深水新型水下立管支撐平臺(tái)研究

潘澤華，趙 耀，嚴(yán) 俊

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 武漢武船海洋工程船舶設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢 430000)

深水新型水下立管支撐平臺(tái)研究

潘澤華1，趙 耀1，嚴(yán) 俊2

(1. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 武漢武船海洋工程船舶設(shè)計(jì)有限公司，湖北武漢 430000)

FPSO系統(tǒng)在深海海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中扮演著重要的角色，而深水FPSO系統(tǒng)水下立管管路較長(zhǎng)，立管整體重量較大，立管在水流作用下產(chǎn)生的渦激振動(dòng)也較強(qiáng)，這些將給FPSO主船體帶來(lái)嚴(yán)重的穩(wěn)性、強(qiáng)度及疲勞問(wèn)題。鑒于此，深海FPSO系統(tǒng)在油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，須在水下一定深度設(shè)置若干水下軟管支撐浮體，用以支撐來(lái)自深海海底的管線，減輕深水立管對(duì)FPSO的負(fù)載作用。隨著深海資源開(kāi)發(fā)的深入發(fā)展，傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體作為FPSO系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備已經(jīng)無(wú)法滿足深海開(kāi)采的需求，尋求大型化、深?；?、生命周期長(zhǎng)久化的新型水下立管支撐平臺(tái)迫在眉睫，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便快捷、低風(fēng)險(xiǎn)的安裝方法成為其開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。詳細(xì)描述了水下軟管支撐浮體的產(chǎn)生及其發(fā)展歷程，針對(duì)深海開(kāi)發(fā)的需求提出了新型立管支撐平臺(tái)的新概念，著重對(duì)新概念下下水安裝更便捷的耐壓立管支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)原理及其下水安裝方式展開(kāi)了分析，最后對(duì)水下軟管支撐浮體和新型立管支撐平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了需進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

深海資源開(kāi)發(fā)；水下軟管；支撐浮體；深海立管；安裝方法

隨著人類(lèi)社會(huì)的全面發(fā)展，能源需求特別是油氣資源需求急劇增加，而深海、超深海域擁有極為豐富的油氣資源，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球44%的油氣資源儲(chǔ)量在深水區(qū)域，且勘探程度比較低，油氣開(kāi)采潛力巨大。在海洋技術(shù)的推動(dòng)下，世界海洋油氣資源開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)也逐漸從淺海走向了深海。

具體地，就我國(guó)的海洋資源情況而言，我國(guó)共擁有300萬(wàn)平方公里的領(lǐng)海，其中超過(guò)一半的面積水深在300米以上。中國(guó)南海蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源，石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為230億～300億噸，占我國(guó)油氣總資源量的三分之一，必然成為海洋開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，而其中70%蘊(yùn)藏于500～2 000 m的深海區(qū)域。我國(guó)目前涉足的油氣開(kāi)發(fā)主要集中在近海。由此可見(jiàn)，發(fā)展深海采油技術(shù)在我國(guó)勢(shì)在必行[1-3]。

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置FPSO(floating production storage and offloading system)作為集生產(chǎn)、儲(chǔ)油、生活、動(dòng)力于一體的多功能采油設(shè)施，在海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中有著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是最有前景的裝備之一。目前，淺水FPSO油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)于較深海域，由于自然環(huán)境特殊，油氣儲(chǔ)藏條件復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)控制困難，只有少數(shù)國(guó)家和公司具備相應(yīng)的技術(shù)能力和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。截至2010年，世界范圍內(nèi)工作在深水海域的FPSO有15艘，具體信息如表1所示。

表1 世界15艘深水FPSO信息表Tab. 1 Message of the top 10 deep-sea FPSO in the world

與淺水FPSO系統(tǒng)相比，深水FPSO系統(tǒng)水下立管管路較長(zhǎng)，在油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，立管整體重量較大，這一較大重量將嚴(yán)重影響FPSO主船體的穩(wěn)性，且不可避免的會(huì)給FPSO主船體帶來(lái)局部強(qiáng)度問(wèn)題[4-6]；同時(shí)，立管一般為柔性軟管，立管在各層水域流動(dòng)的影響之下會(huì)產(chǎn)生渦激振動(dòng)[7-8]，深海FPSO系統(tǒng)較長(zhǎng)的立管產(chǎn)生的渦激振動(dòng)將對(duì)FPSO主船體產(chǎn)生更大的強(qiáng)度和疲勞問(wèn)題。鑒于此，在深水油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不能直接將立管連接于水下開(kāi)采系統(tǒng)和FPSO之間，而必須在水下一定深度設(shè)置若干水下軟管支撐浮體，用以支撐來(lái)自深海海底的管線，同時(shí)承擔(dān)立管在洋流中大部分的渦激振動(dòng)，減輕立管對(duì)FPSO的負(fù)載作用。

上述水下軟管支撐浮體安裝于水下某個(gè)水深處，通過(guò)錨鏈與吸力錨連接固定，浮體一側(cè)將支撐來(lái)自海底的鋼質(zhì)懸鏈立管和臍帶纜，另一側(cè)通過(guò)柔性躍式立管與FPSO主船體相連，從而實(shí)現(xiàn)深水作業(yè)要求。由于水下軟管支撐浮體對(duì)深水立管的間接支撐作用，深海FPSO系統(tǒng)的穩(wěn)性和局部強(qiáng)度得到了一定的保證，深海油氣資源開(kāi)發(fā)成為了可能。隨著深海油氣資源開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展，水下軟管支撐浮體不僅成為了深海FPSO系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備之一，同時(shí)在某些鉆井平臺(tái)系統(tǒng)中也有了廣泛的應(yīng)用。然而水下軟管支撐浮體是人類(lèi)進(jìn)入深水區(qū)域后產(chǎn)生的，其發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的相關(guān)研究成果較少，大量與之相關(guān)的技術(shù)難題懸而未決影響了水下軟管支撐浮體的發(fā)展進(jìn)程。

針對(duì)水下軟管支撐浮體的研究現(xiàn)狀，將主要從三個(gè)層面展開(kāi)敘述：首先詳細(xì)回顧了水下軟管支撐浮體的發(fā)展與演變過(guò)程，針對(duì)深海開(kāi)發(fā)的需求現(xiàn)狀，提出了新型立管支撐平臺(tái)的新概念；其次通過(guò)展開(kāi)對(duì)深海立管支撐平臺(tái)下水安裝方式的研究，提出了耐壓立管支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念，簡(jiǎn)化了平臺(tái)下水安裝過(guò)程，并對(duì)其設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了重點(diǎn)分析；最后總結(jié)了深海立管支撐平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)比傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體和新型耐壓立管支撐平臺(tái)的異同點(diǎn)，提取了兩者共通的關(guān)鍵技術(shù)和新型立管支撐平臺(tái)派生的新技術(shù)，并對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析總結(jié)，為后續(xù)新型立管支撐平臺(tái)的研究提供一定的參考。

1 傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體

傳統(tǒng)的水下軟管支撐浮體多以水下浮筒(或箱體)和小型浮子為主(圖1所示)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，僅起到支撐管線的作用，無(wú)法對(duì)管線、錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，工作水域環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。Kellogg Brown & Root, Inc.(凱洛格布朗及魯特有限公司)于2001年公開(kāi)的專(zhuān)利“Control Wellhead Buoy”(控制井口頭浮體)[9]，霍頓深水發(fā)展系統(tǒng)有限公司于2008年公開(kāi)的專(zhuān)利“管式浮力罐系統(tǒng)”[10]，上海利策科技有限公司2010年公開(kāi)的專(zhuān)利“用于與FPSO船體連接的浮子系統(tǒng)”[11]以及大連理工大學(xué)2011年公開(kāi)的專(zhuān)利“一種超深海水下立管支撐裝置”[12]均是傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體的典型例子。單點(diǎn)系泊公司于2008年公開(kāi)的發(fā)明專(zhuān)利“海上結(jié)構(gòu)、浮力結(jié)構(gòu)以及安裝海上結(jié)構(gòu)的方法”[13]提出了一種箱式浮體及其安裝的方法，它是傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體的另一種結(jié)構(gòu)形式。中國(guó)海洋石油總公司于2010年公開(kāi)的專(zhuān)利“用于深水作業(yè)的水中鋼結(jié)構(gòu)浮筒的充氣方法及裝置”[14]對(duì)上述傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體的安裝及工作原理給出了較為詳細(xì)地說(shuō)明。

圖1 傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體Fig. 1 Traditional riser-support buoy

在深海大型油氣田開(kāi)發(fā)中，深水立管數(shù)量的增加使得FPSO系統(tǒng)所需的浮筒等水下軟管支撐浮體數(shù)量急劇增加，從而造成水下軟管支撐浮體安裝時(shí)間總量的增加。但水下軟管支撐浮體的安裝操作大多由ROV完成，操作過(guò)程需要有較為穩(wěn)定的外部環(huán)境，而深海區(qū)域一般遠(yuǎn)離海岸，環(huán)境較為惡劣，大量水下軟管支撐浮體的安裝必將面臨高成本和高風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大量的小型水下軟管支撐浮體在水下的運(yùn)動(dòng)及耦合勢(shì)必會(huì)對(duì)FPSO主船體產(chǎn)生較大的影響。因此，隨著FPSO系統(tǒng)逐漸邁向深海，傳統(tǒng)小型水下軟管支撐浮體將無(wú)法滿足當(dāng)前油氣開(kāi)發(fā)的需求。

2 水下軟管支撐浮體的演變

在傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體不能滿足深海油氣資源開(kāi)發(fā)的情況下，新型水下軟管支撐浮體的需求愈發(fā)明顯，在可考察的國(guó)內(nèi)資料中，似乎沒(méi)有出現(xiàn)有關(guān)新型水下軟管支撐浮體的相關(guān)描述。國(guó)外水下軟管支撐浮體的發(fā)展也僅處于起步階段，F(xiàn)athom Oceanology Limited(法藤海洋技術(shù)有限公司)在20世紀(jì)80年代公開(kāi)的專(zhuān)利“Buoyancy System for Large Scale Underwater Risers”(大型水下立管用浮體)[15]提出了一種較為簡(jiǎn)單的大型浮體，這種大型浮體是將多個(gè)傳統(tǒng)浮筒按某種方式連接在一起形成的，其功能仍比較簡(jiǎn)單。ABB Offshore Technology AS(ABB近海技術(shù)有限責(zé)任公司)在1998年公開(kāi)的專(zhuān)利“Buoyancy Device and Method for Using Same”(浮體裝置及使用該裝置的方法)[16]中提出了一種馬鞍形浮體(如圖2所示)，該浮體具備一些簡(jiǎn)單的壓力調(diào)整功能，其幾何形狀也是現(xiàn)代大型浮體的基本雛形。Jose Carlos Lima de Almeida, Ricardo Franciss, Carlos Eduardo Costa Valle Longo 等在2004年公開(kāi)的專(zhuān)利“Subsurface Buoy and Methods of Installing, Tying and Dynamically Stabilizing The Same”[17]中提出了一種前后對(duì)稱(chēng)、左右大小不一、中間挖空(類(lèi)似“回字形”)的大型浮體(如圖3所示)及其安裝方法，這種浮體在幾何形狀上很好地契合了立管在水中的彎曲形態(tài)，使浮體給水下立管提供更好地支撐作用。

圖2 馬鞍形浮體示意Fig. 2 Sketch of saddle buoy

圖3 回字形浮體二維示意Fig. 3 Sketch of homocentric squares buoy

Petroleo Brasileiro SA.-Petrobras(巴西國(guó)家石油公司)于2003年公開(kāi)的專(zhuān)利“Subsurface Buoy and Methods of Installing，Tying and Dynamically Stabilizing the Same”(水下軟管支撐浮體及安裝、鏈系和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定所述水下軟管支撐浮體的方法)[18]便是上述“回字形”浮體的一個(gè)典型例子，并給出了其配套的安裝方法。Technip France(法國(guó)德希尼布公司)于2008年公開(kāi)的專(zhuān)利“Underwater Buoy with Modular Members”(具有模塊構(gòu)件的水下軟管支撐浮體)[19]提出了構(gòu)件模塊化的設(shè)計(jì)理念，為大型水下軟管支撐浮體系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

上述浮體雖然在結(jié)構(gòu)形式上實(shí)現(xiàn)了大型化，然而其簡(jiǎn)單的系統(tǒng)組成并未實(shí)現(xiàn)浮體功能上的大型化。與此同時(shí)，大型水下軟管支撐浮體在深海油氣資源開(kāi)發(fā)中的作用也變得越來(lái)越關(guān)鍵。毫不夸張的說(shuō)，在整個(gè)深海油氣開(kāi)采系統(tǒng)中，大型水下軟管支撐浮體的失效甚至能導(dǎo)致整個(gè)油氣開(kāi)采系統(tǒng)的崩潰，這在注重經(jīng)濟(jì)成本及生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的今天必定是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

基于此，在全世界向深海進(jìn)軍的關(guān)鍵時(shí)期，水下軟管支撐浮體的演變是必然的，演變方向也是相對(duì)明確的。筆者認(rèn)為，未來(lái)水下軟管支撐浮體將具備如下三個(gè)特征：大型化、深海化、生命周期長(zhǎng)久化。

大型化將是未來(lái)水下軟管支撐浮體發(fā)展最為直觀的變化。前面也提到，在一個(gè)油氣開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)浮體較為明顯的一個(gè)缺點(diǎn)便是需求數(shù)量大，造成安裝時(shí)間及成本較大，并且過(guò)多的浮體的運(yùn)動(dòng)及耦合對(duì)FPSO主船體會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這一缺點(diǎn)在進(jìn)入深海后將表現(xiàn)得更加明顯。浮體大型化后，整個(gè)油氣資源開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中可能只需要2～4個(gè)大型水下軟管支撐浮體即可(如圖4所示)，每個(gè)浮體上支撐的立管數(shù)量多達(dá)十幾個(gè)甚至數(shù)十個(gè)。當(dāng)然此處所說(shuō)的大型化也絕非僅僅是幾何形狀上的簡(jiǎn)單增大，浮體在結(jié)構(gòu)上也將更加復(fù)雜，功能更加完善，并會(huì)配有壓載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，大型化的浮體本身便是一個(gè)完整的系統(tǒng)。

深?；撬萝浌苤胃◇w在深海油氣開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中必然會(huì)產(chǎn)生的一個(gè)重要特征，這里的深?；侵杆萝浌苤胃◇w工作水深的增加。由大型浮體工作原理圖不難看出，隨著水深的不斷增加，海底立管到浮體的距離及浮體到FPSO主船體的距離均會(huì)增加。這是因?yàn)楦◇w結(jié)構(gòu)規(guī)模受到一定限制，其相應(yīng)的承受能力不可能無(wú)限增加，這就要求浮體工作水深不可能始終處于較低的水平[20-22]，浮體工作水深的增加也必將對(duì)浮體系統(tǒng)各部分提出更高的要求，這也是深海油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須要解決的技術(shù)難題。

生命周期長(zhǎng)久化是未來(lái)水下軟管支撐浮體的又一重要特征。浮體在大型化、深?；螅瑔蝹€(gè)浮體的設(shè)計(jì)制造成本以及安裝成本將大幅提高，同時(shí)單個(gè)浮體在整個(gè)油氣資源開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的作用又至關(guān)重要，因此浮體服役年限將直接影響著整個(gè)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的開(kāi)采年限和開(kāi)采回報(bào)率。而深海油氣田的開(kāi)發(fā)周期本身較長(zhǎng)，這就要求浮體有較長(zhǎng)的生命周期。另外，浮體服役過(guò)程中均處在較深水域，浮體系統(tǒng)的維護(hù)將異常困難，甚至基本沒(méi)有維修的可能性，也就是說(shuō)浮體長(zhǎng)久的生命周期還是建立在基本免維修的基礎(chǔ)之上。

據(jù)中國(guó)船舶網(wǎng)和中央電視臺(tái)報(bào)道，由武昌造船廠集團(tuán)承制的世界最大型水下立管支撐浮體系統(tǒng)Sapinhoa-Lula NE BSR水下軟管支撐浮體和深海錨座于2013年7月3日在青島建成交付，該浮體是世界迄今為止能同時(shí)支撐多類(lèi)立管的最大型水下軟管支撐浮體(如圖 5所示)，將在水下250 m處工作，可同時(shí)為深海石油開(kāi)采提供多達(dá)11個(gè)剛性立管和13個(gè)柔性立管的支撐，產(chǎn)品主體的長(zhǎng)度、寬度、高度分別達(dá)到52 m、40 m、10 m，總重量達(dá)2 700多噸，每個(gè)浮體身上承擔(dān)著每天10萬(wàn)桶油出產(chǎn)的重?fù)?dān)，并且將在水下工作27年免維護(hù)[23-24]，這一系列數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了深海大型水下軟管支撐浮體大型化、深?；?、生命周期長(zhǎng)久化三個(gè)重要特征。

圖4 大型水下軟管支撐浮體工作原理圖Fig. 4 Working principle of large-scale riser-support platform

圖5 武船生產(chǎn)世界“最大浮體”水下效果圖[23-24]Fig. 5 Renderings of the biggest riser-support platform produced by WS

3 新型水下立管支撐平臺(tái)

從上述水下軟管支撐浮體的發(fā)展與演變可以看出，新型水下軟管支撐浮體已完成了從最初的浮子或浮筒到浮體再到浮體系統(tǒng)的演變，同時(shí)也完成從支撐單支立管的浮體到支撐數(shù)十根立管的大型平臺(tái)的演變，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，功能更加完善。基于上述特點(diǎn)，筆者將新型水下軟管支撐浮體稱(chēng)為新型水下立管支撐平臺(tái)。

由于水下立管支撐平臺(tái)的作用是產(chǎn)生足夠的正浮力以支撐海底立管，所以其重量浮力比是設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的核心問(wèn)題，即在平臺(tái)主尺度相對(duì)確定的情況下，控制立管支撐平臺(tái)的重量非常關(guān)鍵。因此，目前絕大多數(shù)新型立管支撐平臺(tái)均是基于非耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)為非耐壓結(jié)構(gòu)，耐壓能力相當(dāng)有限，平臺(tái)需要在不承受較大壓力的前提下才能安全正常的安裝并投入工作。而深水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FPSO)的立管支撐平臺(tái)工作位置往往又處于深水處，存在很大的水壓，這便是立管支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)的矛盾點(diǎn)所在。欲使非耐壓立管支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)不會(huì)因承受較大的壓力而破壞，就必須讓立管支撐平臺(tái)內(nèi)部存在著和外部水壓相當(dāng)?shù)膲毫Α?/p>

而目前絕大多數(shù)使立管支撐平臺(tái)內(nèi)部產(chǎn)生較大壓強(qiáng)以平衡外部水壓的做法是向其內(nèi)部充氣，即平臺(tái)處于水下任何位置的時(shí)候都通過(guò)充氣的方式增大內(nèi)部壓強(qiáng)，使內(nèi)部壓強(qiáng)與外部水壓相當(dāng)。然而正是由于非耐壓平臺(tái)的這一特點(diǎn)，使得其安裝過(guò)程較為繁雜。

同時(shí)，立管支撐平臺(tái)姿態(tài)在其整個(gè)安裝和服役中必須保持平整，即整個(gè)過(guò)程中的重心、浮心需嚴(yán)格控制，這種控制不僅要體現(xiàn)在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，也要體現(xiàn)在其安裝的各種操作中。

基于上述特點(diǎn)，非耐壓立管支撐平臺(tái)的下水安裝須逐段進(jìn)行，即每下降一段距離，便往平臺(tái)各分艙充氣增大艙內(nèi)壓強(qiáng)，以平衡平臺(tái)外部水壓，同時(shí)進(jìn)行其姿態(tài)的調(diào)整，故非耐壓立管支撐平臺(tái)下水安裝過(guò)程是間斷的。而正是這種間斷安裝過(guò)程，在深海這個(gè)特殊環(huán)境下，使得其安裝風(fēng)險(xiǎn)和成本大幅提高。

同時(shí)，也正是由于立管支撐平臺(tái)的作用是產(chǎn)生足夠的正浮力以支撐海底立管，這一正浮力的大小在平臺(tái)大型化后將變得相當(dāng)可觀。而且，平臺(tái)一旦下水，對(duì)它的任何操作都顯得尤其困難，所以一般平臺(tái)安裝時(shí)的初始狀態(tài)和其在預(yù)定水深處時(shí)的工作狀態(tài)是相同的，即平臺(tái)安裝時(shí)本身就有很大的正浮力，平臺(tái)下水動(dòng)力從何而來(lái)？在如此大外力作用下進(jìn)行安裝對(duì)平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)的要求會(huì)不會(huì)太高？

正是上述這些技術(shù)問(wèn)題的存在和耦合影響，新型立管支撐平臺(tái)的發(fā)展顯得尤其緩慢。從公開(kāi)的國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)利和參考文獻(xiàn)看，近十年來(lái)，新型立管支撐平臺(tái)幾乎沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展更是寥寥無(wú)幾。目前，只有美國(guó)和巴西兩國(guó)有設(shè)計(jì)與建造該浮式平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)，然而他們?cè)O(shè)計(jì)的平臺(tái)多為上述的非耐壓立管支撐平臺(tái)。

4 新型耐壓立管支撐平臺(tái)

從上述背景看，尋求一種下水動(dòng)力要求低、安裝過(guò)程一次性完成、生命周期長(zhǎng)的新型立管支撐平臺(tái)迫在眉睫。今年，武漢武船海洋工程船舶設(shè)計(jì)公司、武昌船舶重工有限責(zé)任公司公開(kāi)的專(zhuān)利“一種水下浮體”[25]提出了立管支撐平臺(tái)耐壓設(shè)計(jì)的理念，為示區(qū)別本文稱(chēng)其為耐壓立管支撐平臺(tái)。它巧妙的在普通非耐壓立管支撐平臺(tái)內(nèi)加入耐壓艙(如圖6所示)，使得整個(gè)平臺(tái)從結(jié)構(gòu)上分為耐壓艙、非耐壓艙以及舾裝件三個(gè)部分。此外，各非耐壓艙設(shè)置通水系統(tǒng)和透氣系統(tǒng)，各耐壓艙設(shè)置充氣閥(如圖7所示)。

圖6 新型耐壓水下立管支撐平臺(tái)整體示意Fig. 6 Sketch of pressure riser-support platform

圖7 耐壓水下立管支撐平臺(tái)非耐壓分艙示意Fig. 7 Sketch of subdivision in pressure riser-support platform

其基本原理是：平臺(tái)下水時(shí)，僅由耐壓艙提供浮力，通過(guò)控制耐壓艙大小使得其提供的浮力與平臺(tái)整體重力基本平衡，從而克服平臺(tái)下水動(dòng)力這一難題；同時(shí)，通過(guò)非耐壓艙的特殊設(shè)計(jì)使得平臺(tái)下水過(guò)程無(wú)須壓力調(diào)整操作，簡(jiǎn)化安裝過(guò)程。具體可解釋如下：

從平臺(tái)承壓上看，耐壓立管支撐平臺(tái)內(nèi)部空間由兩個(gè)部分構(gòu)成，一部分是耐壓艙內(nèi)的空間，另一部分即為平臺(tái)內(nèi)耐壓艙外的空間(即非耐壓艙)。由于耐壓艙本身具有相當(dāng)?shù)某袎耗芰?，可承受比工作水深處水壓更大的?nèi)部氣壓，下水前往耐壓艙內(nèi)充入氣體使得耐壓艙內(nèi)的氣壓和浮體工作水深處的壓力相當(dāng)，隨著浮體下水深度的增加，外界水壓增大，逐漸平衡了耐壓艙內(nèi)部的氣壓，直到到達(dá)預(yù)定水深處，外界水壓和耐壓艙內(nèi)的氣壓基本相當(dāng)，可近似認(rèn)為耐壓艙在預(yù)定水深處基本不受壓。對(duì)于平臺(tái)內(nèi)耐壓艙外這一部分空間而言，由于透氣系統(tǒng)和通水系統(tǒng)的存在，該空間內(nèi)的壓力始終和外界水壓相同，即各分艙艙壁基本上不受壓。綜上所述，平臺(tái)整個(gè)安裝甚至安裝后的工作過(guò)程中，平臺(tái)各結(jié)構(gòu)都能滿足壓力要求，無(wú)須壓力調(diào)整操作。

從平臺(tái)姿態(tài)控制的角度來(lái)看，其在下水過(guò)程中受到浮力和重力的作用，只要保證平臺(tái)的重心和浮心在同一豎直線上即可保證其姿態(tài)平衡[26]。而由于透氣系統(tǒng)和通水系統(tǒng)確保非耐壓艙內(nèi)部空間與外界海水相通，故平臺(tái)在下水過(guò)程中的浮力僅由耐壓艙提供，在設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)控制耐壓艙的大小和安裝位置來(lái)控制整個(gè)平臺(tái)的浮心位置。當(dāng)然，耐壓艙的總空間要滿足一個(gè)要求，即所有耐壓艙提供的浮力之和與平臺(tái)結(jié)構(gòu)的總重力相當(dāng)。而整個(gè)平臺(tái)除耐壓艙外均為固定結(jié)構(gòu)，故整個(gè)平臺(tái)的重心位置也是隨著耐壓艙的大小和安裝位置的確定而確定的。通過(guò)相關(guān)的計(jì)算可以確保各分艙內(nèi)充滿水時(shí)，整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的重心和浮心在同一豎直線上，即可保證在整個(gè)下水過(guò)程中其姿態(tài)始終保持平衡。

平臺(tái)到達(dá)預(yù)定水深后，其正浮力需要平臺(tái)內(nèi)耐壓艙外的那部分空間提供。通過(guò)往各分艙內(nèi)充氣，排出分艙內(nèi)的部分水，使得排出水的重量恰為正浮力大小，這樣平臺(tái)便可提供工作要求的正浮力。

這些巧妙的變化讓耐壓立管支撐平臺(tái)能充分利用耐壓艙的耐壓性能，使得平臺(tái)下水安裝過(guò)程一蹴而就，從而降低了平臺(tái)安裝成本，增強(qiáng)了安裝可控性，同時(shí)又不會(huì)大幅增加平臺(tái)的重量和平臺(tái)建造成本。同時(shí)，由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)整個(gè)安裝及后續(xù)服役過(guò)程基本沒(méi)有壓力作用，可延緩平臺(tái)工作疲勞，延長(zhǎng)平臺(tái)的生命周期。

5 新型耐壓立管支撐平臺(tái)下水安裝方式

立管支撐平臺(tái)下水安裝的過(guò)程是其相關(guān)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心所在，它的設(shè)計(jì)方法和其下水安裝過(guò)程是配套的?；谖墨I(xiàn)[25]中提到的新型耐壓立管支撐平臺(tái)的思考，筆者認(rèn)為耐壓立管支撐平臺(tái)的安裝方法與過(guò)程按照安裝原理大概可以分為兩種。

其一，重力基本等于或略大于浮力。當(dāng)平臺(tái)重力浮力差為零時(shí)，在某個(gè)初速度下浮體會(huì)自由下沉，并在下水阻力的作用下會(huì)慢慢減速。對(duì)其進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析不難知道，下沉到一定深度后，平臺(tái)會(huì)穩(wěn)定在某一水深，而這一水深只與平臺(tái)下水的初速度及平臺(tái)外形相關(guān)。在平臺(tái)外形相對(duì)確定的情況下，平臺(tái)最終穩(wěn)定的位置僅與下水初速度有關(guān)，可以通過(guò)相關(guān)的流體計(jì)算得到初速度與深度間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，只需要通過(guò)控制平臺(tái)下水初速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)位置的控制。若重力略大于浮力，此時(shí)平臺(tái)下水過(guò)程中無(wú)法自己達(dá)到穩(wěn)定，則需借助對(duì)非耐壓艙的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)最后的穩(wěn)定，即在某個(gè)深度時(shí)調(diào)整非耐壓艙的浮力使平臺(tái)總浮力與重力相等，而后則與前述重力浮力差為零的情況相同。按這種方法下水時(shí)，工作船始終拉著平臺(tái)，防止其出現(xiàn)失控的情況。

其二，重力略小于浮力。由于重力與浮力間存在負(fù)差值，則平臺(tái)的下水便需要有牽引力的存在。即需要在海底的張力腿系統(tǒng)提供一定的拉力，使平臺(tái)下沉并到達(dá)指定的水深。同時(shí)可以通過(guò)計(jì)算，分析平臺(tái)下水的最佳速度以及需要牽引系統(tǒng)提供的牽引力的大小。

上述兩種安裝方案的前提不同，安裝的過(guò)程也就不一樣，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案一的安裝過(guò)程更加方便簡(jiǎn)潔，然而存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，平臺(tái)有失控的可能。方案二則正好相反，其安裝過(guò)程會(huì)顯得較為困難，并且操作上也有很多技術(shù)難題，然而其具有更高的安全性，平臺(tái)在安裝過(guò)程中一直處于可控的范圍。考慮到工程可實(shí)施性，筆者更傾向于方案一所述的安裝原理。

總而言之，平臺(tái)要正常安裝和履行職責(zé)，需要精確的計(jì)算給平臺(tái)設(shè)計(jì)做支撐，同時(shí)也需要精確制造做保證，二者缺一不可，這樣才能確保平臺(tái)在遠(yuǎn)離陸地的深海地區(qū)是安全可控的。

6 新型立管支撐平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

基于上述內(nèi)容不難看出，水下軟管支撐浮體發(fā)展演變過(guò)程中，有些關(guān)鍵技術(shù)是貫穿始終的，它們是水下軟管支撐浮體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。也有一部分關(guān)鍵技術(shù)是隨著水下軟管支撐浮體的演變而派生出來(lái)的，這些技術(shù)為水下軟管支撐浮體的演變提供了有力的技術(shù)支撐，在未來(lái)新型立管支撐平臺(tái)的發(fā)展過(guò)程中，上述關(guān)鍵技術(shù)還將進(jìn)一步發(fā)揮重要作用，同時(shí)它們也需要進(jìn)一步的發(fā)展來(lái)滿足未來(lái)深海開(kāi)發(fā)的需要。故在本節(jié)中，筆者將傳統(tǒng)浮體與新型立管支撐平臺(tái)若干關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，分析這些關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其后續(xù)在新型立管支撐平臺(tái)應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)，為后續(xù)立管支撐平臺(tái)的研究設(shè)計(jì)提供思路。

6.1重力(心)、浮力(心)的精確計(jì)算與控制

不論是傳統(tǒng)水下軟管支撐浮體還是新型立管支撐平臺(tái)，重量重心及浮力浮心的計(jì)算與控制均是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先，重量重心及浮力浮心的控制是浮體或平臺(tái)正常履行其職責(zé)的重要前提；另外，重心和浮心的偏移對(duì)浮體平衡位置及姿態(tài)產(chǎn)生較大影響；再者，浮體和平臺(tái)都是錨泊的，都依靠海底的張力腿系統(tǒng)來(lái)控制其平衡位置，張力腿在浮體和平臺(tái)浮力重力不平衡且浮心重心有偏移的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作容易產(chǎn)生疲勞問(wèn)題[27-28]。隨著平臺(tái)的日益大型化、生命周期長(zhǎng)久化，重力(心)及浮力(心)的不平衡會(huì)進(jìn)一步放大對(duì)張力腿系統(tǒng)的影響，重力(心)及浮力(心)的計(jì)算與控制精確性在大型平臺(tái)設(shè)計(jì)中顯得越來(lái)越重要。

重量重心及浮力浮心的計(jì)算是老話題，理論公式也不復(fù)雜。然而，對(duì)于超大型工程實(shí)體而言，想精確了解其重量重心及浮力浮心是不容易的。在工程上對(duì)大型結(jié)構(gòu)物通常采用估算和實(shí)驗(yàn)輔助法，精度較低，國(guó)內(nèi)尚未有對(duì)大型浮體進(jìn)行浮力浮心及重量重心計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)，但有一些針對(duì)其他對(duì)象的類(lèi)似研究，對(duì)大型浮體浮力計(jì)算有一定的指導(dǎo)性。文獻(xiàn)[29]針對(duì)導(dǎo)管架這一對(duì)象，對(duì)其下水過(guò)程的浮力浮心變化進(jìn)行了分析研究，通過(guò)對(duì)導(dǎo)管架各狀態(tài)進(jìn)行圓柱體與水平面的求交計(jì)算，使用解析的方法得到了導(dǎo)管架浮力浮心的精確值。文獻(xiàn)[30]在此基礎(chǔ)之上，將導(dǎo)管架模型分解為四面體單元，分析每個(gè)四面體單元與水平面的相對(duì)關(guān)系，從而計(jì)算得到其浮力和浮心,最終匯總得到整個(gè)導(dǎo)管架的浮力浮心。上述對(duì)導(dǎo)管架的浮力浮心計(jì)算研究和大型浮體浮力浮心計(jì)算有一定的共性，都是求解浮體在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下浮力的變化情況。文獻(xiàn)[31]對(duì)小型水下運(yùn)動(dòng)體的浮力浮心展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究，制定了精確的浮力浮心測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)水下運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)有一定的預(yù)報(bào)作用，然而對(duì)于浮體大型化后該系統(tǒng)精度如何不得而知，還需進(jìn)一步探討。國(guó)外討論水下軟管支撐浮體浮力浮心精確計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)較少，也不具有典型性。

浮體或平臺(tái)的結(jié)構(gòu)精度控制和基于全設(shè)計(jì)的建造過(guò)程的重量控制技術(shù)也是重量重心及浮力浮心控制的重要內(nèi)容，它主要依賴(lài)于精確的工程建造技術(shù)，包括重量控制技術(shù)體系建設(shè)、分段的重量控制技術(shù)、整體重量控制技術(shù)及管理。上述技術(shù)在船舶行業(yè)應(yīng)用雖廣，但精度難以滿足新型立管支撐平臺(tái)建造要求，還需進(jìn)一步研究完善。

6.2基于全線路的立管系統(tǒng)渦振研究

前面說(shuō)到，對(duì)于浮體和平臺(tái)而言，立管是其主要作用結(jié)構(gòu)，立管在水下除重力作用于浮體和平臺(tái)外，還有較強(qiáng)的渦激振動(dòng)作用。特別地，深海采油系統(tǒng)中的平臺(tái)支撐的立管線路更長(zhǎng)，立管數(shù)也更多，渦激振動(dòng)更強(qiáng)。因此展開(kāi)水下立管渦激振動(dòng)的研究有助于精確分析立管支撐平臺(tái)的受載，為平臺(tái)設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。

渦激振動(dòng)是一種典型的流固耦合運(yùn)動(dòng)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)海底立管渦激振動(dòng)的研究較多，多數(shù)研究是基于實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[32]通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)探討了海流作用下立管渦激振動(dòng)特性與機(jī)理，建立了基于離散渦理論的渦振預(yù)報(bào)CFD計(jì)算模型。文獻(xiàn)[33]針對(duì)海底立管特點(diǎn)在深水池中成功的進(jìn)行了大長(zhǎng)比海洋立管渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)[34-36]均是國(guó)內(nèi)近年來(lái)一些類(lèi)似的研究。Chaplin等[37-38]對(duì)比了海底立管11種海流情況下的實(shí)驗(yàn)渦振分析和CFD渦振分析結(jié)果準(zhǔn)確性，對(duì)立管渦振預(yù)報(bào)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。Trim等[39]專(zhuān)門(mén)為海底立管制定了渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)；Willden等[40]對(duì)均勻流下質(zhì)量比為1～3的海底立管渦激振動(dòng)進(jìn)行了振動(dòng)多模態(tài)分析。上述研究雖為立管渦振預(yù)報(bào)提供了一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，但對(duì)于平臺(tái)而言，同時(shí)有大量的立管作用，立管的渦振耦合問(wèn)題非常突出，而目前針對(duì)整個(gè)立管系統(tǒng)的渦振耦合研究還很缺乏。另外，大型立管支撐平臺(tái)有較長(zhǎng)的生命周期要求，渦激振動(dòng)給平臺(tái)帶來(lái)的疲勞問(wèn)題必會(huì)影響其生命周期，如何抑制渦振影響也是一個(gè)值得關(guān)注的話題。

6.3下水安裝仿真技術(shù)

傳統(tǒng)浮體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小，下水安裝相對(duì)容易，實(shí)際工程操作也并不復(fù)雜，使用簡(jiǎn)單的變浮力操作即可實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于大型化的立管支撐平臺(tái)而言，下水安裝過(guò)程難以控制，需對(duì)其進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，為平臺(tái)下水安裝提供指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，這一指導(dǎo)型數(shù)據(jù)包括速度、加速度變化曲線，阻力變化曲線等。大型平臺(tái)下水過(guò)程的水動(dòng)力計(jì)算較為復(fù)雜，目前絕大多數(shù)研究都采用CFD方法，按照離散方法的不同又可將其分為有限差分法、有限元法和有限體積法[41]?？紤]到平臺(tái)的具體情況，運(yùn)用有限體積法進(jìn)行其下水計(jì)算更為適合。有限體積法經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展已有較為成熟的理論，目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)也較為成熟，但鮮有針對(duì)平臺(tái)在復(fù)雜深海環(huán)境下的無(wú)動(dòng)力縱向下水的水動(dòng)力計(jì)算，對(duì)其邊界的處理及定義還缺乏經(jīng)驗(yàn)。

6.4新型耐壓立管支撐平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

基于實(shí)用新型“一種水下浮體”[25]的耐壓設(shè)計(jì)理念，立管支撐平臺(tái)又派生出一些新的研究點(diǎn)。耐壓立管支撐平臺(tái)的核心是耐壓艙，而耐壓艙的支撐問(wèn)題是影響耐壓艙強(qiáng)度進(jìn)而影響其重量的一個(gè)重要因素，尋求耐壓艙新型支撐形式、使用新型材料作為解決這一問(wèn)題的有效途徑還有待研究。另外，為降低耐壓艙重量，一定程度上優(yōu)化平臺(tái)性能，進(jìn)行基于全支撐耐壓艙的優(yōu)化設(shè)計(jì)也非常必要。

7 結(jié) 語(yǔ)

深海油氣資源開(kāi)發(fā)已經(jīng)引起了各界廣泛的關(guān)注，相應(yīng)的深海油氣資源開(kāi)發(fā)技術(shù)亟待發(fā)展，深海立管支撐平臺(tái)作為深海FPSO系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其發(fā)展顯得尤為迫切，如何完成從單個(gè)浮子或浮筒到浮體結(jié)構(gòu)再到新型立管支撐平臺(tái)系統(tǒng)的過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的大型化、深?；⑸芷陂L(zhǎng)久化，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的安全便捷安裝，必將成為近期相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)話題。到目前為止，可借鑒的國(guó)內(nèi)外有關(guān)新型立管支撐平臺(tái)的研究較少，特別是綜述性的工作基本處于空白狀態(tài)。筆者通過(guò)相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期積累，對(duì)深海立管支撐平臺(tái)的研究進(jìn)行了梳理和分析總結(jié)，并從以下三個(gè)方面展開(kāi)內(nèi)容，希望為后續(xù)新型立管支撐平臺(tái)的研究提供一定的參考。

1)回顧了水下軟管支撐浮體的發(fā)展歷程，通過(guò)對(duì)大量相關(guān)的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利及文獻(xiàn)的總結(jié)分析，結(jié)合深海資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，得出了水下軟管支撐浮體大型化、深海化及生命周期長(zhǎng)久化的發(fā)展趨勢(shì)，并由此提出了深海立管支撐平臺(tái)的新概念；

2)重點(diǎn)展開(kāi)了對(duì)深海立管支撐平臺(tái)典型實(shí)例—武漢武船海洋工程船舶設(shè)計(jì)公司、武昌船舶重工有限責(zé)任公司公開(kāi)的專(zhuān)利“一種水下浮體”設(shè)計(jì)原理的分析，并提出了其可能的下水方式；

3)總結(jié)了深海立管支撐平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了新型立管支撐平臺(tái)的發(fā)展中還需進(jìn)一步解決的問(wèn)題，如浮體各姿態(tài)下的浮力浮心精確計(jì)算系統(tǒng)的建立、立管渦振及其耦合對(duì)平臺(tái)的具體影響、平臺(tái)安裝水動(dòng)力分析，下水安裝虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、基于新型耐壓立管支撐平臺(tái)的耐壓艙支撐問(wèn)題、優(yōu)化問(wèn)題等。

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Research on the new deep-sea riser-support platform

PAN Zehua1, ZHAO Yao1, YAN Jun2

(1. Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. CSIC (Wuhan) Marine & Offshore Engineering Co., Ltd., Wuhan 430000, China)

The exploitation of marine resources has extended to the deep sea areas. FPSO system plays an important role in the exploitation. But the marine risers of deep-sea FPSO system are so long that their weight is large and the vortex-induced vibration is strong under the ocean current, which affects the stability, strength and fatigue of the FPSO hull. Thus, the deep-sea FPSO system needs several buoys in the water, which are used to support the marine risers in order to reduce the load on FPSO hull. With the further exploitation of the deep-sea resources, the traditional buoy cannot meet the needs of the exploitation. It is imminent to seek the new buoy, riser-support platform, which is large in scale, applicable in deep sea, and long-life. It is difficult and critical to design an easy and safe installation method for the riser-support platform. This paper mainly describes the development of the buoy. Then the new concept, riser-support platform, is put forward. At last, the paper focuses on the pressure buoy of the new concept, analyzing and summarizing the key technologies related.

deep sea; underwater hoses; buoy; riser-support platform; installation

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.017

趙 耀(1958-)，男，湖北武漢人，教授，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。E-mail: yzhaozzz@hust.edu.cn

1005-9865(2015)06-119-10

2014-08-22

國(guó)家科學(xué)技術(shù)重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05026-006-05)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239007)

潘澤華(1989-)，男，湖北孝感人，碩士生，主要從事海上浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。E-mail: panzh_hust@163.com