑马休不稳定现象，通过改变固有周期，调整垂荡阻尼，从而一定程度避免马休不稳定现象的发生。

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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，高级工程师，从事船舶与海洋工程总体设计及理论研究工作。E-mail：tongbmaric@163.com