張會良

(1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200032; 2. 南通中遠船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

圓筒型浮式生產(chǎn)儲油平臺穩(wěn)性研究分析

張會良1, 2

(1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200032; 2. 南通中遠船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

針對圓筒型浮式生產(chǎn)儲油平臺，對其靜穩(wěn)性曲線做了分析研究，得到了圓筒型FPSO的穩(wěn)性特點。根據(jù)平臺實際作業(yè)情況，建立了一系列的典型裝載工況，分別按照DNV和MARPOL公約穩(wěn)性衡準的要求，對這些典型工況進行校核，同時得到滿足穩(wěn)性要求的許用重心高度曲線，給平臺操作者提供了參考。經(jīng)過計算，驗證了圓筒型FPSO能同時滿足DNV和MARPOL公約的穩(wěn)性要求。最后對影響圓筒型FPSO穩(wěn)性的主要因素做了分析研究，得到主要影響因素有主船體外形尺寸、裝載工況、進水點位置、艙室劃分與布置以及風(fēng)傾力矩等。

圓筒型FPSO；靜穩(wěn)性曲線；裝載工況；許用重心高度

Abstract: As the cylindrical FPSO being constructed by COSCO shipyard, righting lever curve of the unit is studied and stability character of such cylindrical FPSO is obtained. On the basis of FPSO actual operational conditions, a series of typical loading conditions are set up. Then according to the stability requirements of DNV and MARPOL regulations, stability check of such typical loading conditions is carried out. And the curve of allowable VCG height is calculated to provide reference for FPSO operators. It is concluded that cylindrical FPSO can meet the stability requirements of both DNV and MARPOL regulations after calculation. Main influencing factors on stability of cylindrical FPSO are also researched, and the influencing factors are the main hull dimensions, loading conditions, flooding point positions, tank division and arrangement and wind heeling lever, etc.

Keywords: cylindrical FPSO; righting lever curve; loading condition; allowable VCG height

海上浮式生產(chǎn)儲油平臺(Floating Production Storage and Offloading，簡稱FPSO)被稱為“海上油氣加工廠”。它是兼油氣生產(chǎn)處理、原油儲存外輸、生活及動力供應(yīng)于一體的大型海上石油生產(chǎn)基地。為了保證FPSO在海上安全、穩(wěn)定地作業(yè)，防止海損事故發(fā)生后對周圍海洋環(huán)境造成污染，F(xiàn)PSO在設(shè)計時必須滿足有關(guān)規(guī)范的穩(wěn)性要求[1]。針對一艘圓筒型FPSO，對其各種工況的完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性進行了分析研究，得到此類特殊形狀FPSO的穩(wěn)性特點。

1 圓筒型FPSO簡介

該圓筒型FPSO采用了挪威Sevan Marine公司的基本設(shè)計，服役于英國北海區(qū)域，由中遠船務(wù)(啟東)海洋工程有限公司承擔詳細設(shè)計和生產(chǎn)承建，并且負責(zé)設(shè)備采購、模塊建造及安裝、總裝搭載、調(diào)試試驗以及海上運輸?shù)?。FPSO主船體直徑為70 m，型深32 m，生產(chǎn)甲板高38 m，設(shè)計吃水22 m，儲油能力40萬桶，采用12點分布式系泊系統(tǒng)。生產(chǎn)甲板上主要布置有清管模塊、分離模塊、壓縮模塊、注水模塊、動力模塊、生活區(qū)模塊、辦公區(qū)模塊及功能單元模塊等。圖1為該圓筒型FPSO三維模型的側(cè)視效果。

圖1 圓筒型FPSO效果圖Fig. 1 3D model of cylindrical FPSO

圖2 靜穩(wěn)性曲線Fig. 2 Righting lever curve

2 圓筒型FPSO的穩(wěn)性特點

常規(guī)FPSO的外形類似于油船，或者直接由大型油輪改造而成。而圓筒型FPSO最大的特點是其主船體是圓筒形狀的，這種特殊的外形直接決定了該FPSO作業(yè)時的穩(wěn)性特點。評價平臺穩(wěn)性的好壞可以通過靜穩(wěn)性曲線來判斷。圖2為海洋平臺的靜穩(wěn)性曲線圖。其中典型的特征值包含：在原點處的斜率即GM值、最大復(fù)原力臂及其對應(yīng)的橫傾角，穩(wěn)性消失角和靜穩(wěn)性曲線下的面積等。下面分別對初穩(wěn)性高GM以及靜穩(wěn)性曲線GZ進行分析研究。

2.1初穩(wěn)性高GM的特點

初穩(wěn)性高GM=KB+BM-KG，其中KB為浮心高度，BM為初穩(wěn)心半徑，KG為重心高度[2]。首先通過比較標準圓筒和標準長方體的初穩(wěn)心半徑BM的大小，來說明圓筒形狀的特點。假設(shè)標準圓筒浮體直徑為D，長方體浮體長度為L，寬度為B。令兩浮體水線面面積相等，即(πD2)/4=L×B，因此同樣吃水下兩浮體排水體積也相同。初穩(wěn)心半徑BM=IT/，其中IT為水線面對中心軸的橫向慣性矩，為水線以下的排水體積。圓形和長方形水線面的橫向慣性矩分別為(πD4)/64和(LB3)/12，將(πD2)/4=L×B代入(πD4)/64，得圓形水線面橫向慣性矩為(L2B2)/(4π)。若令長方體初穩(wěn)心半徑BM=1(無量綱)，則對于不同的L/B，兩種形狀的BM對比如表1所示。從表中可以看出，對于具有相同水線面面積的圓筒和長方體浮體，當L/B>1.05時，圓筒型BM值就會大于長方體，且隨著L/B值的增大，BM的比值也越來越大。船型FPSO的L/B一般在5～6之間，這說明圓筒型FPSO能夠更充分地利用其水線面面積來提高穩(wěn)性性能。

表1 圓筒型和長方體初穩(wěn)性半徑BM對比Tab. 1 BM comparison between cylindrical and cuboid body

以上只是通過比較標準圓筒和長方體的BM值來說明圓筒型浮體的優(yōu)勢，但船型FPSO不是標準的長方體，水線面面積從底部向上越來越大。因此，同樣規(guī)格的船型FPSO在最大吃水處的水線面面積要比標準圓筒大。而且初穩(wěn)性高GM還與浮心高度KB、裝載工況重心高度KG相關(guān)，所以仍需要與同規(guī)格的船型FPSO進行進一步的對比研究。參考在役FPSO的主尺度，構(gòu)造出與此圓筒型FPSO相近排水量和載重量的船型FPSO，滿載吃水下的對比結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，近似規(guī)格的圓筒型FPSO有著更大的初穩(wěn)性高GM。

表2 近似規(guī)格的圓筒型和常規(guī)船型FPSO對比Tab. 2 Comparison between cylindrical and ship-type FPSO of similar sizes

2.2靜穩(wěn)性GZ曲線特點

如圖3所示，復(fù)原力臂GZ=BR-BE=BR-BG×sinφ，其中BG為平臺正浮時浮心和重心的高度差，對于特定的裝載工況，BG已基本確定；BR為橫傾到一定角度時浮心沿水平橫向移動的距離，其數(shù)值完全由排水體積的形狀所決定。從圖3所示的圓筒型平臺主船體的橫剖面可以看到，主船體外板上部有著較大的外飄。當水線位于此外飄區(qū)域時，額外增加的排水體積使得浮心位置沿水平橫向移動的距離更大，從而獲得更大的復(fù)原力臂。并且該FPSO型深達到32 m，設(shè)計干舷10 m，較大的干舷使得甲板進水角相應(yīng)變大。因此，由于主船體上部的外飄結(jié)構(gòu)以及較大的型深，圓筒型FPSO的最大復(fù)原力臂也相應(yīng)較大，使得該平臺能獲得更好的穩(wěn)性。

仍與上節(jié)構(gòu)造的船型FPSO進行對比，兩種類型的GZ曲線如圖4和表3所示。從對比中可以看出圓筒型FPSO最大復(fù)原力臂更大，靜穩(wěn)性曲線下的面積也更大。雖然船型FPSO穩(wěn)性消失角略大，但是穩(wěn)性校核時通常只考慮到進水角位置，在這之后的復(fù)原力臂對穩(wěn)性沒有幫助。因此可以判斷，圓筒型FPSO比同規(guī)格的船型FPSO有著更好的穩(wěn)性性能。

圖3 復(fù)原力臂GZ示意Fig. 3 Description of righting arm GZ

圖4 圓筒型和船型FPSO靜穩(wěn)性GZ曲線對比Fig. 4 GZ curve comparison between cylindrical and ship-type FPSO

橫傾角/(°)0510152025303540455055606570圓筒型/m00．410．911．572．162．472．772．882．792．512．081．540．920．05-船型/m00．260．530．821．161．541．801．941．981．891．701．431．090．720．32

注：為了單純表示不同浮體形狀的GZ對比，兩曲線均未考慮自由液面影響。

3 典型裝載工況

為了校核圓筒型FPSO在實際操作時的穩(wěn)性狀況，首先需要根據(jù)作業(yè)情況，建立一系列典型的裝載工況。這些工況需考慮以下幾個方面：1)原油密度：根據(jù)作業(yè)油田數(shù)據(jù)和技術(shù)規(guī)格要求，密度取為0.85 t/m3。2)空船重量和重心：經(jīng)各專業(yè)計算和匯總，空船重量取28 000 t，重心高度取28.7m。3)裝載率：分別考慮裝載原油100%、50%、10%以及空艙的情況。對于每一種原油裝載，燃油、淡水、食物等消耗品也需要分別考慮100%和10%的裝載情況。4)其它載荷：裝載工況需考慮一定的甲板載荷，包含堆放區(qū)、儲藏室、化學(xué)品等，也需要考慮立管和錨泊系統(tǒng)的拉力以及惡劣天氣下覆蓋在外板和上部模塊的冰雪載荷等。

在綜合考慮上述因素下，共建立了8種典型裝載工況。表4列出了這些工況的基本信息。表中GM為經(jīng)過自由液面修正后的初穩(wěn)性高，KG為裝載工況的重心高度，KGL為經(jīng)過自由液面修正后的重心高度。

表4 典型裝載工況基本信息Tab. 4 Information of typical loading conditions

滿載工況L2為最危險工況，將該工況與船型FPSO進行對比，如表5所示。從對比中看出，圓筒型工況的吃水干舷比d/F更大，這是由于其水線面面積比船型要小，需要更大的吃水以達到排水量的要求。因此，圓筒型FPSO需要有更大的型深，以提高干舷儲備。

表5 圓筒型和船型FPSO滿載工況對比Tab. 5 Full load conditions comparison between cylindrical and ship-type FPSO

4 穩(wěn)性校核

4.1關(guān)于穩(wěn)性衡準的選取

選取穩(wěn)性校核衡準是進行分析計算的第一步，也是非常重要的一步。之前IMO公約以及各大船級社法規(guī)均沒有專門針對圓筒型FPSO的穩(wěn)性校核要求。10年前，第一艘圓筒型鉆井平臺開始設(shè)計建造，入級挪威船級社。設(shè)計公司和船級社關(guān)于圓筒型平臺的穩(wěn)性衡準展開了深入的討論和研究。由于當時圓筒型平臺被定義為半潛式海洋平臺，所以挪威船級社選取了IMO MODU Code對柱穩(wěn)式平臺的穩(wěn)性要求作為校核標準。但由于圓筒型平臺與柱穩(wěn)式平臺有著明顯的不同，對該衡準的選取一直存在著爭議。經(jīng)過進一步的研究調(diào)查，挪威船級社于2014年發(fā)布的關(guān)于海洋平臺穩(wěn)性要求的標準DNV-OS-C301，明確把圓筒型平臺寫入了規(guī)范。該規(guī)范認為圓筒型平臺是柱穩(wěn)式平臺和水面式平臺的結(jié)合體，校核標準傾向于柱穩(wěn)式的衡準，而破損范圍的界定則按照水面式和自升式平臺的假定。本FPSO入挪威船級社，因此按照該標準進行計算。

FPSO也需要滿足MARPOL規(guī)范的要求。對于MARPOL破損范圍的假定也同樣存在著爭議。傳統(tǒng)的做法是把圓筒的直徑作為船長和船寬進行計算的依據(jù)，而有觀點認為這種破損假定偏小，應(yīng)按照相同載重量船型FPSO的船長、船寬作為依據(jù)，但類似規(guī)格船型FPSO的主尺度可以有不同的組合，特別是船長是否超過225 m對破損假定有重要影響，因此這種觀點仍缺乏具體實施辦法。本文仍采用傳統(tǒng)方法對MARPOL進行穩(wěn)性校核。

4.2DNV穩(wěn)性衡準校核

4.2.1 計算方法

根據(jù)DNV的穩(wěn)性衡準，計算出恰能滿足穩(wěn)性要求的許用重心高度曲線，然后把典型裝載工況的實際重心與許用值進行比較，如果實際重心較低，則證明此工況滿足穩(wěn)性要求，否則便是穩(wěn)性不足，平臺安全作業(yè)得不到保證。由于計算許用重心高度時，假定所有艙室均為空艙，因此實際工況與許用值進行比較時，還須考慮液艙自由液面對重心高度的影響。圓筒型FPSO需要校核沿各方向傾斜時的穩(wěn)性狀況，以找出最危險的傾斜方向。此FPSO外圍為16個均布的壓載艙，因此選取計算步長為11.25°，以便可以與每個壓載艙所跨角度切合。

4.2.2 穩(wěn)性衡準

1)完整穩(wěn)性。此FPSO需滿足表6所示的完整穩(wěn)性衡準要求。

表6 DNV完整穩(wěn)性衡準要求[3]Tab. 6 Intact stability criteria of DNV Standard [3]

2)破艙穩(wěn)性。需要滿足的破艙穩(wěn)性要求如表7所示，其中假定的破損范圍為在相鄰的水密艙壁間，水平透入為1.5 m，垂向高度自底部向上無限制，間距在3 m以內(nèi)的一個或一個以上的艙壁需要考慮破損問題[4]。

表7 DNV破艙穩(wěn)性衡準要求[3]Tab. 7 Damage stability criteria of DNV Standard[3]

4.2.3 校核結(jié)果

綜合完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性的計算結(jié)果，得到了滿足DNV衡準的許用重心高度曲線，與典型裝載工況進行比較，如圖5所示。所有典型工況重心高度均低于許用值，證明這些工況均滿足衡準要求。

圖5 典型裝載工況的校核結(jié)果Fig. 5 Stability check results of typical loading conditions

4.3MARPOL公約穩(wěn)性衡準校核

4.3.1 完整穩(wěn)性

1)計算工況

根據(jù)MARPOL附則1第27條以及統(tǒng)一解釋52.2，需要對所有可能的貨油和壓載水裝載組合進行校核。這些完整工況建立時需考慮：1) 需按實際裝載情況計及所有液艙的自由液面影響；2) 計算范圍從輕載吃水到結(jié)構(gòu)吃水；3) 消耗品需要分別考慮97%、50%和10%的情況；4) 貨油和壓載水的裝載包含從最多的壓載水和最少的貨油組合到最少的壓載水和最多的貨油組合；5) 貨油密度需要考慮從最小到最大的可能值；6) 從1%到99%的裝載組合，需至少計算20個工況。

2)穩(wěn)性衡準

此FPSO需要滿足以下完整穩(wěn)性衡準[5]：

a)經(jīng)過自由液面修正以后的初穩(wěn)性高GM不小于0.15 m；

b)從0°到30°的復(fù)原力臂曲線下的面積不小于0.055 m·rad；從0°到40°或進水角(取小者)的復(fù)原力臂曲線下的面積不小于0.090 m·rad；從30°到40°或進水角(取小者)的復(fù)原力臂曲線下的面積不小于0.030 m·rad；

c)在30°到進水角之間，至少在某個傾角下的復(fù)原力臂不小于0.2 m；

d)最大復(fù)原力臂所在的橫傾角應(yīng)大于25°。

3)校核結(jié)果

經(jīng)計算，所有完整工況均滿足MARPOL穩(wěn)性要求。其中最危險的工況是貨油密度為最小值0.82 t/m3、裝載97%消耗品、1%壓載水和最多原油時的工況，最危險的傾斜方向是123.75°。

4.3.2 破艙穩(wěn)性

1)穩(wěn)性衡準

此FPSO需要滿足以下破艙穩(wěn)性衡準[5]：

a)破損后的最終平衡水線應(yīng)位于所有可能發(fā)生累進進水的開口之下；

b)不對稱浸水所產(chǎn)生的橫傾角不超過25°，如甲板邊緣無浸沒，這一角度最大可增至30°；

c)復(fù)原力臂曲線在平衡點以外的范圍至少為20°，相應(yīng)的最大剩余復(fù)原力臂，在20°范圍內(nèi)至少為0.1 m，且在此范圍內(nèi)曲線下的面積不少于0.017 5 m·rad。在此范圍內(nèi)無保護的開口不應(yīng)被浸水，除非該開口所在的處所是假定浸水的。

2)假定破損范圍

公約規(guī)定的破損范圍與船長和船寬有關(guān)，對于此FPSO，船長和船寬均定義為圓筒直徑，并且FPSO的縱向由圓筒的周向代替，橫向由圓筒的徑向代替。在此基礎(chǔ)上，得到圓筒型FPSO的破損范圍：周向破損長度5.66 m，徑向破損深度為11.5 m，垂向破損自底部向上無限制，

3)校核結(jié)果

經(jīng)過計算，所有的典型裝載工況在假定的破損發(fā)生后，均能滿足MARPOL穩(wěn)性要求。其中最為苛刻的是第一條衡準，即對于所有風(fēng)雨密開口和非保護性開口的進水角要求。

5 圓筒型FPSO穩(wěn)性影響因素分析

通過上述的研究和計算，可以得到影響圓筒型FPSO穩(wěn)性的主要因素：

1)主船體外形尺寸

主船體上部的外飄角度越大，最大復(fù)原力臂和對應(yīng)的橫傾角也越大，穩(wěn)性也越好，同時也能獲得更大的甲板面積。但外飄角度增大的同時，外板所承受的波浪抨擊力也變大，對結(jié)構(gòu)強度不利，一般來說，外飄角度最大不宜超過30°。

圓筒直徑增大對提高初穩(wěn)性高GM的作用非常明顯，同時也增大了液艙儲存能力和甲板布置面積，但船體鋼料重量和造價也隨之提高。在做前期設(shè)計時，首先根據(jù)艙容和布置最低要求初步確定圓筒直徑，再以此為基礎(chǔ)校核穩(wěn)性，并根據(jù)結(jié)果做適當調(diào)整。

增加型深會增加干舷，也會有效提高復(fù)原力臂曲線。但型深增加會使整個上部模塊的重心提高，對裝載工況不利，因此在確定型深時，需綜合權(quán)衡其對復(fù)原力臂曲線和空船重心的影響。

2)裝載工況

平臺作業(yè)時需要合理的裝載以降低重心高度，比如適當使用壓載水、盡量將上部模塊的甲板載荷布置在較低位置等；自由液面對穩(wěn)性影響也很大，裝載時要避免較大自由液面的產(chǎn)生，比如壓載艙在使用時需盡量超過雙層底高度；另外，由于貨油艙的重心相對較低，當原油密度增大時，會降低整船的重心高度。因此，適當降低原油進艙時的溫度，會使原油密度增加，進而提高穩(wěn)性。

3)進水點位置

大多數(shù)穩(wěn)性衡準都與進水角有關(guān)系，因此增大進水角也是提高穩(wěn)性的有效途徑之一。對于此FPSO，進水點主要是周邊壓載艙的透氣管。因此可以通過增大透氣管高度和盡量把透氣管布置在靠近中心位置的方法來提高穩(wěn)性。

4)艙室劃分與布置

在計算破艙穩(wěn)性時，破損艙室的大小、位置對結(jié)果影響很大。因此在假定的破損范圍內(nèi)，要合理的布置和劃分艙室，避免破損艙室艙容過大、形心太靠外側(cè)，特別是對于MARPOL規(guī)范，假定的破損橫向深度很大，水密艙壁的布置就需要避免過多的艙室同時破損，假定破損的艙室在初始工況下可以適當裝載液體，這樣艙室破損后，艙室內(nèi)、外液面齊平時即達到平衡位置，減小了破損以后的橫傾角度；外圍的L形壓載艙也可以考慮在底部進行分隔，既減小了破艙艙容又降低了自由液面的影響。

5)風(fēng)傾力矩

平臺在設(shè)計時需盡量減小風(fēng)傾力矩的影響，主要是減小平臺的受風(fēng)面積，比如降低上部模塊和生活區(qū)的層高，在安全允許下采用桁架結(jié)構(gòu)代替板架結(jié)構(gòu)等。平臺在作業(yè)時也要避免橫向面積較大的方向迎風(fēng)。

6 結(jié) 語

圓筒型FPSO是一種新型的海洋生產(chǎn)儲油平臺，該平臺在建造成本、穩(wěn)性、甲板承載能力和結(jié)構(gòu)強度方面都有著較大的優(yōu)勢[6]，市場前景廣闊。經(jīng)過詳細的計算，驗證了此圓筒型FPSO能滿足DNV和MARPOL對穩(wěn)性的要求。分析研究了圓筒型FPSO穩(wěn)性的主要影響因素，對平臺的設(shè)計人員提供一定的借鑒。

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Stability research and analysis for cylindrical floating production storage and offloading unit

ZHANG Huiliang1,2

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200032, China; 2. Nantong COSCO Shipyard Co. Ltd., Nantong 226006, China)

1005-9865(2017)02-0027-07

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.005

2015-10-23

張會良(1984-)，男，河北保定人，碩士研究生，助理工程師，從事船舶與海洋工程總體設(shè)計工作。E-mail:185176669@qq.com