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(中海油研究總院，北京 100027)

FDPSO是集海上鉆井、原油處理、儲油和卸油為一體的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。傳統(tǒng)的船型FDPSO在水動(dòng)力性能、造價(jià)、儲油效率等方面存在劣勢，為此各種各樣的新概念FDPSO形式應(yīng)運(yùn)而生，主要體現(xiàn)在浮體形式的創(chuàng)新和使用功能的擴(kuò)展兩方面。目前FDPSO的船型可以歸納為7種，不過大部分FDPSO的船型是FPSO船型的擴(kuò)展。7種FDPSO的船型[2～6]，按照船體形式可劃分為4類：大水線面船體，包括圓形、八角形、圓角倒棱臺形；小水線船體，半潛式，包括多立柱+圓柱、四立柱+旁通；深吃水浮體，碗型；船型。目前在這7類FDPSO船型中，僅船型和圓形FDPSO投入應(yīng)用，但應(yīng)用的環(huán)境條件與我國南海的環(huán)境條件差異較大，不一定能適用于南海。通過對7類FDPSO的船型的對比分析，八角形FDPSO船型除滿足基本功能要求外還有較高的儲油效率，且建造容易、成本低，有良好的經(jīng)濟(jì)性。為此，以八角形船型作為目標(biāo)船型開展概念設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了總體性能分析。

1 八角形FDPSO總體設(shè)計(jì)

1.1 基本組成

上部設(shè)施包括兩層甲板，主甲板布置鉆井設(shè)備、鉆井輔助設(shè)備、生活樓。直升機(jī)甲板位于生活樓頂上。生活樓的設(shè)計(jì)依據(jù)相應(yīng)規(guī)范執(zhí)行。

生產(chǎn)甲板，在生產(chǎn)甲板布置有電、熱站、油氣處理設(shè)備、水處理設(shè)備、公用設(shè)施、井流接收設(shè)備、火炬、吊機(jī)、救生艇、多點(diǎn)系泊設(shè)施等。

考慮到艙內(nèi)已處理的原油外輸，還應(yīng)布置原油外輸裝置。

浮體內(nèi)部設(shè)置機(jī)艙、泵艙、儲油艙、壓載水艙、污水艙、燃油艙、淡水艙和污油水艙，浮體中部設(shè)月池進(jìn)行鉆井作業(yè)。總體布置見圖1。

圖1 八角形FDPSO總布置立面示意

1.2 主尺度

八角形FDPSO浮體部分為八角形柱體，考慮到南海惡劣的海洋環(huán)境條件，定位方式采用多點(diǎn)系泊。根據(jù)原油處理和儲存能力的要求，上部油氣處理設(shè)施約重6 000 t；鉆井系統(tǒng)約重3 000 t； FDPSO主要艙容要求：原油艙容應(yīng)為5萬t原油儲油量。根據(jù)八角形FDPSO鉆井、生產(chǎn)和原油儲存的要求，其主尺度和技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主尺度和技術(shù)參數(shù)

2 水動(dòng)力特性分析

FDPSO同時(shí)具有鉆井、生產(chǎn)、處理和外輸功能，鉆井和生產(chǎn)作業(yè)要求FDPSO具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，才能保證鉆井和生產(chǎn)作業(yè)的安全。 FDPSO的外形、尺度，以及是否增設(shè)垂蕩板，對其運(yùn)動(dòng)性能有比較大的影響，分析以八角形為對象，通過改變八角形的結(jié)構(gòu)與尺度，研究影響八角形浮體運(yùn)動(dòng)性能的因素，為合理確定結(jié)構(gòu)與尺度提供參考。

2.1 八角形FDPSO固有特性分析

八角形浮體原始尺寸：浮體直徑,80 m；高度，40 m；吃水，21 m；浮體上甲板直徑，90 m；垂蕩板直徑，86 m；垂蕩板個(gè)數(shù)，2個(gè)；排水量，110 582 t。為研究其固有特性采用SESAM軟件的WADAM模塊進(jìn)行頻域分析，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)固有周期。根據(jù)八角形FDPSO的概念設(shè)計(jì)，建立水動(dòng)力模型，包括濕面模型和質(zhì)量模型，見圖2。

圖2 濕面模型

為對比垂蕩板直徑對八角形FDPSO固有特性的影響，通過改變垂蕩板尺寸，計(jì)算不同垂蕩板尺寸的影響，見表2。

表2 不同垂蕩板尺寸固有周期計(jì)算結(jié)果

由表2可見，增大垂蕩板尺寸，可以明顯改變浮體的固有周期，八角形浮體水線面積大，穩(wěn)性好，但垂蕩運(yùn)動(dòng)大，難以滿足鉆井、生產(chǎn)的要求，必須使其垂蕩周期避開波浪能量集中的頻帶范圍，以降低其垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值。

根據(jù)表2，當(dāng)垂蕩板直徑為98 m時(shí)，浮體獲得良好的運(yùn)動(dòng)性能。另外兩個(gè)垂蕩板的效果要優(yōu)于一個(gè)垂蕩板的效果。

在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保持浮體艙容不變，改變浮體直徑同樣可以改變浮體的運(yùn)動(dòng)性能，見表3。

表3 不同浮體直徑的固有周期計(jì)算結(jié)果

由表3可見，浮體直徑減小、長度增加，吃水深度增加，其垂蕩周期增加，縱橫搖周期變化明顯，增加幅度較大。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，改變浮體直徑對于改變浮體的垂蕩周期沒有太大幫助，而且浮體直徑受上部甲板面積的限制，減小浮體直徑將減小上部甲板的支撐距離，對于上部結(jié)構(gòu)不利。因此，改善八角形浮體運(yùn)動(dòng)性能的主要方式應(yīng)當(dāng)是設(shè)置合理的垂蕩板直徑。

2.2 八角形FDPSO短期響應(yīng)計(jì)算

根據(jù)八角形FDPSO運(yùn)動(dòng)特性分析結(jié)果，改變垂蕩板尺寸可以明顯改變浮體的固有特性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證垂蕩板尺度改變所產(chǎn)生的效果，對于原設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)，按作業(yè)狀態(tài)和生存狀態(tài)分別進(jìn)行短期響應(yīng)預(yù)報(bào)。

原始設(shè)計(jì)與改進(jìn)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表4，作業(yè)與生存條件下的環(huán)境參數(shù)見表5。

表4 原始設(shè)計(jì)與改進(jìn)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)

表5 環(huán)境條件

根據(jù)給定的八角形FDPSO原始設(shè)計(jì)與改進(jìn)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，考慮兩種裝載狀態(tài)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，應(yīng)用SESAM軟件的后處理模塊POSTRESP計(jì)算在作業(yè)和生存兩種環(huán)境條件下浮體的運(yùn)動(dòng)短期響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 運(yùn)動(dòng)短期預(yù)報(bào)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表6所示的短期預(yù)報(bào)結(jié)果，原設(shè)計(jì)在作業(yè)和生存工況下運(yùn)動(dòng)幅值過大，不能滿足要求。將垂蕩板尺寸加大后，對浮體的運(yùn)動(dòng)性能有明顯的改善，在作業(yè)工況下能基本滿足作業(yè)要求，但生存工況下運(yùn)動(dòng)幅值仍然較大，這對外輸立管設(shè)計(jì)的要求更高。

3 系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

八角形FDPSO浮體幾何形狀對稱，系泊系統(tǒng)也成對稱布置，根據(jù)其在作業(yè)和生存狀態(tài)下的定位要求，其系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四組16根(4×4),布置形式見圖3。

圖3 系泊系統(tǒng)布置示意

系泊系統(tǒng)總布置參數(shù)如下。纜繩分4組，每組纜繩軸線方向與平臺艏艉向夾角為0°、90°、180°、270°;每組纜繩根數(shù)為4根，每組纜繩間的夾角為10°。

為了減輕錨鏈重量，同時(shí)又能夠保證足夠的剛度，八角形FDPSO的系泊纜采用“錨鏈．鋼絲纜一錨鏈”的組成形式，表7列出了系泊纜的參數(shù)。

表7 單根纜繩結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)其作業(yè)和生存要求，八角形FDPSO采用多點(diǎn)系泊應(yīng)當(dāng)滿足的具體要求如下。

1)一年一遇臺風(fēng)條件下，最大水平偏移量小于5%的作業(yè)水深。

2)百年一遇臺風(fēng)條件下，最大水平偏移量小于10%的作業(yè)水深。

3)導(dǎo)纜孔處最大系泊張力：此次報(bào)告采用準(zhǔn)靜力法進(jìn)纜繩張力校核，根據(jù)API RP 2SK規(guī)范，纜繩的最大系泊張力的安全系數(shù)在系泊完整工況下大于2.0，一根纜破損時(shí)大于1.43。

4)纜繩臥底長度：迎風(fēng)向纜繩的最小臥底長度大于100 m，背風(fēng)向纜繩的鋼纜部分不接觸海底泥面。

基于八角形FDPSO作業(yè)和生存環(huán)境條件，采用Moses軟件進(jìn)行系泊系統(tǒng)分析，分別校核完整工況和一根錨鏈破損工況，結(jié)果見表8～10。

表8 系泊完整工況校核結(jié)果(百年一遇臺風(fēng)條件)

表9 系泊完整工況校核結(jié)果(一年一遇臺風(fēng)條件)

表10 一根纜破損工況校核結(jié)果(百年一遇臺風(fēng)條件)

由計(jì)算結(jié)果可見，在作業(yè)條件下最大水平運(yùn)動(dòng)不超過水深的5%，最大系泊張力為7 790 kN，出現(xiàn)于環(huán)境載荷沿225°方向入射時(shí)，臥底長度與張力安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。在生存條件下，系泊完整狀態(tài)，最大水平運(yùn)動(dòng)不超過水深的10%，最大系泊張力為10 440 kN，出現(xiàn)于環(huán)境載荷沿270°方向入射時(shí)，臥底長度與張力安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。在生存條件下，系泊破損狀態(tài)，最大系泊張力為12 990 kN，張力安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。因此該系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的。

4 穩(wěn)性分析

八角形FDPSO的穩(wěn)性在概念上與船舶的穩(wěn)性類似，但由于八角形浮體裝載狀態(tài)不同，使用工況復(fù)雜，長期錨泊在海上受到各種方向風(fēng)浪的影響，八角形浮體的穩(wěn)性同常規(guī)船舶相比又有其特殊性。根據(jù)實(shí)際操作的需要，八角形FDPSO穩(wěn)性分析主要考慮兩種裝載狀態(tài)：濕拖和作業(yè)狀態(tài)，穩(wěn)性分析考慮完成穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性兩種情況，分析采用NAPA軟件。分析參考CCS MODU規(guī)范的相關(guān)要求，穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表11給出的計(jì)算結(jié)果，八角形FDPSO在兩種工況下的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性都能滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1)八角形FDPSO總體設(shè)計(jì)方案的主尺度和技術(shù)參數(shù)滿足功能需要。

2)設(shè)置垂蕩板對改善垂蕩、縱/橫搖周期有明顯效果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一般選取垂蕩板與浮體直徑比值為1.25左右。

3)改進(jìn)垂蕩板設(shè)計(jì)后，八角形FDPSO的垂蕩、縱橫搖運(yùn)動(dòng)較小，能滿足鉆井和生產(chǎn)的要求。

4)在作業(yè)條件下最大水平運(yùn)動(dòng)不超過水深的5%。在生存條件下，系泊完整狀態(tài)，最大水平運(yùn)動(dòng)不超過水深的10%。在生存條件下，系泊破損狀態(tài)，最大系泊張力為12 990 kN，張力安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

5)八角形FDPSO在兩種工況下的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性都能滿足規(guī)范要求。

FDPSO研發(fā)的關(guān)鍵是保證該裝置具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，F(xiàn)DPSO總體性能改善要綜合考慮，在穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)性能之間要取得平衡，另外垂蕩板的設(shè)置要考慮建造、安裝的可行性。本文采用數(shù)值分析方法研究了影響其運(yùn)動(dòng)性能的各種因素，下一步應(yīng)通過模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，提出改進(jìn)措施。

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