于晨芳， 胡志強(qiáng)， 王 晉

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

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深水八角形FDPSO垂蕩性能數(shù)值分析

于晨芳， 胡志強(qiáng)， 王 晉

(上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

FDPSO是深水油氣生產(chǎn)的重要裝備之一，合理設(shè)置其垂蕩板參數(shù)可較好地提高FDPSO垂蕩運(yùn)動(dòng)性能。該文利用數(shù)值分析技術(shù)，以深水八角形FDPSO為研究對(duì)象，研究環(huán)繞型垂蕩板主要參數(shù)對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的影響。研究中利用SESAM軟件計(jì)算得到不同垂蕩板參數(shù)下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線，進(jìn)而得出不同垂蕩板參數(shù)對(duì)垂蕩性能的影響規(guī)律，確定最佳垂蕩板參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，合理設(shè)置垂蕩板設(shè)計(jì)參數(shù)可明顯改善垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)性能。

深水八角形FDPSO；水動(dòng)力性能；垂蕩板；數(shù)值分析；幅值響應(yīng)算子

0 引言

海底蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和國(guó)際能源機(jī)構(gòu)估計(jì)，全球深海區(qū)最終潛在石油儲(chǔ)量有可能超過(guò)1 000 億桶[1]。豐富的深水油氣資源掀起了深水石油勘探的熱潮，迫使油氣開(kāi)采模式由淺水向深水、超深水轉(zhuǎn)變。各種形式的深水海洋平臺(tái)涌現(xiàn)，形成了以張力腿式平臺(tái)(TLP)、深吃水立柱式平臺(tái)(SPAR)、半潛式平臺(tái)(SEMI)、順應(yīng)塔式平臺(tái)(CTP)以及浮式生產(chǎn)鉆井儲(chǔ)油系統(tǒng)(FDPSO)等多種多樣的深水平臺(tái)系列[2]。 FDPSO是集海上鉆井、原油處理、儲(chǔ)油和卸油為一體的浮式鉆井生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，就以其多功能的特點(diǎn)受到海洋工程界的廣泛關(guān)注[3]。采用FDPSO作為生產(chǎn)裝置將其應(yīng)用于我國(guó)南海可以大幅降低油田初期開(kāi)發(fā)費(fèi)用，及早投產(chǎn)，及早收回投資[4]。但到目前為止，已投產(chǎn)的FDPSO數(shù)量不多，且應(yīng)用海域的海洋環(huán)境均比較溫和，因此如何改善FDPSO在較惡劣海況下浮體的運(yùn)動(dòng)性能，使其能夠應(yīng)用于南海海域成為迫切需要解決的問(wèn)題。

該文研究的深水八角形FDPSO是一種即將應(yīng)用于我國(guó)南海的超深水平臺(tái)，除了滿足基本的功能要求、有較高的儲(chǔ)油效率外，還具有建造容易、成本低、有良好的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。八角形浮體和圓筒形浮體的水動(dòng)力特性類似，有較好的穩(wěn)定性，但是由于水線面積大，垂蕩運(yùn)動(dòng)幅度大，嚴(yán)重時(shí)易導(dǎo)致鉆桿、立管及系泊纜疲勞破壞，不利于滿足鉆井、生產(chǎn)的要求[5]。研究發(fā)現(xiàn)，浮體外形和主尺度是影響浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的決定性因素，而壓載量及其分布、儲(chǔ)油量、甲板載荷等對(duì)浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的影響是次要的[6]，且改變浮體直徑對(duì)于改善浮體的垂蕩運(yùn)動(dòng)性能沒(méi)有太大影響，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(duì)上部結(jié)構(gòu)不利[7]，所以比較可行的方法是通過(guò)改變浮體外形來(lái)改變浮體運(yùn)動(dòng)的固有周期，并增大阻尼。研究表明，通過(guò)對(duì)浮體設(shè)置垂蕩板，可增加平臺(tái)的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，延長(zhǎng)垂蕩固有周期，避開(kāi)波浪能量主頻率，從而有效抑制浮體的垂蕩運(yùn)動(dòng)[8]。目前，對(duì)于垂蕩板的研究主要是針對(duì)Spar平臺(tái)，也有少部分是針對(duì)半潛式平臺(tái)。它們共同的特點(diǎn)是垂蕩板均設(shè)置在浮體的正下方，板與板之間或板與浮體之間采用桁架結(jié)構(gòu)連接固定。與之不同的是，該文所研究的深水八角形FDPSO的垂蕩板是環(huán)浮體一周設(shè)置，也可稱之為垂蕩裙板，除了增大浮體附加質(zhì)量以及阻尼系數(shù)外，還可以大幅度減小平臺(tái)的縱搖和橫搖。

不同垂蕩板參數(shù)直接影響垂蕩板抑制垂蕩運(yùn)動(dòng)的效果。該文利用數(shù)值計(jì)算軟件，從垂蕩板吃水深度、板數(shù)量、板寬度及板間距等方面展開(kāi)計(jì)算，通過(guò)比較分析獲得不同垂蕩板參數(shù)對(duì)垂蕩性能的影響規(guī)律，最終確定最佳垂蕩板參數(shù)。

1 理論基礎(chǔ)

應(yīng)用勢(shì)流理論來(lái)描述大尺度浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)流體無(wú)黏、無(wú)旋、不可壓縮，流場(chǎng)中的速度勢(shì)Φ滿足拉普拉斯方程及邊界條件，且因Φ=ΦI+ΦD+ΦR(ΦI為入射勢(shì)、ΦD為繞射勢(shì)、ΦR為繞射勢(shì)),通過(guò)源匯法可以求得輻射速度勢(shì)，進(jìn)而求得浮體的附加質(zhì)量及輻射阻尼系數(shù)。在求解繞射勢(shì)之后，又因入射勢(shì)已知，通過(guò)伯努利方程可以求得作用在結(jié)構(gòu)物表面的水壓力。

浮體在波浪中六自由度運(yùn)動(dòng)方程為[9]：

(1)

式中：αij(ω)為附加質(zhì)量矩陣；cij(ω)為阻尼系數(shù)矩陣；Kij為靜水回復(fù)力剛度矩陣；Fi(ω)為浮體六自由度運(yùn)動(dòng)受到的水壓力。

將浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)的整個(gè)系統(tǒng)認(rèn)為是一個(gè)線性系統(tǒng)，輸入ξ(jω)，浮體作為能量轉(zhuǎn)換器，將能量傳遞至作為輸出的六自由度運(yùn)動(dòng)X(jω)，即有X(jω)=RAO(ω)ξ(jω)。

應(yīng)用SESAM軟件的HydroD模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子RAO計(jì)算。由于HydroD計(jì)算過(guò)程中假定流體是無(wú)粘的，所以MCK方程中的阻尼系數(shù)僅為勢(shì)流阻尼，但是實(shí)際流體是有粘性的，且由于垂蕩側(cè)板的外沿單薄，在運(yùn)動(dòng)中會(huì)在板外側(cè)形成渦，所以粘性阻尼的作用不可忽略。鑒于以上考慮，在計(jì)算中取縱搖臨界阻尼的3%來(lái)對(duì)計(jì)算結(jié)果加以修正[10-12]。

2 深水八角形FDPSO主要參數(shù)

深水八角形FDPSO是中海油研究總院研發(fā)、預(yù)計(jì)應(yīng)用于我國(guó)南海的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)，原油儲(chǔ)存能力為50 000 t，原油處理能力為3 000 m3/d~3 500 m3/d，年處理量為106m3。采用4×4散布式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 深水八角形FDPSO平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)

浮體底部設(shè)置垂蕩板，環(huán)浮體一周，考慮到FDPSO浮體吃水較淺，在惡劣海況下極易出水的問(wèn)題，對(duì)垂蕩板吃水深度、數(shù)量、板間距的設(shè)置均有限制，且垂蕩板寬度過(guò)大會(huì)增加板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的復(fù)雜性，所以此次計(jì)算中最小吃水深度為4.9 m、最大板數(shù)量為3層、最大板間距為10 m、最大板寬度為20 m。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

圖1 深水八角形浮體濕表面模型

在設(shè)置垂蕩板參數(shù)時(shí)主要考慮三方面內(nèi)容：一是垂蕩板不能離水面太近，否則會(huì)出現(xiàn)垂蕩板出水的問(wèn)題；二是垂蕩板間距不能過(guò)小，否則板與板之間的遮蔽作用大，繞流效果不明顯，作用效果趨于單層垂蕩板；三是垂蕩板寬度不能過(guò)大，否則需要更多的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)保證垂蕩板的強(qiáng)度及剛度，增加了建造成本且減小了有效載重量，不利于經(jīng)濟(jì)性。鑒于以上三方面的考慮，在垂蕩板參數(shù)設(shè)置時(shí)，垂蕩板吃水深度變化范圍為4.9 m~12.9 m，板數(shù)量變化范圍為1層~3層，板寬度變化范圍為5 m ~20 m，板間距變化范圍為4 m ~10 m。

隨著社會(huì)的發(fā)展，老齡化問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，離退休黨員不斷增加，作為廣大黨員隊(duì)伍中的特殊群體，他們有著與眾不同的心理特點(diǎn)、基本需求和現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。習(xí)總書記說(shuō)過(guò)：“老同志作為干部雖然離退休了，但作為黨員永不退休，還應(yīng)從政治上關(guān)心老同志”。黨的基層組織應(yīng)在習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想的指引下，擔(dān)負(fù)起妥善安置以及有效管理廣大離退休黨員的職責(zé)。

通過(guò)改變板數(shù)量、板寬及板間距等參數(shù)，建立不同垂蕩板參數(shù)下浮體濕表面模型，圖1顯示的是其中雙層垂蕩板，板寬10 m，板間距4 m時(shí)的濕表面模型。其中月池位于浮體中部，且在二分之一型深處，月池截面沿其中一個(gè)方向擴(kuò)張，為縱向不對(duì)稱布置。不同垂蕩板參數(shù)排列組合情況及對(duì)應(yīng)的計(jì)算周期見(jiàn)表2。

表2 不同垂蕩板參數(shù)下浮體固有周期計(jì)算值

3.1 單層垂蕩板不同吃水深度對(duì)于垂蕩性能的影響

圖2與圖3顯示的是單層垂蕩板不同吃水深度下垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子曲線，對(duì)應(yīng)表3中0~5號(hào)模型?？梢钥闯觯瑹o(wú)垂蕩板時(shí)浮體垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期為11.74 s，剛好落在波浪主能量周期范圍內(nèi)，極易引起共振現(xiàn)象，從而大幅增加垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值，這種情況是非常不利的。

通過(guò)與無(wú)垂蕩板時(shí)浮體的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)曲線對(duì)比可以看出，垂蕩板的設(shè)置可以大幅改變垂蕩及縱搖的固有周期及幅值響應(yīng)算子的峰值。對(duì)浮體設(shè)置垂蕩板可使垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期增大，遠(yuǎn)離波浪主能量周期范圍。雖然垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子的峰值有所增大，但是在波浪主能量周期范圍內(nèi)，有垂蕩板的浮體的幅值響應(yīng)算子明顯小于無(wú)垂蕩板時(shí)浮體的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子。對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)而言，垂蕩板的設(shè)置同時(shí)增大了縱搖附加質(zhì)量與阻尼系數(shù)，所以縱搖運(yùn)動(dòng)的固有周期增大，同時(shí)縱搖運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子的峰值也大幅減小。

對(duì)比1~5號(hào)模型的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子曲線可以看出，單層垂蕩板吃水較深時(shí)，即距底部小于9 m，不同的吃水深度對(duì)于垂蕩及縱搖固有周期的影響程度很小，固有周期及響應(yīng)算子的峰值基本不隨板吃水深度發(fā)生變化。在單層垂蕩板吃水較淺時(shí)，即距底部為9 m，垂蕩固有周期突然增大，且幅值也急劇增大。對(duì)于縱搖而言，固有周期變化不大，幅值大幅度減小，但在波浪主能量周期范圍內(nèi)，縱搖運(yùn)動(dòng)幅值明顯增大。所以垂蕩板在距水面較近時(shí)，浮體整體運(yùn)動(dòng)性能并不理想。

圖2 單層垂蕩板不同吃水深度對(duì)垂蕩性能的影響 圖3 單層垂蕩板不同吃水深度對(duì)縱搖性能的影響

3.2 垂蕩板數(shù)量對(duì)于垂蕩性能的影響

圖4與圖5顯示的是不同垂蕩板數(shù)量下垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子曲線，對(duì)應(yīng)表3中0,1,9,13號(hào)模型。

圖4 板數(shù)目變化對(duì)垂蕩性能的影響 圖5 板數(shù)目變化對(duì)縱搖性能的影響

3.3 垂蕩板板寬對(duì)于垂蕩性能的影響

圖6與圖7顯示的是不同垂蕩板寬度下垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子曲線，對(duì)應(yīng)表3中0,6,9,11,12號(hào)模型。

圖6 不同板寬對(duì)垂蕩性能的影響 圖7 不同板寬對(duì)縱搖性能的影響

從圖6中可以看出，垂蕩板寬度的變化對(duì)于垂蕩及縱搖的影響最大。隨著垂蕩板寬度的增加，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期逐漸增大，垂蕩運(yùn)動(dòng)峰值先增大后減小?？紤]到工程造價(jià)及實(shí)際建造時(shí)的困難，垂蕩板寬度為10 m時(shí)的垂蕩固有周期已經(jīng)遠(yuǎn)離了波浪主能量周期范圍，且垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值也在可以接受的范圍內(nèi)。所以垂蕩板寬度為10 m時(shí)，已經(jīng)能很好的發(fā)揮垂蕩板抑制垂蕩響應(yīng)的作用。

從圖7中可以看出，垂蕩板的寬度變化對(duì)于縱搖周期有非常大的影響，隨著垂蕩板寬度的增加，縱搖固有周期逐漸增大，縱搖響應(yīng)峰值逐漸減小，當(dāng)垂蕩板增加到一定寬度后，縱搖周期急劇減小至波浪主能量周期范圍內(nèi)，之后，垂蕩板寬度繼續(xù)增加，縱搖固有周期及響應(yīng)峰值繼續(xù)增大，但整體變化幅度很小。 考慮到板寬度增大到15 m之后，縱搖固有周期降至波浪主能量周期范圍內(nèi)，會(huì)引起共振響應(yīng)，大幅增大縱搖運(yùn)動(dòng)幅值，所以板寬度有效值應(yīng)在10 m以內(nèi)。

3.4 垂蕩板間距對(duì)于垂蕩性能的影響

圖8與圖9顯示的是不同垂蕩板間距下垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)算子曲線，對(duì)應(yīng)表3中0,7,8,9,10號(hào)模型。

圖8 不同板間距對(duì)垂蕩性能的影響 圖9 不同板間距對(duì)縱搖性能的影響

從圖8、圖9中可以看出，隨著垂蕩板間距的增大，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期及垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值均增大，垂蕩板間距越大，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期越遠(yuǎn)離波浪主能量周期范圍。但變化程度明顯小于改變板寬度對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能的影響。對(duì)于縱搖而言，隨著間距的增大，縱搖運(yùn)動(dòng)固有周期先增大后減小，間距為6 m時(shí)達(dá)到最大；縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值先減小后增大，但是變化幅度均不大?？紤]到垂蕩板間距10 m時(shí)，在波浪主能量周期范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)幅值明顯大于其他間距下運(yùn)動(dòng)幅值，此間距下浮體縱搖性能不理想，所以最佳間距值定為8 m。

4 結(jié)論

該文對(duì)深水八角形FDPSO鉆井儲(chǔ)油平臺(tái)在不同垂蕩板參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)開(kāi)展研究，得到以下結(jié)論：

(1) 垂蕩板的設(shè)置可大幅改變垂蕩及縱搖運(yùn)動(dòng)的固有周期。

(2) 對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng)而言，在一定范圍內(nèi)，垂蕩運(yùn)動(dòng)固有周期隨垂蕩板數(shù)量、板寬度及板間距的增大而增大。板寬度對(duì)于固有周期的影響最大，其次為板數(shù)量及板間距；改變單層垂蕩板的吃水深度對(duì)垂蕩性能的影響很小。

(3) 對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)而言，垂蕩板的設(shè)置可以大幅減小縱搖響應(yīng)峰值，起到類似于舭龍骨的作用，但對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)固有周期，改變板數(shù)量、板寬度及板間距會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

(4) 通過(guò)對(duì)垂蕩及縱搖幅值響應(yīng)算子的分析比較，可初步確定本浮體的最佳垂蕩板設(shè)置為雙層垂蕩板，板寬10 m，板間距8 m。

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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

國(guó)家十二五重大專項(xiàng)課題(2011ZX05026-006-05)。

于晨芳(1990-)，女，碩士研究生。

1001-4500(2016)01-0023-06

P75

A