圓筒型FPSO 在波浪中運動響應特性研究

李 剛 李 達 王朝陽 易 叢 賈魯生

（中海油研究總院有限責任公司 北京 100028）

0 引 言

浮式生產儲卸油裝置（FPSO）作為海洋油氣田開發(fā)的重要裝備，尤其是對于離岸較遠、周邊缺少管網依托的油田，往往成為海上油田開發(fā)的一種經濟有效模式。我國從上世紀80 年代開始在南海北部灣首次采用由舊油輪改造而成的FPSO，1989年首艘自主設計建造的FPSO“渤海友誼號”在渤海油田投入使用。經過三十多年的發(fā)展，我國FPSO 整體技術已達到世界領先水平，并已成為全球FPSO 制造與使用大國。我國在南海和渤海的油田開發(fā)中已投入使用了20 艘FPSO，FPSO 載重量包括5 萬噸級、10 萬噸級、15 萬噸級以及30萬噸級。我國所擁有的FPSO 數量和總噸位均位居世界前列，FPSO 對支撐我國海上油田產能建設、保障我國的能源供應作出了重要的貢獻。

目前，我國海上油田開發(fā)所使用的FPSO 均為船型FPSO，船型FPSO 通常需要采用單點系泊系統(tǒng)使其長期系泊定位在油田附近海域。單點系泊系統(tǒng)可使FPSO 具有“風向標”效應，允許FPSO 在風浪流作用下繞單點系泊系統(tǒng)自由旋轉，使FPSO始終承受最小的環(huán)境載荷。此外，單點系泊系統(tǒng)還發(fā)揮傳輸井流、電力和通訊等作用。單點系泊系統(tǒng)是船型FPSO 的核心組成部分，其技術長期被歐美國家的單點公司所壟斷，整體投資高昂、供貨周期較長，導致船型FPSO 的整體工程投資很高。同時，船型FPSO 對環(huán)境條件較為敏感，運動響應（尤其是垂蕩運動性能）相對其他浮式裝置差，應用于深水油氣田開發(fā)會給回接至FPSO 上的立管設計和應用帶來較大的挑戰(zhàn)。

近年來，圓筒型FPSO 作為一種新型海洋工程裝置，逐漸被應用于全球海洋油氣資源的開發(fā)。2007 年，全球首座圓筒型FPSO“Sevan Piranema”在巴西投產使用。目前，全球已有5 座圓筒型FPSO 分別在巴西、英國北海和挪威北海投入使用，作業(yè)水深從100 m 到1 000 m 左右。與傳統(tǒng)船型FPSO 類似，圓筒型FPSO 同樣具有油氣水生產處理、儲油、外輸及生活居住等多種功能，但其圓柱型船體為對稱結構型式，采用多點系泊系統(tǒng)進行定位，很少采用造價較為高昂的單點系泊系統(tǒng)。圓筒型FPSO 在船體底部采用比船體直徑更大的阻尼板，以增加附加質量和阻尼，改善其運動性能。

在圓筒型FPSO 運動性能預報方面，黃佳等通過水池模型試驗對圓筒型FWPSO 的縱搖和垂蕩運動性能進行了研究，并將圓筒型FPSO 運動響應的數值預報結果與模型試驗結果進行對比分析；童波等采用CFD 方法對不同阻尼結構的圓筒型FPSO 垂蕩運動性能進行了研究，驗證新型阻尼結構的阻尼性能優(yōu)于傳統(tǒng)垂蕩板；劉波基于三維勢流理論對幾種典型浮式結構物在南海環(huán)境條件下的運動性能進行了對比研究，證實了圓筒型FWPSO 在中國南海的適用性；AARSNES J V 等和VIDEC-PERUNOVIC J 等通過研究驗證了圓筒型FPSO 的運動性能可適應鋼懸鏈立管（SCR）在深水油田的應用。

本文以中國南海某深水油氣田開發(fā)為研究對象，采用深吃水的圓筒型FPSO 改善其運動性能，以在該油氣田的開發(fā)中適應鋼懸鏈立管的設計和應用需求，降低立管的工程投資。此研究將基于三維勢流理論和莫里森（Morison）方程，采用Sesam系列軟件建立圓筒型FPSO 水動力計算模型，并進行水動力計算，研究分析圓筒型FPSO 的船體直徑、阻尼板直徑、吃水等變化對其運動性能的影響，為深水油氣田開發(fā)前期研究設計中浮式裝置總體設計和立管的選型提供參考和指導。

1 計算分析原理和方法

本文所研究的圓筒型FPSO 船體及阻尼板相當于大尺度結構物，采用三維勢流理論計算其所受的繞射力和慣性力等作用。阻尼板的黏性阻尼貢獻需采用莫里森模型求解。通過建立基于三維勢流理論的面元模型與莫里森模型組合成的混合模型可以較好地解決此類結構物的水動力分析問題。本文研究首先分別建立圓筒型FPSO 的面元模型和阻尼板的莫里森模型，然后組合成水動力分析混合模型，再進行水動力計算，最后進行運動響應計算結果的后處理。計算分析流程如圖1 所示。

圖1 圓筒型FPSO 水動力計算流程

2 計算模型與環(huán)境數據

2.1 有限元模型

采用面單元模型計算基于三維勢流理論的動壓力、附加質量和阻尼。在Sesam-GeniE 中建立圓筒型FPSO 的幾何模型和濕表面有限元模型如圖2 所示。圓筒型FPSO 有限元模型全部采用四邊形網格，網格尺寸約2 m，整個模型網格節(jié)點數量約 8 161 個，單元數量約8 100 個。船體外表面設置由流體指向船體表面的靜水壓力面，即濕表面。

圖2 圓筒型FPSO 船體面元模型

本文采用莫里森模型計算阻尼板的拖曳力，在Sesam-Genie 軟件中采用桿單元建立二維莫里森模型，建模時為了防止莫里森模型的浮力及F-K力（傅汝德-克雷洛夫力）對水動力分析結果的影響，莫里森模型的直徑必須很小（Re~10）。本文中莫里森模型的直徑為0.01 m，整個莫里森模型的單元和節(jié)點數均為158 個，如圖3 所示。

圖3 阻尼板莫里森有限元模型

2.2 水動力分析模型

水動力計算時，將圓筒型FPSO 船體面元有限元模型和阻尼板莫里森有限元模型導入Sesam 的HydroD 軟件中，設置環(huán)境參數、莫里森模型的附加質量系數和阻尼系數以及質量模型等。水動力計算分析模型如圖4 所示。

圖4 圓筒型FPSO 水動力分析模型

2.3 環(huán)境條件數據

水動力計算時，浪向角取0~180°、間隔15°，共13 個浪向。波浪周期取2~40 s，其中：2~10 s 間隔1 s、10~24 s 間隔0.5 s、24~40 s 間隔2 s，共45個波浪周期。水深為1 450 m。采用JONSWAP 譜定義不規(guī)則波，其譜密度函數表達式為：

考慮到黏性阻尼的非線性作用將導致不同海況下的RAO 不同，而且這種影響對圓筒型FPSO 的垂蕩運動尤為明顯，因此本文中將分別對圓筒型FPSO在一年一遇、十年一遇、百年一遇以及千年一遇環(huán)境條件數據下的運動響應進行分析。南海某深水油氣田海域的波浪主極值數據見表1。

表1 波浪主極值數據

3 圓筒型FPSO 與船型FPSO 運動響應對比分析

為本文選取南海載重量相近的船型FPSO 和圓筒型FPSO 進行運動響應的對比分析，船型FPSO與圓筒型FPSO 主尺度如表2 所示。

表2 船型FPSO 和圓筒型FPSO 主尺度參數

通過計算分析得圓筒型FPSO 與船型FPSO 縱搖、橫搖和垂蕩運動RAO 對比曲線分別如圖5 和圖6 所示，運動幅值與固有周期對比見下頁表3。

表3 船型FPSO 和圓筒型FPSO 運動RAO幅值與固有周期對比

圖5 圓筒型FPSO 與船型FPSO 橫/縱搖運動RAO 對比曲線

圖6 圓筒型FPSO 與船型FPSO 垂蕩運動RAO 對比曲線

從圖5~6 及表3 中可以看出，圓筒型FPSO 橫搖/縱搖運動RAO 幅值要比傳統(tǒng)船型FPSO 的RAO幅值小很多，運動固有周期更大，更有利于提高FPSO 船體使用壽命。圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO幅值同樣比船型FPSO 垂蕩運動RAO 幅值小，而且圓筒型FPSO 垂蕩固有周期要比船型FPSO 大，更有利于深水立管的設計。

4 圓筒型FPSO 垂蕩運動響應敏感性分析

考慮到圓筒型FPSO 的垂蕩運動響應對其能否在深水油氣田中應用SCR 至關重要，本文將主要對船體直徑、吃水、阻尼板直徑等對圓筒型FPSO垂蕩運動響應的影響進行分析。

4.1 船體直徑影響分析

選取船體直徑不同的4 種尺度圓筒型FPSO分別進行水動力計算，以研究船體直徑對圓筒型FPSO 垂蕩運動性能的影響，圓筒型FPSO 的主尺度如表4 所示。

表4 不同圓筒型FPSO 主尺度參數m

不同船體直徑圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線如圖7 所示。對比圖中曲線可知，隨著船體直徑的不斷增大，船體垂蕩固有周期逐漸增加，可更好地與波浪周期錯開，且垂蕩運動性能逐漸得到改善。

圖7 不同船體直徑圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線

4.2 阻尼板直徑影響分析

基于76 m 船體直徑的圓筒型FPSO，分別對阻尼板直徑為110 m、112 m和114 m的圓筒型FPSO進行水動力計算，得到不同阻尼板直徑下的圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線如圖8 所示，垂蕩運動周期如表5 所示。

圖8 不同阻尼板直徑圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線

表5 不同阻尼板直徑圓筒型FPSO 垂蕩運動固有周期

從圖8 和表5 可以看出：隨著圓筒型FPSO 阻尼板直徑的增加，船體垂蕩運動RAO 最大幅值變化不大，但垂蕩運動固有周期隨著阻尼板直徑的增加逐漸增大，可更好地避開波浪周期，更有利于SCR 的強度設計。然而，隨著阻尼板直徑的增加，靠近波浪譜峰周期附近的運動幅值也有微幅增加，不利于SCR 的疲勞設計。

4.3 船體吃水影響

針對船體直徑為76 m、阻尼板直徑為114 m的圓筒型FPSO，分別對其船體吃水為25 m、30 m、35 m 時進行水動力計算，得到不同吃水下的圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線如圖9 所示。

圖9 不同吃水圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線

從圖9 可以看出，隨著圓筒型FPSO 吃水從 25 m 增加至35 m，垂蕩運動固有周期增加幅度很小，但在波浪譜峰周期（T=16.3 s）附近的RAO幅值會降低，有利于改善SCR 的疲勞性能。

4.4 環(huán)境條件重現期影響

針對南海某深水油氣田項目圓筒型FPSO 的主尺度，對其在一年一遇、十年一遇、百年一遇和千年一遇環(huán)境條件下的運動性能進行分析，得到圓筒型FPSO 的縱蕩/橫蕩、縱搖/橫搖、垂蕩運動RAO 曲線分別如圖10~12 所示。

從圖10~12可以看出：不同重現期環(huán)境條件下，圓筒型FPSO 縱蕩/橫蕩和縱搖/橫搖運動的RAO幾乎相同，但由于黏性阻尼的非線性作用而導致垂蕩運動RAO 曲線差異較大，垂向運動幅值隨著重現期增加而減小。

圖10 圓筒型FPSO 縱蕩/橫蕩運動RAO 曲線

圖11 圓筒型FPSO 縱搖/橫搖運動RAO 曲線

圖12 圓筒型FPSO 垂蕩運動RAO 曲線

5 結 論

本文基于三維勢流理論及莫里森方程，采用Sesam 系列軟件對圓筒型FPSO 進行水動力分析，并針對南海某深水油氣田開發(fā)項目，對圓筒型FPSO 在波浪中的運動響應特性進行了系統(tǒng)分析，得出主要結論如下：

（1）相比于相近載重量的船型FPSO，深吃水圓筒型FPSO 的垂蕩運動響應小，固有周期遠離波浪主要能量范圍，更有利于在深水油氣田開發(fā)中應用鋼懸鏈立管（SCR）。

（2）圓筒型FPSO 船體直徑增大，垂蕩運動固有周期隨之增加，可更好地與波浪譜峰周期錯開，使其垂蕩運動性能逐漸得到改善。

（3）圓筒型FPSO 阻尼板直徑增大，垂蕩運動固有周期將隨之增加，有利于SCR 的強度設計，但對SCR 的疲勞設計會產生一定不利影響。

（4）增加圓筒型FPSO 的吃水，垂蕩運動固有周期增加幅度很小，但在波浪譜峰周期附近的垂蕩運動幅值會降低，有利于改善SCR 的疲勞。

（5）黏性阻尼的非線性作用導致圓筒型FPSO垂向運動RAO 幅值隨著環(huán)境條件重現期增加而減小。