深水新型水下立管支撐平臺研究

潘澤華，趙 耀，嚴 俊

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

深水新型水下立管支撐平臺研究

潘澤華1，趙 耀1，嚴 俊2

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

FPSO系統在深海海洋油氣資源開發中扮演著重要的角色，而深水FPSO系統水下立管管路較長，立管整體重量較大，立管在水流作用下產生的渦激振動也較強，這些將給FPSO主船體帶來嚴重的穩性、強度及疲勞問題。鑒于此，深海FPSO系統在油氣資源開發過程中，須在水下一定深度設置若干水下軟管支撐浮體，用以支撐來自深海海底的管線，減輕深水立管對FPSO的負載作用。隨著深海資源開發的深入發展，傳統水下軟管支撐浮體作為FPSO系統的關鍵裝備已經無法滿足深海開采的需求，尋求大型化、深海化、生命周期長久化的新型水下立管支撐平臺迫在眉睫，設計簡便快捷、低風險的安裝方法成為其開發過程中的重點和難點。詳細描述了水下軟管支撐浮體的產生及其發展歷程，針對深海開發的需求提出了新型立管支撐平臺的新概念，著重對新概念下下水安裝更便捷的耐壓立管支撐平臺設計原理及其下水安裝方式展開了分析，最后對水下軟管支撐浮體和新型立管支撐平臺的關鍵技術進行了總結，并提出了需進一步解決的問題。

深海資源開發；水下軟管；支撐浮體；深海立管；安裝方法

隨著人類社會的全面發展，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，據統計全球44%的油氣資源儲量在深水區域，且勘探程度比較低，油氣開采潛力巨大。在海洋技術的推動下，世界海洋油氣資源開發熱點也逐漸從淺海走向了深海。

具體地，就我國的海洋資源情況而言，我國共擁有300萬平方公里的領海，其中超過一半的面積水深在300米以上。中國南海蘊藏著豐富的油氣資源，石油地質儲量約為230億～300億噸，占我國油氣總資源量的三分之一，必然成為海洋開發的重點，而其中70%蘊藏于500～2 000 m的深海區域。我國目前涉足的油氣開發主要集中在近海。由此可見，發展深海采油技術在我國勢在必行[1-3]。

浮式生產儲卸裝置FPSO(floating production storage and offloading system)作為集生產、儲油、生活、動力于一體的多功能采油設施，在海洋油氣資源開發中有著至關重要的作用，同時也是最有前景的裝備之一。目前，淺水FPSO油氣開發技術已經相對成熟，但對于較深海域，由于自然環境特殊，油氣儲藏條件復雜，風險控制困難，只有少數國家和公司具備相應的技術能力和開發經驗。截至2010年，世界范圍內工作在深水海域的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系統相比，深水FPSO系統水下立管管路較長，在油氣開發過程中，立管整體重量較大，這一較大重量將嚴重影響FPSO主船體的穩性，且不可避免的會給FPSO主船體帶來局部強度問題[4-6]；同時，立管一般為柔性軟管，立管在各層水域流動的影響之下會產生渦激振動[7-8]，深海FPSO系統較長的立管產生的渦激振動將對FPSO主船體產生更大的強度和疲勞問題。鑒于此，在深水油氣資源開發過程中，不能直接將立管連接于水下開采系統和FPSO之間，而必須在水下一定深度設置若干水下軟管支撐浮體，用以支撐來自深海海底的管線，同時承擔立管在洋流中大部分的渦激振動，減輕立管對FPSO的負載作用。

上述水下軟管支撐浮體安裝于水下某個水深處，通過錨鏈與吸力錨連接固定，浮體一側將支撐來自海底的鋼質懸鏈立管和臍帶纜，另一側通過柔性躍式立管與FPSO主船體相連，從而實現深水作業要求。由于水下軟管支撐浮體對深水立管的間接支撐作用，深海FPSO系統的穩性和局部強度得到了一定的保證，深海油氣資源開發成為了可能。隨著深海油氣資源開發的進一步發展，水下軟管支撐浮體不僅成為了深海FPSO系統中必不可少的設備之一，同時在某些鉆井平臺系統中也有了廣泛的應用。然而水下軟管支撐浮體是人類進入深水區域后產生的，其發展時間并不長，國內外公開的相關研究成果較少，大量與之相關的技術難題懸而未決影響了水下軟管支撐浮體的發展進程。

針對水下軟管支撐浮體的研究現狀，將主要從三個層面展開敘述：首先詳細回顧了水下軟管支撐浮體的發展與演變過程，針對深海開發的需求現狀，提出了新型立管支撐平臺的新概念；其次通過展開對深海立管支撐平臺下水安裝方式的研究，提出了耐壓立管支撐平臺的設計理念，簡化了平臺下水安裝過程，并對其設計原理進行了重點分析；最后總結了深海立管支撐平臺的關鍵技術，并對比傳統水下軟管支撐浮體和新型耐壓立管支撐平臺的異同點，提取了兩者共通的關鍵技術和新型立管支撐平臺派生的新技術，并對上述關鍵技術的研究現狀和技術難點進行簡單的分析總結，為后續新型立管支撐平臺的研究提供一定的參考。

1 傳統水下軟管支撐浮體

傳統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)，其結構簡單、功能單一，僅起到支撐管線的作用，無法對管線、錨鏈受力進行實時監控，工作水域環境相對穩定。Kellogg Brown & Root, Inc.(凱洛格布朗及魯特有限公司)于2001年公開的專利“Control Wellhead Buoy”(控制井口頭浮體)[9]，霍頓深水發展系統有限公司于2008年公開的專利“管式浮力罐系統”[10]，上海利策科技有限公司2010年公開的專利“用于與FPSO船體連接的浮子系統”[11]以及大連理工大學2011年公開的專利“一種超深海水下立管支撐裝置”[12]均是傳統水下軟管支撐浮體的典型例子。單點系泊公司于2008年公開的發明專利“海上結構、浮力結構以及安裝海上結構的方法”[13]提出了一種箱式浮體及其安裝的方法，它是傳統水下軟管支撐浮體的另一種結構形式。中國海洋石油總公司于2010年公開的專利“用于深水作業的水中鋼結構浮筒的充氣方法及裝置”[14]對上述傳統水下軟管支撐浮體的安裝及工作原理給出了較為詳細地說明。

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

在深海大型油氣田開發中，深水立管數量的增加使得FPSO系統所需的浮筒等水下軟管支撐浮體數量急劇增加，從而造成水下軟管支撐浮體安裝時間總量的增加。但水下軟管支撐浮體的安裝操作大多由ROV完成，操作過程需要有較為穩定的外部環境，而深海區域一般遠離海岸，環境較為惡劣，大量水下軟管支撐浮體的安裝必將面臨高成本和高風險，同時大量的小型水下軟管支撐浮體在水下的運動及耦合勢必會對FPSO主船體產生較大的影響。因此，隨著FPSO系統逐漸邁向深海，傳統小型水下軟管支撐浮體將無法滿足當前油氣開發的需求。

2 水下軟管支撐浮體的演變

在傳統水下軟管支撐浮體不能滿足深海油氣資源開發的情況下，新型水下軟管支撐浮體的需求愈發明顯，在可考察的國內資料中，似乎沒有出現有關新型水下軟管支撐浮體的相關描述。國外水下軟管支撐浮體的發展也僅處于起步階段，Fathom Oceanology Limited(法藤海洋技術有限公司)在20世紀80年代公開的專利“Buoyancy System for Large Scale Underwater Risers”(大型水下立管用浮體)[15]提出了一種較為簡單的大型浮體，這種大型浮體是將多個傳統浮筒按某種方式連接在一起形成的，其功能仍比較簡單。ABB Offshore Technology AS(ABB近海技術有限責任公司)在1998年公開的專利“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)，該浮體具備一些簡單的壓力調整功能，其幾何形狀也是現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年公開的專利“Subsurface Buoy and Methods of Installing, Tying and Dynamically Stabilizing The Same”[17]中提出了一種前后對稱、左右大小不一、中間挖空(類似“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，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(巴西國家石油公司)于2003年公開的專利“Subsurface Buoy and Methods of Installing，Tying and Dynamically Stabilizing the Same”(水下軟管支撐浮體及安裝、鏈系和動態穩定所述水下軟管支撐浮體的方法)[18]便是上述“回字形”浮體的一個典型例子，并給出了其配套的安裝方法。Technip France(法國德希尼布公司)于2008年公開的專利“Underwater Buoy with Modular Members”(具有模塊構件的水下軟管支撐浮體)[19]提出了構件模塊化的設計理念，為大型水下軟管支撐浮體系統設計奠定了基礎。

上述浮體雖然在結構形式上實現了大型化，然而其簡單的系統組成并未實現浮體功能上的大型化。與此同時，大型水下軟管支撐浮體在深海油氣資源開發中的作用也變得越來越關鍵。毫不夸張的說，在整個深海油氣開采系統中，大型水下軟管支撐浮體的失效甚至能導致整個油氣開采系統的崩潰，這在注重經濟成本及生產風險的今天必定是重點考慮的問題。

基于此，在全世界向深海進軍的關鍵時期，水下軟管支撐浮體的演變是必然的，演變方向也是相對明確的。筆者認為，未來水下軟管支撐浮體將具備如下三個特征：大型化、深海化、生命周期長久化。

大型化將是未來水下軟管支撐浮體發展最為直觀的變化。前面也提到，在一個油氣開發系統中，傳統浮體較為明顯的一個缺點便是需求數量大，造成安裝時間及成本較大，并且過多的浮體的運動及耦合對FPSO主船體會產生較大的影響，這一缺點在進入深海后將表現得更加明顯。浮體大型化后，整個油氣資源開發系統中可能只需要2～4個大型水下軟管支撐浮體即可(如圖4所示)，每個浮體上支撐的立管數量多達十幾個甚至數十個。當然此處所說的大型化也絕非僅僅是幾何形狀上的簡單增大，浮體在結構上也將更加復雜，功能更加完善，并會配有壓載系統、控制系統、監控系統等，大型化的浮體本身便是一個完整的系統。

深海化是水下軟管支撐浮體在深海油氣開發系統中必然會產生的一個重要特征，這里的深海化是指水下軟管支撐浮體工作水深的增加。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主船體的距離均會增加。這是因為浮體結構規模受到一定限制，其相應的承受能力不可能無限增加，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浮體系統各部分提出更高的要求，這也是深海油氣資源開發過程中必須要解決的技術難題。

生命周期長久化是未來水下軟管支撐浮體的又一重要特征。浮體在大型化、深海化后，單個浮體的設計制造成本以及安裝成本將大幅提高，同時單個浮體在整個油氣資源開發系統中的作用又至關重要，因此浮體服役年限將直接影響著整個開發系統的開采年限和開采回報率。而深海油氣田的開發周期本身較長，這就要求浮體有較長的生命周期。另外，浮體服役過程中均處在較深水域，浮體系統的維護將異常困難，甚至基本沒有維修的可能性，也就是說浮體長久的生命周期還是建立在基本免維修的基礎之上。

據中國船舶網和中央電視臺報道，由武昌造船廠集團承制的世界最大型水下立管支撐浮體系統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支撐多類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，可同時為深海石油開采提供多達11個剛性立管和13個柔性立管的支撐，產品主體的長度、寬度、高度分別達到52 m、40 m、10 m，總重量達2 700多噸，每個浮體身上承擔著每天10萬桶油出產的重擔，并且將在水下工作27年免維護[23-24]，這一系列數據也驗證了深海大型水下軟管支撐浮體大型化、深海化、生命周期長久化三個重要特征。

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

從上述水下軟管支撐浮體的發展與演變可以看出，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的演變，同時也完成從支撐單支立管的浮體到支撐數十根立管的大型平臺的演變，結構更加復雜，功能更加完善。基于上述特點，筆者將新型水下軟管支撐浮體稱為新型水下立管支撐平臺。

由于水下立管支撐平臺的作用是產生足夠的正浮力以支撐海底立管，所以其重量浮力比是設計過程中考慮的核心問題，即在平臺主尺度相對確定的情況下，控制立管支撐平臺的重量非常關鍵。因此，目前絕大多數新型立管支撐平臺均是基于非耐壓結構的設計，整個平臺結構為非耐壓結構，耐壓能力相當有限，平臺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。而深水浮式生產儲卸裝置(FPSO)的立管支撐平臺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設計的矛盾點所在。欲使非耐壓立管支撐平臺結構不會因承受較大的壓力而破壞，就必須讓立管支撐平臺內部存在著和外部水壓相當的壓力。

而目前絕大多數使立管支撐平臺內部產生較大壓強以平衡外部水壓的做法是向其內部充氣，即平臺處于水下任何位置的時候都通過充氣的方式增大內部壓強，使內部壓強與外部水壓相當。然而正是由于非耐壓平臺的這一特點，使得其安裝過程較為繁雜。

同時，立管支撐平臺姿態在其整個安裝和服役中必須保持平整，即整個過程中的重心、浮心需嚴格控制，這種控制不僅要體現在其設計過程中，也要體現在其安裝的各種操作中。

基于上述特點，非耐壓立管支撐平臺的下水安裝須逐段進行，即每下降一段距離，便往平臺各分艙充氣增大艙內壓強，以平衡平臺外部水壓，同時進行其姿態的調整，故非耐壓立管支撐平臺下水安裝過程是間斷的。而正是這種間斷安裝過程，在深海這個特殊環境下，使得其安裝風險和成本大幅提高。

同時，也正是由于立管支撐平臺的作用是產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大型化后將變得相當可觀。而且，平臺一旦下水，對它的任何操作都顯得尤其困難，所以一般平臺安裝時的初始狀態和其在預定水深處時的工作狀態是相同的，即平臺安裝時本身就有很大的正浮力，平臺下水動力從何而來？在如此大外力作用下進行安裝對平臺局部結構的要求會不會太高？

正是上述這些技術問題的存在和耦合影響，新型立管支撐平臺的發展顯得尤其緩慢。從公開的國內外相關專利和參考文獻看，近十年來，新型立管支撐平臺幾乎沒有實質性的突破，國內相關技術的發展更是寥寥無幾。目前，只有美國和巴西兩國有設計與建造該浮式平臺的經驗，然而他們設計的平臺多為上述的非耐壓立管支撐平臺。

4 新型耐壓立管支撐平臺

從上述背景看，尋求一種下水動力要求低、安裝過程一次性完成、生命周期長的新型立管支撐平臺迫在眉睫。今年，武漢武船海洋工程船舶設計公司、武昌船舶重工有限責任公司公開的專利“一種水下浮體”[25]提出了立管支撐平臺耐壓設計的理念，為示區別本文稱其為耐壓立管支撐平臺。它巧妙的在普通非耐壓立管支撐平臺內加入耐壓艙(如圖6所示)，使得整個平臺從結構上分為耐壓艙、非耐壓艙以及舾裝件三個部分。此外，各非耐壓艙設置通水系統和透氣系統，各耐壓艙設置充氣閥(如圖7所示)。

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

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

其基本原理是：平臺下水時，僅由耐壓艙提供浮力，通過控制耐壓艙大小使得其提供的浮力與平臺整體重力基本平衡，從而克服平臺下水動力這一難題；同時，通過非耐壓艙的特殊設計使得平臺下水過程無須壓力調整操作，簡化安裝過程。具體可解釋如下：

從平臺承壓上看，耐壓立管支撐平臺內部空間由兩個部分構成，一部分是耐壓艙內的空間，另一部分即為平臺內耐壓艙外的空間(即非耐壓艙)。由于耐壓艙本身具有相當的承壓能力，可承受比工作水深處水壓更大的內部氣壓，下水前往耐壓艙內充入氣體使得耐壓艙內的氣壓和浮體工作水深處的壓力相當，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部的氣壓，直到到達預定水深處，外界水壓和耐壓艙內的氣壓基本相當，可近似認為耐壓艙在預定水深處基本不受壓。對于平臺內耐壓艙外這一部分空間而言，由于透氣系統和通水系統的存在，該空間內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，平臺整個安裝甚至安裝后的工作過程中，平臺各結構都能滿足壓力要求，無須壓力調整操作。

從平臺姿態控制的角度來看，其在下水過程中受到浮力和重力的作用，只要保證平臺的重心和浮心在同一豎直線上即可保證其姿態平衡[26]。而由于透氣系統和通水系統確保非耐壓艙內部空間與外界海水相通，故平臺在下水過程中的浮力僅由耐壓艙提供，在設計時可通過控制耐壓艙的大小和安裝位置來控制整個平臺的浮心位置。當然，耐壓艙的總空間要滿足一個要求，即所有耐壓艙提供的浮力之和與平臺結構的總重力相當。而整個平臺除耐壓艙外均為固定結構，故整個平臺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。通過相關的計算可以確保各分艙內充滿水時，整個平臺系統的重心和浮心在同一豎直線上，即可保證在整個下水過程中其姿態始終保持平衡。

平臺到達預定水深后，其正浮力需要平臺內耐壓艙外的那部分空間提供。通過往各分艙內充氣，排出分艙內的部分水，使得排出水的重量恰為正浮力大小，這樣平臺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能充分利用耐壓艙的耐壓性能，使得平臺下水安裝過程一蹴而就，從而降低了平臺安裝成本，增強了安裝可控性，同時又不會大幅增加平臺的重量和平臺建造成本。同時，由于平臺結構整個安裝及后續服役過程基本沒有壓力作用，可延緩平臺工作疲勞，延長平臺的生命周期。

5 新型耐壓立管支撐平臺下水安裝方式

立管支撐平臺下水安裝的過程是其相關技術的重點和難點，同時也是平臺設計的核心所在，它的設計方法和其下水安裝過程是配套的。基于文獻[25]中提到的新型耐壓立管支撐平臺的思考，筆者認為耐壓立管支撐平臺的安裝方法與過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。當平臺重力浮力差為零時，在某個初速度下浮體會自由下沉，并在下水阻力的作用下會慢慢減速。對其進行力學和運動學的分析不難知道，下沉到一定深度后，平臺會穩定在某一水深，而這一水深只與平臺下水的初速度及平臺外形相關。在平臺外形相對確定的情況下，平臺最終穩定的位置僅與下水初速度有關，可以通過相關的流體計算得到初速度與深度間的關系。在此基礎之上，只需要通過控制平臺下水初速度來實現對平臺位置的控制。若重力略大于浮力，此時平臺下水過程中無法自己達到穩定，則需借助對非耐壓艙的操作來實現平臺最后的穩定，即在某個深度時調整非耐壓艙的浮力使平臺總浮力與重力相等，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，工作船始終拉著平臺，防止其出現失控的情況。

其二，重力略小于浮力。由于重力與浮力間存在負差值，則平臺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提供一定的拉力，使平臺下沉并到達指定的水深。同時可以通過計算，分析平臺下水的最佳速度以及需要牽引系統提供的牽引力的大小。

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

總而言之，平臺要正常安裝和履行職責，需要精確的計算給平臺設計做支撐，同時也需要精確制造做保證，二者缺一不可，這樣才能確保平臺在遠離陸地的深海地區是安全可控的。

6 新型立管支撐平臺關鍵技術

基于上述內容不難看出，水下軟管支撐浮體發展演變過程中，有些關鍵技術是貫穿始終的，它們是水下軟管支撐浮體設計的基礎。也有一部分關鍵技術是隨著水下軟管支撐浮體的演變而派生出來的，這些技術為水下軟管支撐浮體的演變提供了有力的技術支撐，在未來新型立管支撐平臺的發展過程中，上述關鍵技術還將進一步發揮重要作用，同時它們也需要進一步的發展來滿足未來深海開發的需要。故在本節中，筆者將傳統浮體與新型立管支撐平臺若干關鍵技術的進行對比總結，分析這些關鍵技術的研究現狀及其后續在新型立管支撐平臺應用中的發展趨勢，為后續立管支撐平臺的研究設計提供思路。

6.1重力(心)、浮力(心)的精確計算與控制

不論是傳統水下軟管支撐浮體還是新型立管支撐平臺，重量重心及浮力浮心的計算與控制均是設計的重點。首先，重量重心及浮力浮心的控制是浮體或平臺正常履行其職責的重要前提；另外，重心和浮心的偏移對浮體平衡位置及姿態產生較大影響；再者，浮體和平臺都是錨泊的，都依靠海底的張力腿系統來控制其平衡位置，張力腿在浮體和平臺浮力重力不平衡且浮心重心有偏移的情況下長時間工作容易產生疲勞問題[27-28]。隨著平臺的日益大型化、生命周期長久化，重力(心)及浮力(心)的不平衡會進一步放大對張力腿系統的影響，重力(心)及浮力(心)的計算與控制精確性在大型平臺設計中顯得越來越重要。

重量重心及浮力浮心的計算是老話題，理論公式也不復雜。然而，對于超大型工程實體而言，想精確了解其重量重心及浮力浮心是不容易的。在工程上對大型結構物通常采用估算和實驗輔助法，精度較低，國內尚未有對大型浮體進行浮力浮心及重量重心計算的相關文獻，但有一些針對其他對象的類似研究，對大型浮體浮力計算有一定的指導性。文獻[29]針對導管架這一對象，對其下水過程的浮力浮心變化進行了分析研究，通過對導管架各狀態進行圓柱體與水平面的求交計算，使用解析的方法得到了導管架浮力浮心的精確值。文獻[30]在此基礎之上，將導管架模型分解為四面體單元，分析每個四面體單元與水平面的相對關系，從而計算得到其浮力和浮心,最終匯總得到整個導管架的浮力浮心。上述對導管架的浮力浮心計算研究和大型浮體浮力浮心計算有一定的共性，都是求解浮體在運動狀態下浮力的變化情況。文獻[31]對小型水下運動體的浮力浮心展開了實驗研究，制定了精確的浮力浮心測量系統，對水下運動體的運動有一定的預報作用，然而對于浮體大型化后該系統精度如何不得而知，還需進一步探討。國外討論水下軟管支撐浮體浮力浮心精確計算的相關文獻較少，也不具有典型性。

浮體或平臺的結構精度控制和基于全設計的建造過程的重量控制技術也是重量重心及浮力浮心控制的重要內容，它主要依賴于精確的工程建造技術，包括重量控制技術體系建設、分段的重量控制技術、整體重量控制技術及管理。上述技術在船舶行業應用雖廣，但精度難以滿足新型立管支撐平臺建造要求，還需進一步研究完善。

6.2基于全線路的立管系統渦振研究

前面說到，對于浮體和平臺而言，立管是其主要作用結構，立管在水下除重力作用于浮體和平臺外，還有較強的渦激振動作用。特別地，深海采油系統中的平臺支撐的立管線路更長，立管數也更多，渦激振動更強。因此展開水下立管渦激振動的研究有助于精確分析立管支撐平臺的受載，為平臺設計提供有力依據。

渦激振動是一種典型的流固耦合運動，目前國內外對海底立管渦激振動的研究較多，多數研究是基于實驗分析和數值模擬。文獻[32]通過物理模型實驗探討了海流作用下立管渦激振動特性與機理，建立了基于離散渦理論的渦振預報CFD計算模型。文獻[33]針對海底立管特點在深水池中成功的進行了大長比海洋立管渦激振動模型實驗，文獻[34-36]均是國內近年來一些類似的研究。Chaplin等[37-38]對比了海底立管11種海流情況下的實驗渦振分析和CFD渦振分析結果準確性，對立管渦振預報有較強的指導意義。Trim等[39]專門為海底立管制定了渦激振動實驗測試系統；Willden等[40]對均勻流下質量比為1～3的海底立管渦激振動進行了振動多模態分析。上述研究雖為立管渦振預報提供了一定的理論基礎和技術支撐，但對于平臺而言，同時有大量的立管作用，立管的渦振耦合問題非常突出，而目前針對整個立管系統的渦振耦合研究還很缺乏。另外，大型立管支撐平臺有較長的生命周期要求，渦激振動給平臺帶來的疲勞問題必會影響其生命周期，如何抑制渦振影響也是一個值得關注的話題。

6.3下水安裝仿真技術

傳統浮體結構簡單，尺寸較小，下水安裝相對容易，實際工程操作也并不復雜，使用簡單的變浮力操作即可實現。而對于大型化的立管支撐平臺而言，下水安裝過程難以控制，需對其進行水動力計算，為平臺下水安裝提供指導性數據，這一指導型數據包括速度、加速度變化曲線，阻力變化曲線等。大型平臺下水過程的水動力計算較為復雜，目前絕大多數研究都采用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]。考慮到平臺的具體情況，運用有限體積法進行其下水計算更為適合。有限體積法經過長時間的發展已有較為成熟的理論，目前國內的相關技術也較為成熟，但鮮有針對平臺在復雜深海環境下的無動力縱向下水的水動力計算，對其邊界的處理及定義還缺乏經驗。

6.4新型耐壓立管支撐平臺關鍵技術

基于實用新型“一種水下浮體”[25]的耐壓設計理念，立管支撐平臺又派生出一些新的研究點。耐壓立管支撐平臺的核心是耐壓艙，而耐壓艙的支撐問題是影響耐壓艙強度進而影響其重量的一個重要因素，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，一定程度上優化平臺性能，進行基于全支撐耐壓艙的優化設計也非常必要。

7 結 語

深海油氣資源開發已經引起了各界廣泛的關注，相應的深海油氣資源開發技術亟待發展，深海立管支撐平臺作為深海FPSO系統的關鍵設備，其發展顯得尤為迫切，如何完成從單個浮子或浮筒到浮體結構再到新型立管支撐平臺系統的過渡，實現平臺的大型化、深海化、生命周期長久化，實現平臺的安全便捷安裝，必將成為近期相關領域研究的熱點話題。到目前為止，可借鑒的國內外有關新型立管支撐平臺的研究較少，特別是綜述性的工作基本處于空白狀態。筆者通過相關項目經驗的長期積累，對深海立管支撐平臺的研究進行了梳理和分析總結，并從以下三個方面展開內容，希望為后續新型立管支撐平臺的研究提供一定的參考。

1)回顧了水下軟管支撐浮體的發展歷程，通過對大量相關的國內外專利及文獻的總結分析，結合深海資源開發現狀，得出了水下軟管支撐浮體大型化、深海化及生命周期長久化的發展趨勢，并由此提出了深海立管支撐平臺的新概念；

2)重點展開了對深海立管支撐平臺典型實例—武漢武船海洋工程船舶設計公司、武昌船舶重工有限責任公司公開的專利“一種水下浮體”設計原理的分析，并提出了其可能的下水方式；

3)總結了深海立管支撐平臺的關鍵技術，并提出了新型立管支撐平臺的發展中還需進一步解決的問題，如浮體各姿態下的浮力浮心精確計算系統的建立、立管渦振及其耦合對平臺的具體影響、平臺安裝水動力分析，下水安裝虛擬現實技術、基于新型耐壓立管支撐平臺的耐壓艙支撐問題、優化問題等。

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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構靜動態響應研究。E-mail: yzhaozzz@hust.edu.cn

1005-9865(2015)06-119-10

2014-08-22

國家科學技術重大專項資助項目(2011ZX05026-006-05)；國家自然科學基金重點項目(51239007)

潘澤華(1989-)，男，湖北孝感人，碩士生，主要從事海上浮式平臺結構設計與分析。E-mail: panzh_hust@163.com