新型圆筒型FPSO运动抑制结构的优化设计_陈维.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 160 新型圆筒型新型圆筒型 FPSO 运动抑制结构的运动抑制结构的 优化设计优化设计 陈 维1，李 清2，栗铭鑫1，陈林烽1，白 旭1，李永正1（1 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212100；2 上海外高桥造船海洋工程有限公司，上海 200131）摘 要：摘 要：针对圆筒型浮式生产储卸油装置（FPSO）垂荡运动性能较差等问题，设计具有通海形式的延伸筒体与减动结构的新型圆筒型 FPSO。通过建立水动力分析模型，对不同运动抑制结构模型的垂荡与纵摇的固有周期和运动响应幅值算子（RAO）进行数值计算，对运动抑制结构型式的延伸筒体和阻尼孔进行优化设计。在时域耦合分析中，结合我国南海环境，通过设计合理的系泊系统，得到新型圆筒型FPSO 的运动的响应历程，并对系泊系统进行安全校核。结果表明，延伸筒体高 15 m、阻尼孔直径 1.0 m为优化后的构型，该构型能节约成本、满足项目设计要求以及南海百年一遇的生存工况。关键词：关键词：新型圆筒型 FPSO；运动抑制结构；延伸筒体；阻尼孔；优化设计 中图分类号：中图分类号：P751 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.24 Optimal Design of New Cylindrical FPSO Motion Suppression Structure CHEN Wei1,LI Qing2,LI Mingxin1,CHEN Linfeng1,BAI Xu1,LI Yongzheng1(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212000,Jiangsu,China;2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co.,Ltd.,Shanghai 200131,China)Abstract:Aiming at the problem of poor heave performance of cylindrical floating production storage and offloading(FPSO),a new cylindrical FPSO with a free-flooding extended cylinder and damping structure is designed.Through the establishment of hydrodynamic model,the natural period and response amplitude operator(RAO)of heave and pitch with different suppression structure models are numerically calculated,and the extended cylinder and damping hole of suppression structure type are optimized.In the time-domain analysis,the environment of the South China Sea is considered.Based on the design of the mooring system,combined with the South China Sea environment,the response history of the new cylindrical FPSO is obtained by designing a reasonable mooring system,and the safety of the mooring system is checked.The results show that the height of the extension cylinder is 15 m and the diameter of the damping hole is 1.0 m,which is the optimized configuration.It can be satisfied with the project design and the requirements of the South China Sea once in a hundred year and save cost.Key words:new cylindrical floating production storage and offloading;motion suppression structure;extension cylinder;damping hole;optimal design 0 引言引言 浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）具有采集、装油和卸油等多种功能，是海上一种高效的浮式生产开采油重要装备。FPSO 具有移动速度快、开采和处理效率高、适应海洋环境能力强等诸多优点，不但能和海面下生产设备配合，还可以与海面上其他生存平台组合1。收稿日期：2022-01-13；修回日期：2022-02-25 作者简介：陈 维（1996），男，硕士研究生。研究方向：海上浮体水动力分析。通信作者：栗铭鑫（1989），男，讲师。研究方向：多浮体水动力分析。陈维等，新型圆筒型 FPSO 运动抑制结构的优化设计 161 根据平台外形，FPSO 可分成船型 FPSO 和以圆筒型为代表的回转体型 FPSO 两大类2，具体包括八角形FPSO3、圆角倒棱台形FPSO4和沙漏式FPSO5等。最早的圆筒型是由挪威的一家公司在2006 年提出概念并完工6。自此大量关于圆筒型 FPSO 的研究开始出现。赵志娟等7提出了一种多筒式 FPSO 的概念设计，通过分析频域响应计算结果，得到了多筒式FPSO 在波浪载荷条件下的响应幅值算子（Response Amplitude Operator,RAO），结果表明新型多筒式FPSO 具有较好的水动力性能。姚宇鑫等8设计了一种具有沙漏式特点的浮体 FPSO，基于三维势流理论得到浮体的水动力参数，分析了非线性刚度和黏性阻尼对沙漏型 FPSO 垂荡振动幅值的影响。相比于船型FPSO，圆筒型FPSO 在运动性能方面具有显著优势，但其垂荡运动性能始终较差。大多数圆筒型 FPSO 垂荡固有周期处于15 s17 s，而浮式生存平台生存工况下的南海海洋环境的谱峰周期就是15 s 作用，因此这类圆筒型 FPSO 垂向方向的运动十分剧烈，从而带来许多问题。当前关于抑制圆筒型 FPSO 垂荡运动较大的问题，许多学者提出的方法是通过加装减动结构，从而增加平台垂向阻尼。黄佳等9提出了一种新型圆筒形FWPSO（带修井功能的FPSO）设计概念，计算分析发现该平台的垂荡运动性能在恶劣的波浪环境中表现较差。童波等10计算了带有不同减动类型结构的圆筒型 FPSO 的阻尼强度，发现能够有效减小这类平台的垂荡运动。白杰等11提出一种具有减低浮式生存平台垂向运动程度构件的圆筒型 FPSO，研究表明相比于传统圆筒型 FPSO，具有增加装置阻尼结构的圆筒型 FPSO，能够较大幅度地增加浮式生存装置纵摇和垂荡的运动固有周期，大幅度抑制平台垂荡运动。赵治民等2研究了带能够增加阻尼的矩形结构和延伸筒体的圆筒型 FPSO，计算并对比了模型是否通海的 2种情况，结果表明通海型 FPSO 垂荡运动得到有效抑制，能够满足南海百年一遇的工况环境。为了解决圆筒型 FPSO 垂荡运动幅值较大的问题，曲志森12提出了带延伸筒体和减动结构的通海新型 FPSO，但没有针对 2 种运动抑制装置进行结构优化。因此，本文针对延伸筒体高度和阻尼孔直径大小，设计不同结构型式，计算对比新型圆筒型 FPSO 的频域运动特性，在频域计算结果的基础上，考虑我国南海环境特点，设计新型圆筒型 FPSO 系泊系统，通过时域耦合分析得到 2 种结构在作业环境和生存环境 2种条件下的运动响应。根据计算结果，结合工程生产的经济性要求，合理优化的减动结构构型具有一定实际工程参考价值。1 新型圆筒型新型圆筒型 FPSO 结构特征及系泊系统结构特征及系泊系统 新型圆筒型 FPSO 的设计思路和结构形式以传统圆筒型 FPSO 为基础，主筒体保留，去除传统圆筒型FPSO 的底部附加阻尼结构，将延伸筒体安装在主筒体的下方，将垂荡减动结构安装在延伸筒体侧边底部一周，得到如图 1 所示的带延伸筒体和垂荡减动结构的形式。图1 新型圆筒型 FPSO 模型示意图 垂荡减动结构的底部和顶部一圈分别设有4 个通海孔（即阻尼孔），上下2 个孔的位置不在同一垂线上，海水可由通海孔进入延伸筒体和外圈的减动结构，延伸筒体底部开4 个通海孔，主筒体顶部开4 个通气孔，便于海水进入延伸筒体，起到增加整体结构附连水质量的作用，增加垂向阻尼。阻尼孔位置见图 1(b)。阻尼孔直径取1.0 m 和 2.0 m，分析延伸筒体高15 m 和延伸筒体高20 m 对平台运动的影响，参数见表1。表1 技术参数 平台几何参数 延伸筒体 20 m 延伸筒体 15 m主筒体直径/m 76.0 76.0 主筒体高度/m 35.0 35.0 减动结构直径/m98.0 98.0 减动结构高度/m10.0 10.0 月池直径/m 12.018.0 12.018.0 阻尼孔直径/m 1.0 1.0,2.0 满载吃水/m 45.0 40.0 质量/kg 1.13108 1.13108 质心/m 40.0 35.2 KXX/m 27.6 27.6 KYY/m 27.6 27.6 KZZ/m 30.4 30.4(a)模型剖面(b)圆筒型 FPSO 海洋工程 162 系泊系统采用底链-聚酯缆-平台链的设计，系泊点和导缆孔的水平距离约为2 232.52 m，系泊缆使用34 的布置方法，共12 根系泊缆，每组系泊缆中心缆之间的夹角为120，1 组中每根系泊缆相距约为2。系泊缆索的布置方式见图2，系泊缆参数见表2。图 2 系泊缆布置图 表 2 系泊缆参数 参数 底链 聚酯缆 平台链锚链公称直径/mm 146 270 146 湿重/(kg/m)370.010.8 370.0 破断强度/MN 18.9 18.2 18.9 轴向刚度/MN 1 810364 1 810 长度/m 180 2 040 180 2 计算理论计算理论 2.1 频域运动方程频域运动方程 在频域范围内分析浮式装置运动时，一般将浮体看作刚体，分析线性规则波下的响应状况，根据牛顿力学第二定理得到运动方程：2aPve()()(,)(,)MMiBBFCC -+|+=|+|X （1）式中：为波浪的入射频率；M 为浮体的转动惯量（质量）系数；Ma()为随波浪入射频率变化而变化的附加转动惯量（附加质量）系数；B()P为随波浪入射频率变化而变化的辐射阻尼系数；Bv为黏性阻尼系数；C为静水恢复力系数；Ce为系泊系统回复力系数；为浪向角；X(,)为1 阶频域响应矩阵；F(,)为1 阶波浪载荷。2.2 响应幅值算子响应幅值算子 RAO 只有消除剧烈的运动响应才能使海上浮式生产平台有较长的服役期。首先计算出 1 阶波浪激励力，再由牛顿第二定律算出各模态下的运动响应幅值算子（RAO）。浮体 RAO 的含义是海上浮体各自由度的运动幅值和其波幅比，表明规则波浪作用下的浮体运动时历特点，通过 RAO 求出浮体 1 阶运动响应的变化规律。RAO 可表述为 RAO()()()RHL=（2）式中：RRAO()为1 阶线性波浪力传递函数；H()为传递函数。