孫雷，羅賢成，姜?jiǎng)俪?，劉昌鳳

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240；3.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

近些年我國(guó)大力發(fā)展海洋產(chǎn)業(yè)，一些對(duì)海洋的開(kāi) 發(fā)活動(dòng)日益頻繁，對(duì)海上用電需求激增（僅渤海鉆井平臺(tái)的能源需求將達(dá)到1000 MW）。國(guó)家大力實(shí)施海洋發(fā)展戰(zhàn)略，大力開(kāi)發(fā)一些島礁，而對(duì)于這些島嶼的開(kāi)發(fā)工作迫切需要穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的能源支持。針對(duì)這一系列問(wèn)題，海上浮動(dòng)核電站被認(rèn)定為近期唯一的徹底解決方案。海上浮式核電站系統(tǒng)主要包括船舶工程系統(tǒng)與核反應(yīng)堆系統(tǒng)。海上浮式核電站可為島嶼開(kāi)發(fā)、海上油氣田開(kāi)采、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電供熱、海水淡化、核能制冷等提供能源支持。由于安全性好（遠(yuǎn)離陸地、海水天然熱阱）、電能轉(zhuǎn)化率高（采用核能）、抗震性能強(qiáng)（浮于水面）、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高（市場(chǎng)規(guī)模逾1000億元）、清潔環(huán)保（無(wú)碳排放）等，被稱(chēng)為是未來(lái)最可行、最有利的海上供電工具[1]。

1 浮式核電平臺(tái)概述

海上核電站的概念最初由美國(guó)提出，并逐漸被世界各國(guó)所采納。1963年，美國(guó)軍方為巴拿馬運(yùn)河區(qū)供電，將MH-1A核電裝置設(shè)在“自由號(hào)”船舶上。1972年，美國(guó)西屋電力公司提出將反應(yīng)堆放置在大型駁船上，由拖船拖拽的“離岸”型核電站設(shè)想，為大西洋沿岸供電。隨后麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了浮動(dòng)甲板式海上核電站，該核電站為圓筒FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）外形，核反應(yīng)堆布置在圓筒形艙室內(nèi)部，平臺(tái)采用多點(diǎn)系泊方式，可作業(yè)于深海海域，如圖1所示[2]。近年來(lái)，法國(guó)研制了下沉式海洋核電站Flexblue，該核電站核反應(yīng)堆沉降在海底，采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行控制，與岸上電網(wǎng)通過(guò)海底電纜相連，移位需要水面船艦輔助，如圖2所示。韓國(guó)設(shè)計(jì)了GBS式浮動(dòng)核電站，通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)作基礎(chǔ)降低風(fēng)險(xiǎn)，該核電站繼承了陸地核電站和浮動(dòng)核電站的優(yōu)勢(shì)，既能降低海洋環(huán)境載荷對(duì)平臺(tái)影響，又能有效減小地震引發(fā)的影響，但仍然無(wú)法避免海嘯對(duì)其影響，如圖3所示[3]。2016年 7月，俄羅斯研發(fā)的世界上首座海上浮動(dòng)核電站“羅蒙諾索夫院士號(hào)”進(jìn)入下海測(cè)試階段，并計(jì)劃于2017年末正式服役。2016年初，國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)了中船重工“國(guó)家能源重大科技創(chuàng)新工程海洋核動(dòng)力平臺(tái)示范工程”項(xiàng)目立項(xiàng)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)海洋核動(dòng)力平臺(tái)“零”的突破，并結(jié)合我國(guó)海洋條件的具體情況，提出了以我國(guó)渤海近海FPSO為母型的軟剛臂系泊式浮動(dòng)核電站[4]，如圖4所示。

圖1 MIT圓筒形浮式核電站

圖2 法國(guó)Flexblue沉式核電站

圖3 韓國(guó)GBS浮式核電站

圖4 中國(guó)軟剛臂系泊式浮動(dòng)核電站

2 浮式核電平臺(tái)初步探討研究

相較于傳統(tǒng)發(fā)電方式，核電具有消耗資源少、環(huán)境影響力小和供應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前主要的電力供應(yīng)支柱。相對(duì)于陸地核電站發(fā)電方式，采取浮式核電平臺(tái)設(shè)計(jì)具體以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

1）海上核電站的海域適用性廣。因?yàn)楹穗娬驹谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大能量，所以核電站的選址一般要求靠近水源，最好是靠海，而海上核電站在選址上沒(méi)有過(guò)多要求，利用現(xiàn)有的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，完全可以實(shí)現(xiàn)在風(fēng)暴中安全自存。海上浮式核電站可以利用其敏捷的移動(dòng)性，對(duì)一些電力難以抵達(dá)的地方提供穩(wěn)定強(qiáng)大的電力供應(yīng)。

2）海上核電站可以在船廠(chǎng)的船塢里建造。可以降低建造成本與時(shí)間，促進(jìn)海工裝備的發(fā)展，同時(shí)也可以為核動(dòng)力船舶的建造積累經(jīng)驗(yàn)。

3）海上核電站有利于促進(jìn)核電產(chǎn)業(yè)出口。海上核電站利用其廣泛的海域適應(yīng)性與靈活的移動(dòng)性，可以通過(guò)出售或租賃的方式擴(kuò)展核電產(chǎn)業(yè)的國(guó)際市場(chǎng)。

4）發(fā)展海上核電站有利于提高我國(guó)水面艦艇核動(dòng)力裝置研發(fā)水平。

5）海上核電站還有望利用海水淡化緩解人類(lèi)淡水危機(jī)問(wèn)題。

盡管海洋核動(dòng)力平臺(tái)建立的目的是生產(chǎn)清潔能源，減輕環(huán)境污染，但是海洋核動(dòng)力平臺(tái)本身卻具有一定的安全隱患。主要表現(xiàn)在遇到極端海況時(shí)，如果平臺(tái)發(fā)生事故，高溫的核心就會(huì)烙化底層，穿透駁船落入水中，造成嚴(yán)重的海洋污染。這種污染造成的危害往往是巨大的，難以補(bǔ)救[5-6]。

對(duì)于陸地上的核電站，我國(guó)已有行業(yè)規(guī)范、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及較為完備的法律法規(guī)體系，而對(duì)于海洋核電平臺(tái)，國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)的規(guī)范要求。因此，現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)都是基于《IMO核動(dòng)力商船安全規(guī)范》、《國(guó)際船舶裝運(yùn)密封裝置輻射性核燃料、環(huán)保強(qiáng)放射性廢料規(guī)則》以及《CCS海上浮式裝置入級(jí)與建造規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行研究設(shè)計(jì)的。浮式海洋核電平臺(tái)的安全性要求應(yīng)貫穿其設(shè)計(jì)、建造、作業(yè)、報(bào)廢的全壽命周期之中，除了滿(mǎn)足核反應(yīng)堆自身安全，還要考慮載體平臺(tái)系統(tǒng)的安全性、適應(yīng)性以及成熟性等要求。載體的總體布置、破艙穩(wěn)性、堆艙通風(fēng)、救生消防、防火分艙以及備用急用電源等都需要作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。參考規(guī)范要求，海洋核電平臺(tái)對(duì)平臺(tái)載體具有以下要求：應(yīng)將核反應(yīng)堆裝置布置在船舶水線(xiàn)以下，以滿(mǎn)足核反應(yīng)堆安全性要求；核反應(yīng)堆裝置布置空間應(yīng)滿(mǎn)足封閉性要求；作為載體的平臺(tái)應(yīng)具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度以滿(mǎn)足抵抗極端載荷作用，載體壽命應(yīng)與核反應(yīng)堆裝置相當(dāng)；載體要滿(mǎn)足渤海海域環(huán)境要求，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和加速度等不得超過(guò)核反應(yīng)堆裝置的極限要求；便于核反應(yīng)堆裝置進(jìn)行維修處理與換料。

參考我國(guó)新頒布的核動(dòng)力廠(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)定中[7]，明確要求對(duì)核反應(yīng)堆損壞概念分析須綜合考慮確定論和概率論的方法。根據(jù)概率安全分析，目前核電站現(xiàn)有的二代型或二代改進(jìn)型的核反應(yīng)堆發(fā)生堆芯嚴(yán)重?fù)p壞事故的概率低于1×10-4/（堆·年），發(fā)生嚴(yán)重的放射性向環(huán)境釋放的概率低于1×10-5/（堆·年），這點(diǎn)已成共識(shí)。對(duì)于海洋浮式核電平臺(tái)，首先必須保證其安全性，為確保海洋核電平臺(tái)在惡劣極端海況下（百年一遇、萬(wàn)年一遇的海況）的結(jié)構(gòu)安全，必須開(kāi)展海洋核電平臺(tái)船型方案和系泊方式的風(fēng)浪流模型試驗(yàn)，供設(shè)計(jì)方提出合理的船型和系泊方案，為海洋核電平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在對(duì)核電平臺(tái)進(jìn)行模型試驗(yàn)的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)平臺(tái)采用萬(wàn)年一遇的海況標(biāo)準(zhǔn)（遠(yuǎn)超海工百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行風(fēng)浪流水池實(shí)驗(yàn)時(shí)，核電平臺(tái)的系泊力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與風(fēng)浪流同向時(shí)最為不利，這與以往風(fēng)浪流成一定夾角出現(xiàn)極值的認(rèn)識(shí)[8]不符。在風(fēng)浪流同向共同作用下的系泊力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)明顯小于波浪單獨(dú)作用情況，這與使用目前的商業(yè)軟件AQWA，SESAM等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果完全相反。軟剛臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性也凸顯出來(lái)，系泊系統(tǒng)在平臺(tái)大幅度運(yùn)動(dòng)時(shí)剛度有明顯下降的現(xiàn)象。這些問(wèn)題的根源在于極端海況下軟剛臂系泊浮式平臺(tái)的水動(dòng)力特性及機(jī)理不明，并缺乏有效的預(yù)報(bào)手段。由于海況重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)的提高，核電平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性由量變引發(fā)了質(zhì)變，體現(xiàn)出了更強(qiáng)的時(shí)變性和非線(xiàn)性，而船級(jí)社承認(rèn)的商用軟件目前大多是采用頻域線(xiàn)性方法，預(yù)報(bào)能力不足，這無(wú)疑將對(duì)海洋核電站的實(shí)際使用產(chǎn)生巨大的風(fēng)險(xiǎn)。海上核電站的核心問(wèn)題是安全性，對(duì)浮動(dòng)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的限制更加嚴(yán)刻，因此，必將對(duì)浮式平臺(tái)的水動(dòng)力性能的評(píng)估和預(yù)報(bào)提出更高要求。

為探究極端海況下的浮式海洋核電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能，針對(duì)作業(yè)于渤海海域的浮式海洋核電平臺(tái)作業(yè)海況進(jìn)行了調(diào)研論證，采用推算方法對(duì)極端海況進(jìn)行了模擬計(jì)算。

2.1 浮式核電平臺(tái)作業(yè)海況研究

渤海海域是一個(gè)近封閉的內(nèi)海，地處中國(guó)大陸東部的最北端，具體位置在北緯 37°07′～41°0′、東經(jīng)117°35′～121°10′，面積為 77 000 km2，平均深度為18 m。渤海周?chē)腥齻€(gè)主要海灣：北面的遼東灣、西面的渤海灣、南面的萊州灣（如圖5所示）。渤海以風(fēng)浪為主，隨季風(fēng)的交替具有明顯的季節(jié)性。10月至翌年 4月盛行偏北浪，6～9月盛行偏南浪。渤海風(fēng)浪以冬季為最盛，波高通常為0.8～0.9 m，周期多半小于5 s。1月平均波高為1.1～1.7 m，寒潮侵襲時(shí)可達(dá)3.5～6.0 m。夏秋之間，偶有大于6.0 m的臺(tái)風(fēng)浪。海浪以渤海海峽和中部為最大，遼東灣和渤海灣較小。渤海的平均波高多為0.1～0.7 m，以海峽區(qū)最大，平均為0.8～1.9 m。渤海潮流以半日潮流為主，流速一般為0.5～1 m/s，最強(qiáng)潮流見(jiàn)于老鐵山水道附近，達(dá)1.5～2 m/s，遼東灣次之，為1 m/s左右。最弱潮流區(qū)是萊州灣，流速為0.5 m/s左右。冬季，渤海由于強(qiáng)寒潮頻繁侵襲而出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，冰期約為3個(gè)多月，常見(jiàn)冰厚為0.1～0.4 m。

圖5 渤海海域海底地形

通過(guò)對(duì)渤海海域?qū)崪y(cè)資料分析，采用矩方法推算滿(mǎn)足萬(wàn)年一遇極端海況下的波浪、海流、風(fēng)速以及海冰的極值?；舅枷霝椋赫J(rèn)為波高、潮流、風(fēng)流、海冰等值的分布服從三參數(shù)韋布爾分布，通過(guò)使分布的各階矩和樣本的各階矩相等，從而得到分布參數(shù)的估計(jì)。推算得到的各環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1—表5：

表1 不同重現(xiàn)期波高周期極值

表2 不同重現(xiàn)期風(fēng)速極值

表3 不同重現(xiàn)期的5 m流速和表面流速極值

表4 不同重現(xiàn)期平整冰厚度 m

渤海各區(qū)的海冰極值分布如圖6所示，表4和表5為不同重現(xiàn)期時(shí)的平整冰與重疊冰的厚度。

表5 不同重現(xiàn)期平整冰厚度 m

圖6 渤海各區(qū)海冰分布區(qū)

2.2 浮式核電平臺(tái)選型研究

海洋核電平臺(tái)系統(tǒng)主要是由船舶系統(tǒng)與核反應(yīng)堆系統(tǒng)組成，而船舶系統(tǒng)主要包括核電平臺(tái)系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)。核電平臺(tái)系統(tǒng)將針對(duì)不同海域情況選取不同類(lèi)型的平臺(tái)。適用于淺海海域的平臺(tái)類(lèi)型包括有自升式、座底式和混凝土式、導(dǎo)管架（立柱式）等。其中，自升式平臺(tái)是一種利用自身升降裝置將平臺(tái)樁腿插入海底下的可移動(dòng)式鉆井平臺(tái)，一般用于淺海海域[9]。座底式和混凝土式平臺(tái)亦稱(chēng)為鉆駁或插樁鉆駁，該平臺(tái)適用水深較淺，水深一般小于30 m以下，該裝置在指定作業(yè)區(qū)域?qū)⒊翂|內(nèi)灌水著落，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[10]。對(duì)該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)性方面而言，水深有限并且受到海底條件影響較大，因此不適于作為參考平臺(tái)。導(dǎo)管架式平臺(tái)亦稱(chēng)為樁式平臺(tái)，其作業(yè)水深通常小于300 m，該裝置采用打樁方式將樁腿固定在海底，由樁腿來(lái)支撐平臺(tái)，并且抵抗風(fēng)浪流等環(huán)境力，它是目前淺海海域通用的平臺(tái)形式[11]。適用于深海海域的平臺(tái)類(lèi)型包括有半潛式、SPAR、張力腿、船型等。

半潛式平臺(tái)水線(xiàn)面很小，具有較大的固有周期，與波頻共振的可能性低，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)小，浮體位于水面以下，波浪作用力小，一般采用懸鏈線(xiàn)錨泊方式[12]。半潛式平臺(tái)具有相對(duì)總投資小，更大甲板空間和甲板可變載荷、無(wú)需海上安裝、全球全天候的工作能力和自存能力的優(yōu)勢(shì)。但在惡劣海況下的運(yùn)動(dòng)幅度較大、結(jié)構(gòu)安全性有待進(jìn)一步提高。

Spar平臺(tái)共形成了四種典型結(jié)構(gòu)，發(fā)展歷程分別是第一代經(jīng)典式Spar平臺(tái)（classic spar）、第二代桁架式Spar平臺(tái)（truss spar）、第三代多柱式Spar平臺(tái)（cell spar）和新型 Spar平臺(tái)（minDoc spar）[13]。Spar平臺(tái)適應(yīng)于深海海況，在深海海況下運(yùn)動(dòng)性能良好，安全性能較高，靈活性?xún)?yōu)于張力腿平臺(tái)，且造價(jià)不會(huì)隨著水深的增加而急劇提高。Spar平臺(tái)由于吃水很大，移位不便，平臺(tái)中部結(jié)構(gòu)時(shí)刻處于受拉伸狀態(tài)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全有不利影響，細(xì)長(zhǎng)直立的圓柱外形，不便于發(fā)電設(shè)備的布置，主體部分有可能發(fā)生渦激運(yùn)動(dòng)。

張力腿平臺(tái)承受的浮力遠(yuǎn)大于自身的重力，多余的浮力依靠張力腿產(chǎn)生的張力來(lái)平衡。張力腿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)性能良好，抗惡劣環(huán)境作用能力強(qiáng)，造價(jià)相對(duì)于固定式平臺(tái)較低[14]。當(dāng)工作水深超過(guò)1200 m以上的海域時(shí)，由于張力腿自身重量較大，張力腿的張力腱運(yùn)動(dòng)達(dá)到極限，受力發(fā)生較大改變，導(dǎo)致張力腿平臺(tái)定位性能較差。另外由于差頻波浪力將引起平臺(tái)縱蕩、橫蕩、艏搖三個(gè)自由度的共振現(xiàn)象，稱(chēng)為Spring現(xiàn)象。同時(shí)風(fēng)的激振力也會(huì)加劇這種慢漂運(yùn)動(dòng)，高頻水動(dòng)力會(huì)引起平臺(tái)縱搖、橫搖、垂蕩三個(gè)自由度的共振現(xiàn)象，稱(chēng)為Ringing現(xiàn)象。這些共振問(wèn)題將會(huì)隨著水深增大而愈加嚴(yán)重，這將對(duì)張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。此外，張力腿平臺(tái)需要進(jìn)行海底定位，這些問(wèn)題都將讓張力腿平臺(tái)的設(shè)計(jì)和安裝施工變得愈加復(fù)雜。

船舶類(lèi)平臺(tái)母型可以分為兩大類(lèi)船型，F(xiàn)PSO和油船或VLCC（超大型油船）。FPSO開(kāi)始出現(xiàn)于1977年，具有靈活性高、適應(yīng)海況能力強(qiáng)、存儲(chǔ)油量較大、投資相對(duì)較低、重復(fù)使用率高等優(yōu)點(diǎn)，目前FPSO是海上石油油氣開(kāi)發(fā)的最主要的手段。FPSO適用的水深范圍為20～2000 m，一般由以下三大部分組成：船體部分、單點(diǎn)系泊系統(tǒng)部分和油氣生產(chǎn)存儲(chǔ)部分[15]。FPSO具有如下特點(diǎn)：甲板面積寬闊，便于生產(chǎn)設(shè)備布置，承重能力、抗風(fēng)、浪、流和地震能力強(qiáng)，適應(yīng)水深范圍廣，儲(chǔ)/卸液體貨物能力大，集生產(chǎn)處理、儲(chǔ)存外輸及生活、動(dòng)力供應(yīng)于一體，一般無(wú)動(dòng)力，有軟剛臂式單點(diǎn)系泊或動(dòng)態(tài)定位裝置。另外一種是油船改裝，采用油船母型優(yōu)勢(shì)包括抗風(fēng)、浪、流和地震能力強(qiáng)，適合于深遠(yuǎn)海，全球全天候的工作能力和自存能力。油船一般采用柴油動(dòng)力，通常采用錨泊式系泊裝置，不易改裝、干舷小、浮力儲(chǔ)備小、甲板上浪、長(zhǎng)深比大、縱向彎矩大、尾機(jī)型，駕駛艙和生活區(qū)在后面，存在駕駛盲區(qū)[16]。

對(duì)于我國(guó)渤海海域，因?yàn)槠鋵儆谳^淺海域，平臺(tái)類(lèi)和船舶類(lèi)都能完美滿(mǎn)足，同時(shí)船舶類(lèi)更容易滿(mǎn)足目標(biāo)吃水條件，并能提供更多的儲(chǔ)備浮力。平臺(tái)類(lèi)和船舶類(lèi)都具有較好的抗風(fēng)、抗流能力，而平臺(tái)的抗浪能力更佳。平臺(tái)類(lèi)依靠樁腿和沉墊對(duì)自身進(jìn)行定位，船舶類(lèi)依靠系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位。平臺(tái)類(lèi)的工程量、技術(shù)復(fù)雜度要低于船舶類(lèi)，而其技術(shù)成熟度要高于船舶類(lèi)。平臺(tái)類(lèi)相對(duì)船舶類(lèi)，由于與海底接觸，要抵抗極高的地震載荷，明顯抗震能力很差，對(duì)海底土壤也有更多的適應(yīng)性要求。FPSO和油船等船型類(lèi)平臺(tái)具有靈活性高、抗風(fēng)浪強(qiáng)、工作水深范圍廣、重復(fù)使用率高等優(yōu)點(diǎn)，比較適用于海上石油油氣開(kāi)發(fā)。另外，F(xiàn)PSO具有較好的浮力儲(chǔ)備，但油船滿(mǎn)載航行時(shí)干舷較小、浮力儲(chǔ)備小、甲板易上浪，一般無(wú)動(dòng)力，有單點(diǎn)系泊或動(dòng)態(tài)定位裝置。有許多FPSO駕駛艙和生活區(qū)在船首，而油船通常采用尾機(jī)型，駕駛艙和生活區(qū)在后面。相對(duì)油船的系泊系統(tǒng)來(lái)講，F(xiàn)PSO由于自身采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，更容易改裝成目標(biāo)船型。對(duì)于張力腿平臺(tái)和 Spar平臺(tái)，雖然抗風(fēng)、抗浪能力強(qiáng)，但其移位十分不便，而且我國(guó)還沒(méi)有生產(chǎn)和使用過(guò)此種類(lèi)型的平臺(tái)，技術(shù)不成熟。因此，不推薦采用這兩種類(lèi)型的平臺(tái)作為海上動(dòng)力平臺(tái)備選方案。浮式平臺(tái)中只有FPSO和半潛式平臺(tái)技術(shù)比較成熟、移位比較方便、布置改裝也比較容易，是浮式平臺(tái)中最適合用于移動(dòng)電站的平臺(tái)類(lèi)型。半潛式平臺(tái)出現(xiàn)過(guò)沉沒(méi)事故，而且我國(guó)現(xiàn)有的半潛式平臺(tái)數(shù)量不多、經(jīng)驗(yàn)不夠，半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性有待深入研究。同時(shí)，考慮到作為海洋核電平臺(tái)載體系統(tǒng)的特殊性，選取浮式船型FPSO作為核電平臺(tái)改裝船型具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：可以滿(mǎn)足非能動(dòng)性核電反應(yīng)裝置對(duì)于安全性的要求，盡量降低地震等環(huán)境作用影響，此外船型的雙層底結(jié)構(gòu)可以抵御多種事故載荷，保證核反應(yīng)堆裝置的安全性；單船體艙室具有較大的布置面積，便于核反應(yīng)裝置的布置與安放；目前對(duì)于FPSO的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較豐富，平臺(tái)設(shè)計(jì)可以借鑒，同時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)性；可以借鑒目前已有的核電船民船的設(shè)計(jì)規(guī)范；可適用范圍廣，船型的海洋核電平臺(tái)不僅可以用于渤海海域，也可以用于較深海域的南海，同時(shí)單船船型具有較好靈活性，可以方便安裝海上設(shè)備、核料更換、報(bào)廢退役，且安全可靠。因此，對(duì)渤海海域建議采用FPSO作為改裝船型。

根據(jù)不同海況，目前FPSO系泊方式主要包括以下系泊方式：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)、多點(diǎn)系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)[17]。其中，F(xiàn)PSO廣泛采用單一接觸點(diǎn)的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)方式。單點(diǎn)系泊方式門(mén)類(lèi)較多，美國(guó)船級(jí)社ABS劃分單點(diǎn)系泊系統(tǒng)有以下幾種形式：?jiǎn)五^腿系泊系統(tǒng)（Single Anchor Leg Mooring System）、懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)（Catenary Anchor Leg Mooring System）、轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)（Turret Mooring System）和軟剛臂式系泊系統(tǒng)（Soft Yoke Mooring System）四大類(lèi)。轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)又分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式（Inner Turret Mooring）（如圖7所示）、外轉(zhuǎn)塔式（External Turret Mooring）（如圖8所示）或浮標(biāo)式轉(zhuǎn)塔系泊形式（Buoy Turret Mooring）、立管轉(zhuǎn)塔系泊形式（Riser Tower Mooring）。軟剛臂式單點(diǎn)系泊也有多種系泊形式，在我國(guó)渤海海域采用的軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要為系泊塔架式軟剛臂系泊系統(tǒng)（如圖9所示）、獨(dú)立柱式軟剛臂系泊系統(tǒng)（如圖10所示）。世界上第一套單點(diǎn)系泊系統(tǒng)于1959年出現(xiàn)，該系泊為懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)。第一艘采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)方式的浮式儲(chǔ)油裝置（FPO）于 1972年誕生，工作于突尼斯海域油田。在 21世紀(jì)初時(shí)，采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的 FPSO和FPO將達(dá)到500座左右。

圖7 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)

圖8 外轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)

圖9 塔架式軟剛臂系泊系統(tǒng)

圖10 獨(dú)立柱式軟剛臂系泊系統(tǒng)

多點(diǎn)系泊系統(tǒng)（Spread Mooring）即船體與系泊系統(tǒng)之間通過(guò)多個(gè)接觸點(diǎn)連接，將FPSO通過(guò)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)方式固定于指定位置，開(kāi)采的原油通過(guò)海底管道輸送到FPSO的水下基盤(pán)，接著由FPSO舷側(cè)的柔性立管輸送到原油處理模塊。外輸?shù)姆绞桨ㄓ写亢团钥康刃问剑渲?，旁靠適應(yīng)于深海海域的輸送方式。另外為減小外輸停靠油船停泊的影響，系泊鏈通常采用導(dǎo)覽器從海底系泊船體。多點(diǎn)系泊方式下的FPSO船體和船首尾方向固定，沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)效應(yīng)，受到環(huán)境作用力影響較大，因此其系泊海域受限于較為溫和且風(fēng)浪流條件較低的海域。

動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System）即通過(guò)動(dòng)力定位浮式系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)系泊的方式，該方式系泊系統(tǒng)包括以下系統(tǒng)：動(dòng)力裝置推進(jìn)系統(tǒng)、測(cè)量裝置系統(tǒng)和定位控制系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代已成功研制和使用動(dòng)力定位系統(tǒng)，動(dòng)力定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在海洋結(jié)構(gòu)物低速情況下控制有效的驅(qū)動(dòng)器來(lái)抵抗所受環(huán)境力的影響。正常情況下是對(duì)船舶或平臺(tái)在縱橫蕩、艏搖等自由度下進(jìn)行動(dòng)力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)力與力矩平衡。另外動(dòng)力定位系統(tǒng)造價(jià)基本不會(huì)受水深影響，且該系泊方式較為可靠、操作方便[18]。

在上述系泊形式中，多點(diǎn)式系泊形式和轉(zhuǎn)塔式系泊形式應(yīng)用得最多，但我國(guó)淺水區(qū)域使用較多軟剛臂系泊形式。軟剛臂系泊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、維修工程量少，且有許多軟剛臂系泊系統(tǒng)成功的應(yīng)用實(shí)例以供參考，因此對(duì)于作業(yè)于渤海海域的海洋核電平臺(tái)適宜采用軟剛臂式單點(diǎn)系泊方式。

3 浮式核電平臺(tái)研究技術(shù)手段

目前，針對(duì)軟剛臂系泊型海洋核動(dòng)力平臺(tái)的水動(dòng)力性能的研究甚少，但是對(duì)軟剛臂系泊FPSO水動(dòng)力性能的研究比較豐富，可以為大型核電平臺(tái)的研究提供參考。FPSO各種性能研究是我國(guó)淺海油氣田開(kāi)發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。其中，國(guó)外研究的FPSO大多考慮深海海域情況，對(duì)于FPSO工作在淺海海域研究較少。軟剛臂系泊系統(tǒng)在淺水中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)明顯，分析淺水軟剛臂系泊FPSO動(dòng)力響應(yīng)特性方法主要有數(shù)值模擬、原型監(jiān)測(cè)及模型試驗(yàn)三種技術(shù)手段。

3.1 數(shù)值模擬

系泊FPSO水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)的早期研究主要基于線(xiàn)性勢(shì)流理論，數(shù)值模擬指導(dǎo)工程實(shí)際有一定的局限性，但在初步設(shè)計(jì)階段可以提煉出研究的關(guān)鍵點(diǎn)，使相關(guān)研究更有針對(duì)性[19]，近年來(lái)對(duì)軟剛臂系泊型FPSO的研究較多。Liao和Chen (2010年)選取了“渤海蓬勃”號(hào) FPSO，對(duì)其在作業(yè)海況條件下進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了軟剛臂在不同壓載情況下的運(yùn)動(dòng)和受力響應(yīng)，對(duì)實(shí)際FPSO安裝起到了一定指導(dǎo)作用[20]。Duggal（2011年）等對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FPSO在瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá) 50 m/s的暴風(fēng)海況條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了模擬分析[21]。Wang等（2012年）以淺水軟剛臂系泊FPSO船體為研究對(duì)象，采用多體法對(duì)系泊結(jié)構(gòu)和FPSO船體的耦合運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了探究[22]。劉曉?。?013年）發(fā)現(xiàn)在FPSO某些自由度運(yùn)動(dòng)的固有頻率與低頻波的頻率接近時(shí)，產(chǎn)生的大幅共振運(yùn)動(dòng)會(huì)使系泊力響應(yīng)也大幅增加，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)這種大幅度的運(yùn)動(dòng)與系泊力響應(yīng)是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在[23]。劉成義等（2014年）基于三維勢(shì)流理論和多體動(dòng)力學(xué)法，建立了 FPSO-系泊腿-軟剛臂的耦合模型，對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)水動(dòng)力性能的敏感性進(jìn)行了探究[24]。田冠楠等（2016年）利用Ariane軟件對(duì)百年一遇環(huán)境條件下作業(yè)于渤海海域的一艘15萬(wàn)t級(jí)FPSO船體在滿(mǎn)載和壓載兩種工況下的軟剛臂系泊系統(tǒng)的定位能力進(jìn)行評(píng)估[25]。鄭凱等（2016年）利用AQWA軟件對(duì)風(fēng)浪流聯(lián)合作用下軟剛臂系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了頻域分析，發(fā)現(xiàn)波浪低頻作用大于高頻作用[26]。劉成義等（2016年）針對(duì)不同水深/吃水比情況下的軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO船體，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法計(jì)算其二階波浪力和軟剛臂載荷，探究了兩種計(jì)算方法的適用水深/吃水比條件[27]。

目前針對(duì)海洋工程開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系泊分析專(zhuān)業(yè)軟件有 SESAM，HYDROSTAR，ARIANE及AQWA等。由于海洋水文環(huán)境包括各種方向的風(fēng)、浪、流組合，浮體與系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，數(shù)值分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)和邊界條件的簡(jiǎn)化往往過(guò)多，對(duì)一些計(jì)算參數(shù)的選擇隨意性較大[28]。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)的阻尼和流體的黏性有關(guān)，勢(shì)流理論是不考慮流體的黏性的。以往的頻域計(jì)算理論和時(shí)域模擬方法多是基于三維勢(shì)流理論，波浪主要考慮線(xiàn)性波。數(shù)值模擬應(yīng)用勢(shì)流理論并不能準(zhǔn)確估計(jì)FPSO的固有周期、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等。此外，F(xiàn)PSO的大幅漂移等極端響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致船體運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，數(shù)值分析方法對(duì)這類(lèi)問(wèn)題還不能準(zhǔn)確地模擬。

3.2 原型監(jiān)測(cè)

原型監(jiān)測(cè)是在海洋工程實(shí)際結(jié)構(gòu)上進(jìn)行測(cè)量，同步采集FPSO工作海域風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境條件，真實(shí)反映了各種海況下結(jié)構(gòu)的荷載與響應(yīng)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可達(dá)到檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和保障安全的目的，同時(shí)可對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和載荷分析方法進(jìn)行改進(jìn)。

齊興斌(2012年)通過(guò)原型測(cè)量的手段提出了軟剛臂系泊系統(tǒng)可能的失效模式和判別指標(biāo)[29]。陳光（2012年）通過(guò) FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)產(chǎn)生共振的原因和共振現(xiàn)象考慮的關(guān)鍵因素[30]。王海平（2013年）對(duì)原型測(cè)量中的水上軟剛臂系泊系統(tǒng)存在的橫向擺動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究[31]。武文華等（2015年）針對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中系泊腿橫擺異常行為，提出了一種基于原型監(jiān)測(cè)的海洋結(jié)構(gòu)疲勞性能分析方法，對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上部鉸接點(diǎn)疲勞特性開(kāi)展研究[32]。劉莉峰等（2015年）對(duì)渤海服役的某軟剛臂系泊FPSO應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)其在復(fù)雜海況運(yùn)行期間的綜合受力情況[33]。樊哲良等（2017年）基于實(shí)測(cè)原型系統(tǒng)，運(yùn)用相位分析法對(duì)軟剛臂系統(tǒng)與系泊船體橫搖共振現(xiàn)象進(jìn)行了探究[34-36]。

原型監(jiān)測(cè)克服了模型試驗(yàn)的截?cái)嘈?yīng)問(wèn)題，結(jié)論的可靠性高于模型試驗(yàn)。由于海洋工程結(jié)構(gòu)受到多種環(huán)境載荷的聯(lián)合作用，原型監(jiān)測(cè)不能像物理模型試驗(yàn)?zāi)菢幽M加載各種典型工況。同時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜等因素的制約，海洋結(jié)構(gòu)原型監(jiān)測(cè)實(shí)施較為困難，僅可作為項(xiàng)目研究的參考和補(bǔ)充。

3.3 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)是研究浮式結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪流聯(lián)合作用復(fù)雜問(wèn)題不可或缺的有效途徑，模型試驗(yàn)的結(jié)果具有高度的可靠性。模型試驗(yàn)根據(jù)相似性原理制造縮尺實(shí)物模型，通過(guò)加載模擬工況得到載荷、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)等，進(jìn)而預(yù)測(cè)原型的工作形態(tài)。Naciri等(2004)對(duì)淺水FLNG船及其軟剛臂系泊系統(tǒng)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)淺水系泊FLNG對(duì)環(huán)境荷載非常敏感，并指出應(yīng)特別注意淺水不規(guī)則波中的減水(set-down)長(zhǎng)波[37]。肖龍飛（2007）通過(guò)不規(guī)則波浪作用下的FPSO動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究，對(duì)淺水效應(yīng)的內(nèi)涵進(jìn)行了深入解釋[38]。蘇方磊（2016）對(duì)軟剛臂系泊FPSO的運(yùn)動(dòng)與系泊力響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了海洋環(huán)境荷載與結(jié)構(gòu)尺度參數(shù)對(duì)淺水軟剛臂系泊FPSO水動(dòng)力性能的影響[39]。賈勇（2016）對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊式海洋核動(dòng)力平臺(tái)開(kāi)展了風(fēng)浪流聯(lián)合物理模型試驗(yàn)，并使用小波分析手段對(duì)平臺(tái)分別在隨機(jī)波浪和聯(lián)合作用波浪群性下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析[40]。王美琪（2016）通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)（如圖11所示）和AQWA軟件對(duì)軟剛臂系泊式海洋核動(dòng)力平臺(tái)在規(guī)則波、不規(guī)則波以及風(fēng)浪流聯(lián)合作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了風(fēng)浪流在不同組合情況下對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生的不同影響情況[41]。

圖11 浮式核電站模型實(shí)驗(yàn)

研究船舶等浮體在某項(xiàng)荷載作用下的響應(yīng)問(wèn)題時(shí)，常假定為線(xiàn)性系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系。FPSO在實(shí)際工作工況下，風(fēng)浪流等載荷通常同時(shí)存在。波浪在淺水區(qū)傳播時(shí)，風(fēng)會(huì)引起波浪的提前破碎，流也會(huì)引起波浪要素變形。研究己證實(shí)風(fēng)和流的存在極大地改變了波浪的傳播形態(tài)[42]，接著將引起波浪的群性和非線(xiàn)性等特征參數(shù)發(fā)生改變。各種環(huán)境荷載因素之間相互作用導(dǎo)致線(xiàn)性系統(tǒng)的疊加性不再成立[43]，因此對(duì)FPSO所受風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的試驗(yàn)研究時(shí)，不能簡(jiǎn)單地將各因素單獨(dú)作用時(shí)的結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性疊加。渤海海域較多出現(xiàn)的極端環(huán)境條件是百年一遇波浪與各種方向的風(fēng)和流的組合，風(fēng)浪流組合的海況遠(yuǎn)比只有波浪的工況復(fù)雜，F(xiàn)PSO與軟剛臂系泊系統(tǒng)將呈現(xiàn)空間六自由度的動(dòng)力耦合。海洋環(huán)境條件及工況組合的復(fù)雜性導(dǎo)致物理模型試驗(yàn)將繼續(xù)作為FPSO水動(dòng)力研究的必要手段。

可以看出，對(duì)于軟剛臂系泊式FPSO平臺(tái)的水動(dòng)力學(xué)研究，原型監(jiān)測(cè)嚴(yán)重依賴(lài)于監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展程度，同時(shí)受限于監(jiān)測(cè)海況的實(shí)際情況，僅作為研究的參考依據(jù)。數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)都有各自?xún)?yōu)勢(shì)和缺陷，且實(shí)際工程中還存在著大量問(wèn)題。隨著研究的不斷深入，其發(fā)展趨勢(shì)必然是以數(shù)值模擬代替模型實(shí)驗(yàn)和原型監(jiān)測(cè)。

4 浮式核電平臺(tái)研究展望

隨著海洋開(kāi)發(fā)的不斷深入，系泊平臺(tái)水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究趨勢(shì)為：從線(xiàn)性分析到非線(xiàn)性分析，從頻域理論到時(shí)域理論。盡管對(duì)軟剛臂系泊平臺(tái)水動(dòng)力分析方法的研究已經(jīng)取得了很多重要成果，但是在極端海況作用下水動(dòng)力問(wèn)題的研究仍存一些問(wèn)題亟待解決。

1）如何考慮時(shí)域非線(xiàn)性問(wèn)題，兼顧計(jì)算量和存儲(chǔ)量，提高計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。解決對(duì)瞬時(shí)復(fù)雜邊界的捕捉及邊界網(wǎng)格重構(gòu)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)時(shí)間精確數(shù)值模擬。

2）如何考慮系泊機(jī)構(gòu)的時(shí)變特性，兼顧與平臺(tái)的相互作用，實(shí)現(xiàn)系泊裝置與平臺(tái)浮體的實(shí)時(shí)耦合分析。

由此，有必要對(duì)極端海況下軟剛臂系泊海洋核電平臺(tái)的水動(dòng)力問(wèn)題進(jìn)行更深入的研究，加深對(duì)極端海況系泊浮體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的理解。針對(duì)極端海況下有限水深軟剛臂系泊海洋核動(dòng)力平臺(tái)運(yùn)動(dòng)中的時(shí)域非線(xiàn)性、系泊機(jī)構(gòu)時(shí)變性、系泊系統(tǒng)與浮體耦合特性等問(wèn)題的研究存在以下幾個(gè)方向。

1）數(shù)值模型的開(kāi)發(fā)。需要采用合適的波物作用理論，建立可以模擬系泊核動(dòng)力平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的時(shí)域完全非線(xiàn)性數(shù)值模型，使其能夠應(yīng)用于求解完全非線(xiàn)性波浪與系泊浮式平臺(tái)相互作用的問(wèn)題。

2）系泊系統(tǒng)時(shí)變剛度數(shù)值計(jì)算模型和優(yōu)化方法。針對(duì)軟剛臂式系泊系統(tǒng)，推導(dǎo)軟剛臂系泊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算公式，利用多剛體機(jī)構(gòu)的受力及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系，建立系泊系統(tǒng)的時(shí)域受力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型。通過(guò)系泊系統(tǒng)的全局參數(shù)化分析，研究影響系泊系統(tǒng)剛度各因素的作用規(guī)律，進(jìn)行各因素重要性排序，建立系泊系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方法。

3）極端海況下軟剛臂與系泊平臺(tái)耦合作用的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究。將平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的時(shí)域非線(xiàn)性的數(shù)值模型與系泊系統(tǒng)時(shí)變剛度數(shù)值計(jì)算模型對(duì)接，建立軟剛臂與系泊平臺(tái)耦合作用的數(shù)值模型，開(kāi)展極端海況下軟剛臂與系泊核動(dòng)力平臺(tái)相互作用的試驗(yàn)研究。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著“國(guó)家能源重大科技創(chuàng)新工程海洋核動(dòng)力平臺(tái)示范工程”項(xiàng)目的立項(xiàng)以及深入開(kāi)展，海洋核動(dòng)力平臺(tái)的安全性能也必將成為國(guó)內(nèi)海洋工程界研究熱點(diǎn)之一?；诤四芾玫闹?jǐn)慎性，針對(duì)極端海況下軟剛臂系泊式海洋核動(dòng)力平臺(tái)水動(dòng)力性能的研究也必將向著時(shí)域非線(xiàn)性、系泊機(jī)構(gòu)時(shí)變性及系統(tǒng)浮體耦合非線(xiàn)性方向發(fā)展，以便可以準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出海洋核動(dòng)力平臺(tái)在服役期間內(nèi)可能遭遇的極端海況下的生存能力，降低風(fēng)險(xiǎn)。

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