新型圆筒型FPSO垂荡抑制结构优化设计

白 杰，李 焱, 3，曲志森，唐友刚

(1. 天津大学 建筑工程学院，天津 300072; 2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072; 3. 天津大学 天津市港口与海洋工程重点实验室，天津 300350)

浮式生产储卸油装置(floating production storage and offloading system, 简称FPSO)作为一种新型的油田开发装备，具有功能灵活、开发风险小、适合早期投产和边际油田滚动开发等特点，具有光明的应用前景。其中船型FPSO是目前主力的油田开发装备，但船型浮体对波浪的作用方向非常敏感，运动性能差，影响上部设备与仪器的正常工作[1]。经过多年发展，出现了多种新型式FPSO的概念，包括多筒式FPSO[2-4]、八角形FPSO[5]、沙漏式FPSO[6]和圆角倒棱台形FPSO[7]等。2006年挪威Sevan Marine公司设计建造了世界上第一艘圆筒型FPSO，Rika Afriana[8]利用水动力仿真软件SESAM对圆筒型FPSO进行了运动响应分析，研究表明，圆筒型FPSO的横摇和纵摇运动性能优于船形FPSO，但垂荡运动性能差。SEVAN圆筒型FPSO的垂荡运动固有周期在15～18 s，我国南海百年一遇波浪的谱峰周期也在15 s附近，使其应用范围受到限制。童波等[9]研究了圆筒型FPSO阻尼结构的性能，采用CFD方法分析了阻尼形成机理以及阻尼特性的影响因素。马翔宇[10]采用模型试验方法，对比分析了不规则波和畸形波作用下圆筒型FPSO的水动力特性，研究了圆筒型FPSO运动响应和系缆力的影响因素。黄佳等[11]通过对传统圆筒型FPSO水动力性能模型试验研究也得出了传统圆筒型FPSO在百年一遇海况下，垂荡运动幅度大，运动性能不佳的结论。

为了克服圆筒型FPSO垂荡运动性能差的缺点，提出研究一种带垂荡抑制结构的圆筒型FPSO。通过模型的垂荡纵摇自由衰减试验，选取最优的垂荡抑制结构型式，并与传统圆筒型FPSO进行运动性能的对比。在此基础上结合我国南海海洋环境条件，设计新型圆筒型FPSO的系泊系统。通过时域耦合分析得到新型圆筒型FPSO自存工况下的运动响应，与传统圆筒型FPSO进行比较，验证了新型圆筒型FPSO的技术优势。

1 带有垂荡抑制结构的圆筒型FPSO结构特征

新型圆筒型FPSO借鉴传统圆筒型FPSO外形设计，将传统圆筒型FPSO的底部阻尼结构去掉，只保留主筒体，在主筒体的下部增加延伸筒体与垂荡抑制结构，得到带延伸筒体与垂荡抑制结构的形式，如图1所示。

新型圆筒型FPSO垂荡抑制结构安装在延伸筒体上，围绕延伸筒体下部环向布置，如图1(b)所示。其与延伸筒体的相对位置有两种形式：垂荡抑制结构与延伸筒体之间无间隙和垂荡抑制结构与延伸筒体之间有间隙。垂荡抑制结构环向设有9个舱。每个舱的底板中心位置开设阻尼孔，顶板四个边角开设阻尼孔，海水可由阻尼孔进入垂荡抑制结构，起到增加结构内附连水质量的作用。阻尼孔位置如图2所示。保持矩形垂荡抑制结构顶板与底板的尺寸不变，将外围板的直径减小，使顶板与底板外伸，外伸部分被称为外板边锋。由此得到另一种型式的垂荡抑制结构，称为外板边锋垂荡抑制结构。

图1 圆筒型FPSO主视图Fig. 1 Main view of cylindrical FPSO

图2 新型圆筒型FPSO阻尼孔布置图Fig. 2 New cylindrical FPSO damping hole

2 带有垂荡抑制结构的圆筒型FPSO自由衰减试验

2.1 试验模型

试验模型采用亚克力与PVC材料制成，缩尺比为1∶77.8。模型几何外形如图3所示，具体技术参数如表1所示。

图3 新型圆筒型FPSO试验模型Fig. 3 New cylindrical FPSO experimental model

表1 试验模型技术参数
Tab. 1 Technical parameters of experimental model

技术参数原型参数试验模型参数主筒体直径R1/m700.9垂荡抑制结构直径R2/m961.234垂荡抑制结构高度h/m100.128垂荡抑制结构宽度R3/m120.154延伸筒体高度H/m20.30.261吃水d/m400.514质量/kg8.71×107185.1重心/m370.476转动惯量/(kg·m2)6.78×101023.7

采用了四种结构型式进行垂荡和纵摇运动的自由衰减试验，分别是无垂荡抑制结构，带有间隙的矩形垂荡抑制结构(下文简称带矩形垂荡抑制结构)，带无间隙的矩形垂荡抑制结构(下文简称带无间隙垂荡抑制结构)，带有间隙的外板边锋垂荡抑制结构(下文简称带外板边锋垂荡抑制结构)，各结构模型如图4-图7所示。为了通过试验结果对比得到垂荡抑制结构对运动性能的影响，四种结构均采用了有延伸筒体的型式。外板边锋垂荡抑制结构的截面放大图如图8所示。

图4 无垂荡抑制结构模型和实物图Fig. 4 Model without heave suppression structure

图5 带矩形垂荡抑制结构模型和实物图Fig.5 Model with rectangle heave suppression structure

图6 带无间隙垂荡抑制结构模型和实物图Fig. 6 Model with gapless heave suppression structure

图7 带外板边锋垂荡抑制结构模型和实物图Fig. 7 Model with outer-edge heave suppression structure

图8 外板边锋垂荡抑制结构截面放大图Fig. 8 Section of outer-edge heave suppression structure

2.2 试验结果

通过模型垂荡和纵摇运动的自由衰减试验，得到了自由衰减曲线。对自由衰减曲线进行快速傅里叶变换，得到不同模型垂荡和纵摇运动的固有周期，再根据缩尺比换算得到实尺度平台运动的固有周期。采用消灭曲线方法得到模型的无因次阻尼系数，结果如表2和表3所示。

表2 带不同垂荡抑制结构平台的固有周期(实尺度)Tab. 2 Natural periods of platforms with different heave suppression structures (actual scale)

表3 不同试验模型的无因次阻尼系数Tab. 3 Dimensionless damping coefficients of different experimental models

表2数据表明，垂荡抑制结构使平台垂荡和纵摇运动的固有周期明显提高。分析表3数据得出，相比于无垂荡抑制结构模型，三种带垂荡抑制结构模型的垂荡无因次阻尼系数分别增加26.1%、17.4%、33.3%，纵摇无因次阻尼系数分别增加145%、107%、190%，表明设置垂荡抑制结构能够显著增加模型的垂荡阻尼和摇摆阻尼。

表3结果表明，带外板边锋垂荡抑制结构的阻尼增加效果最显著，因此选择带外板边锋垂荡抑制结构的圆筒型FPSO进行频域计算和浮体与系泊系统的时域耦合分析。

3 带有垂荡抑制结构的圆筒型FPSO频域计算

随着水动力计算软件发展的日趋成熟，数值模拟由于其低成本，研究周期短，研究成果综合性高的特点而在水动力性能计算中得到广泛应用。利用水动力计算软件AQWA建立了传统圆筒型FPSO和带外板边锋垂荡抑制结构的新型圆筒型FPSO模型，如图9所示。具体参数如表4所示。

图9 传统和新型圆筒型FPSO平台Fig. 9 Traditional and new cylindrical FPSO

表4 具体参数
Tab. 4 Specific parameters

平台主筒体直径/m垂荡抑制结构直径/m重心(距基线)/m吃水/m质量/kg转动惯量/(kg·m2)传统平台709620.3198.2×1075.2×1010新型平台709637408.7×1076.4×1010

计算得到两种平台垂荡和纵摇运动的幅频响应函数如图10所示。我国南海生存海况的谱峰周期通常在12～18 s之间。频域分析结果显示新型圆筒型FPSO的垂荡固有周期在20 s附近，远离波能集中区域，减少了发生波频共振的机会。而对于传统圆筒型FPSO，其垂荡固有周期在16.25 s附近，处于波能集中区域，容易发生共振。传统结构的纵摇RAO出现两个峰值，这两个峰值分别对应于波浪载荷最大值点与固有周期点，新型结构所受纵摇波浪载荷降低，仅在固有周期点出现峰值。数值计算得到的固有周期与上文试验结果相当接近，验证了数值计算的正确性。由图10可见新型平台的垂荡和纵摇固有周期相较于传统平台都有提升，尤其是垂荡固有周期的提升可以明显地改善垂荡运动性能。

图10 两种平台垂荡和纵摇运动的幅频响应Fig. 10 Numerical RAO for roll motion and pitch motion

4 带有垂荡抑制结构的圆筒型FPSO浮体与系缆的时域耦合分析

4.1 系泊系统设计

系泊缆采用全锚链加配重块的型式，共分为3组，每组包括3根夹角为5°的系泊缆，如图11所示。每根系泊缆16个配置块，每个配重块重5 t。系泊缆的下端与海底基础相连，距离导缆孔的水平距离为900 m，上端通过主体结构上的导缆孔连接到起链器上，通过起链器可以灵活调节锚链的长度，系泊缆预张力470 t。导缆孔位于水下40 m处，沿FPSO主体环向等间隔布置。系泊缆的具体参数如表5所示。

表5 系泊缆参数Tab. 5 Mooring line parameters

图11 新型圆筒型FPSO系泊方式Fig. 11 Mooring method of new cylindrical FPSO

4.2 环境条件

进行系泊分析时考虑的工况是完整自存工况，通常指百年一遇环境条件，环境条件具体参数如表6-表8所示。基于282 m水深，采用AQWA软件进行带外板边锋垂荡抑制结构圆筒型FPSO浮体与系泊系统的时域耦合计算，得到运动响应以及系缆的张力时间历程曲线。

表6 波浪参数Tab. 6 Wave parameters

表7 海流参数Tab. 7 Current parameters

表8 风参数Tab. 8 Wind parameters

4.3 结构运动响应

完整自存工况下带外板边锋垂荡抑制结构圆筒型FPSO的垂荡、纵荡和纵摇运动时历曲线和响应谱如图12-图17所示。

图12 垂荡时历曲线Fig. 12 Time history curve of heave

图13 垂荡响应谱Fig. 13 Response spectrum of heave

图14 纵荡时历曲线Fig. 14 Time history curve of surge

图15 纵荡响应谱Fig. 15 Response spectrum of surge

图16 纵摇时历曲线Fig. 16 Time history curve of pitch

图17 纵摇响应谱Fig. 17 Response spectrum of pitch

在完整自存工况下，波浪频率集中在0.3～0.6 rad/s区间。从图13中可以看到，垂荡运动能量主要集中在波频区域。从图15中可以看到，纵荡运动能量主要集中在两个区域，分别为低频区域与波浪频率区域，低频区域运动能量占主导，在0.3～0.6 rad/s波频能量区域同时存在部分运动能量。在图17中，纵摇运动能量集中在三个区域，分别出现在0.3～0.6 rad/s的波频区域，0.1～0.2 rad/s固有频率区域以及低频区域，其中，固有频率区域的运动能量占主导。可以看到，在完整自存工况下，纵摇运动与纵荡运动出现了耦合，纵摇运动的低频能量被激发。对运动时历曲线进行统计，得到统计结果如表9所示。

表9 新型圆筒型FPSO完整自存工况下运动响应统计表Tab. 9 Motion under the self-existing condition of the new cylindrical FPSO

保持环境条件不变，采用相同的系泊方式对传统圆筒型FPSO进行时域耦合分析，统计运动响应值，结果如表10所示。

对比表9和表10数据，传统圆筒型FPSO垂荡运动幅值已接近10 m，而新型圆筒型FPSO垂荡运动幅值则维持在3.1 m左右，垂荡运动性能大幅改善。主要原因是新型圆筒型FPSO的延伸筒体与垂荡抑制结构大幅增加了结构的附连水质量，提高了垂荡运动的固有周期，使垂荡运动远离了波能集中区域。

新型圆筒型FPSO的纵摇运动性能同样得到大幅改善，这得益于延伸筒体和垂荡抑制结构带来的纵摇阻尼的增加。新型圆筒型FPSO纵荡平衡位置相比于传统圆筒型FPSO有所增加，这是因为新型圆筒型FPSO增加了延伸筒体与垂荡抑制结构，导致纵荡载荷受力面积增大。

表10 传统圆筒型FPSO完整自存工况下运动响应统计表Tab. 10 Motion under the self-existing condition of the traditional cylindrical FPSO

5 结 语

为了克服圆筒型FPSO垂荡运动性能差的缺点，提出研究一种带垂荡抑制结构的圆筒型FPSO，通过自由衰减试验，频域计算和浮体与系泊系统的时域耦合分析，得出以下结论:

1)设置垂荡抑制结构能够显著增加模型的垂荡阻尼和摇摆阻尼，使平台垂荡和纵摇运动的固有周期明显提高。延伸筒体和垂荡抑制结构之间的间隙以及垂荡抑制结构的外板边锋起到了增加阻尼的作用。带外板边锋垂荡抑制结构的阻尼增加效果最显著。

2)频域计算结果表明传统圆筒型FPSO垂荡固有周期处于波能集中区域，容易发生共振。新型圆筒型FPSO的垂荡固有周期远离波能集中区域，减少了发生波频共振的机会。传统结构的纵摇RAO出现两个峰值，这两个峰值分别对应于波浪载荷最大值点与固有周期点，新型结构所受纵摇波浪载荷降低，仅在固有周期点出现峰值。新型平台的垂荡和纵摇固有周期相较于传统平台都有提升，尤其是垂荡固有周期的提升可以明显地改善垂荡运动性能。

3)时域耦合分析表明，在百年一遇海况下，新型圆筒型FPSO垂荡和纵摇运动幅值远低于传统圆筒型FPSO。说明增加延伸筒体与垂荡抑制结构后，圆筒型FPSO运动性能得到大幅改善。

随着水动力软件发展的日趋成熟，数值模拟由于其低成本，研究周期短，研究成果综合性高的特点而在水动力性能计算中得到广泛应用，但试验验证依然是必要的过程。由于试验条件和加工工艺的限制，本文的频域结果对比和时域结果对比仍需进一步的试验验证，这是下一步的工作中的重点。