深水八角形FDPSO總體性能分析

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(中海油研究總院，北京 100027)

FDPSO是集海上鉆井、原油處理、儲油和卸油為一體的浮式生產系統[1]。傳統的船型FDPSO在水動力性能、造價、儲油效率等方面存在劣勢，為此各種各樣的新概念FDPSO形式應運而生，主要體現在浮體形式的創新和使用功能的擴展兩方面。目前FDPSO的船型可以歸納為7種，不過大部分FDPSO的船型是FPSO船型的擴展。7種FDPSO的船型[2～6]，按照船體形式可劃分為4類：大水線面船體，包括圓形、八角形、圓角倒棱臺形；小水線船體，半潛式，包括多立柱+圓柱、四立柱+旁通；深吃水浮體，碗型；船型。目前在這7類FDPSO船型中，僅船型和圓形FDPSO投入應用，但應用的環境條件與我國南海的環境條件差異較大，不一定能適用于南海。通過對7類FDPSO的船型的對比分析，八角形FDPSO船型除滿足基本功能要求外還有較高的儲油效率，且建造容易、成本低，有良好的經濟性。為此，以八角形船型作為目標船型開展概念設計研究，并進行了總體性能分析。

1 八角形FDPSO總體設計

1.1 基本組成

上部設施包括兩層甲板，主甲板布置鉆井設備、鉆井輔助設備、生活樓。直升機甲板位于生活樓頂上。生活樓的設計依據相應規范執行。

生產甲板，在生產甲板布置有電、熱站、油氣處理設備、水處理設備、公用設施、井流接收設備、火炬、吊機、救生艇、多點系泊設施等。

考慮到艙內已處理的原油外輸，還應布置原油外輸裝置。

浮體內部設置機艙、泵艙、儲油艙、壓載水艙、污水艙、燃油艙、淡水艙和污油水艙，浮體中部設月池進行鉆井作業。總體布置見圖1。

圖1 八角形FDPSO總布置立面示意

1.2 主尺度

八角形FDPSO浮體部分為八角形柱體，考慮到南海惡劣的海洋環境條件，定位方式采用多點系泊。根據原油處理和儲存能力的要求，上部油氣處理設施約重6 000 t；鉆井系統約重3 000 t； FDPSO主要艙容要求：原油艙容應為5萬t原油儲油量。根據八角形FDPSO鉆井、生產和原油儲存的要求，其主尺度和技術參數見表1。

表1 主尺度和技術參數

2 水動力特性分析

FDPSO同時具有鉆井、生產、處理和外輸功能，鉆井和生產作業要求FDPSO具有良好的運動性能，才能保證鉆井和生產作業的安全。 FDPSO的外形、尺度，以及是否增設垂蕩板，對其運動性能有比較大的影響，分析以八角形為對象，通過改變八角形的結構與尺度，研究影響八角形浮體運動性能的因素，為合理確定結構與尺度提供參考。

2.1 八角形FDPSO固有特性分析

八角形浮體原始尺寸：浮體直徑,80 m；高度，40 m；吃水，21 m；浮體上甲板直徑，90 m；垂蕩板直徑，86 m；垂蕩板個數，2個；排水量，110 582 t。為研究其固有特性采用SESAM軟件的WADAM模塊進行頻域分析，計算其運動固有周期。根據八角形FDPSO的概念設計，建立水動力模型，包括濕面模型和質量模型，見圖2。

圖2 濕面模型

為對比垂蕩板直徑對八角形FDPSO固有特性的影響，通過改變垂蕩板尺寸，計算不同垂蕩板尺寸的影響，見表2。

表2 不同垂蕩板尺寸固有周期計算結果

由表2可見，增大垂蕩板尺寸，可以明顯改變浮體的固有周期，八角形浮體水線面積大，穩性好，但垂蕩運動大，難以滿足鉆井、生產的要求，必須使其垂蕩周期避開波浪能量集中的頻帶范圍，以降低其垂蕩運動幅值。

根據表2，當垂蕩板直徑為98 m時，浮體獲得良好的運動性能。另外兩個垂蕩板的效果要優于一個垂蕩板的效果。

在原設計的基礎上，保持浮體艙容不變，改變浮體直徑同樣可以改變浮體的運動性能，見表3。

表3 不同浮體直徑的固有周期計算結果

由表3可見，浮體直徑減小、長度增加，吃水深度增加，其垂蕩周期增加，縱橫搖周期變化明顯，增加幅度較大。

根據以上計算結果，改變浮體直徑對于改變浮體的垂蕩周期沒有太大幫助，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，對于上部結構不利。因此，改善八角形浮體運動性能的主要方式應當是設置合理的垂蕩板直徑。

2.2 八角形FDPSO短期響應計算

根據八角形FDPSO運動特性分析結果，改變垂蕩板尺寸可以明顯改變浮體的固有特性，為了進一步驗證垂蕩板尺度改變所產生的效果，對于原設計和改進設計，按作業狀態和生存狀態分別進行短期響應預報。

原始設計與改進設計的設計參數見表4，作業與生存條件下的環境參數見表5。

表4 原始設計與改進設計的基本參數

表5 環境條件

根據給定的八角形FDPSO原始設計與改進設計的基本參數，考慮兩種裝載狀態進行短期預報，應用SESAM軟件的后處理模塊POSTRESP計算在作業和生存兩種環境條件下浮體的運動短期響應，計算結果見表6。

表6 運動短期預報計算結果

根據表6所示的短期預報結果，原設計在作業和生存工況下運動幅值過大，不能滿足要求。將垂蕩板尺寸加大后，對浮體的運動性能有明顯的改善，在作業工況下能基本滿足作業要求，但生存工況下運動幅值仍然較大，這對外輸立管設計的要求更高。

3 系泊系統設計與分析

八角形FDPSO浮體幾何形狀對稱，系泊系統也成對稱布置，根據其在作業和生存狀態下的定位要求，其系泊系統設計為四組16根(4×4),布置形式見圖3。

圖3 系泊系統布置示意

系泊系統總布置參數如下。纜繩分4組，每組纜繩軸線方向與平臺艏艉向夾角為0°、90°、180°、270°;每組纜繩根數為4根，每組纜繩間的夾角為10°。

為了減輕錨鏈重量，同時又能夠保證足夠的剛度，八角形FDPSO的系泊纜采用“錨鏈．鋼絲纜一錨鏈”的組成形式，表7列出了系泊纜的參數。

表7 單根纜繩結構參數

根據其作業和生存要求，八角形FDPSO采用多點系泊應當滿足的具體要求如下。

1)一年一遇臺風條件下，最大水平偏移量小于5%的作業水深。

2)百年一遇臺風條件下，最大水平偏移量小于10%的作業水深。

3)導纜孔處最大系泊張力：此次報告采用準靜力法進纜繩張力校核，根據API RP 2SK規范，纜繩的最大系泊張力的安全系數在系泊完整工況下大于2.0，一根纜破損時大于1.43。

4)纜繩臥底長度：迎風向纜繩的最小臥底長度大于100 m，背風向纜繩的鋼纜部分不接觸海底泥面。

基于八角形FDPSO作業和生存環境條件，采用Moses軟件進行系泊系統分析，分別校核完整工況和一根錨鏈破損工況，結果見表8～10。

表8 系泊完整工況校核結果(百年一遇臺風條件)

表9 系泊完整工況校核結果(一年一遇臺風條件)

表10 一根纜破損工況校核結果(百年一遇臺風條件)

由計算結果可見，在作業條件下最大水平運動不超過水深的5%，最大系泊張力為7 790 kN，出現于環境載荷沿225°方向入射時，臥底長度與張力安全系數均滿足規范要求。在生存條件下，系泊完整狀態，最大水平運動不超過水深的10%，最大系泊張力為10 440 kN，出現于環境載荷沿270°方向入射時，臥底長度與張力安全系數均滿足規范要求。在生存條件下，系泊破損狀態，最大系泊張力為12 990 kN，張力安全系數滿足規范要求。因此該系泊系統設計是合理的。

4 穩性分析

八角形FDPSO的穩性在概念上與船舶的穩性類似，但由于八角形浮體裝載狀態不同，使用工況復雜，長期錨泊在海上受到各種方向風浪的影響，八角形浮體的穩性同常規船舶相比又有其特殊性。根據實際操作的需要，八角形FDPSO穩性分析主要考慮兩種裝載狀態：濕拖和作業狀態，穩性分析考慮完成穩性和破艙穩性兩種情況，分析采用NAPA軟件。分析參考CCS MODU規范的相關要求，穩性計算結果見表11。

表11 穩性計算結果

根據表11給出的計算結果，八角形FDPSO在兩種工況下的完整穩性和破艙穩性都能滿足規范要求。

5 結論

1)八角形FDPSO總體設計方案的主尺度和技術參數滿足功能需要。

2)設置垂蕩板對改善垂蕩、縱/橫搖周期有明顯效果。根據計算結果，一般選取垂蕩板與浮體直徑比值為1.25左右。

3)改進垂蕩板設計后，八角形FDPSO的垂蕩、縱橫搖運動較小，能滿足鉆井和生產的要求。

4)在作業條件下最大水平運動不超過水深的5%。在生存條件下，系泊完整狀態，最大水平運動不超過水深的10%。在生存條件下，系泊破損狀態，最大系泊張力為12 990 kN，張力安全系數滿足規范要求，系泊系統設計合理。

5)八角形FDPSO在兩種工況下的完整穩性和破艙穩性都能滿足規范要求。

FDPSO研發的關鍵是保證該裝置具有良好的運動性能，FDPSO總體性能改善要綜合考慮，在穩性和運動性能之間要取得平衡，另外垂蕩板的設置要考慮建造、安裝的可行性。本文采用數值分析方法研究了影響其運動性能的各種因素，下一步應通過模型試驗進行驗證分析，提出改進措施。

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