不同阻尼板形式对圆筒型FPSO平台运动性能的影响_李晨.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 151 不同阻尼板形式对圆筒型不同阻尼板形式对圆筒型 FPSO 平台平台 运动性能的影响运动性能的影响 李 晨1,2，李 欣1,2，田新亮1,2，郭孝先1,2，张显涛1,2，卢文月1,2（1上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2上海交通大学 三亚崖州湾深海科技研究院，海南三亚 572000）摘 要摘 要：针对圆筒型浮式生产储卸油装置（FPSO）运动响应进行优化，提出带有 2 种新型垂荡抑制结构的圆筒型FPSO，即上扬边锋型圆筒 FPSO 和锯齿型圆筒 FPSO。通过频域分析获得 2 种新型结构的幅频响应函数，初步对比判断 2 种新型结构运动性能的优劣，在此基础上，设计新型圆筒 FPSO 系泊系统并进行时域耦合分析，将计算结果与试验数据进行对比验证，在证实数值模拟准确性的同时分析新型结构的阻尼特性，得到较优的垂荡抑制结构形式。结果显示，所述的锯齿型垂荡抑制结构可有效减小纵荡和纵摇的运动幅值及幅值发生概率，降低纵荡和纵摇运动能量产生，改善整体运动性能。关键词：关键词：圆筒型 FPSO；阻尼板形式；运动性能；频域计算；时域耦合分析 中图分类号：中图分类号：U663.7 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.23 Motion Characteristics of Cylindrical FPSO Platform Affected by Different Damping Plate Forms LI Chen1,2,LI Xin1,2,TIAN Xinliang1,2,GUO Xiaoxian1,2,ZHANG Xiantao1,2,LU Wenyue1,2(1.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.SJTU Yazhou Bay Institute of Deepsea SCI-TECH,Sanya 572000,Hainan,China)Abstract:In order to optimize the motion response of cylindrical floating production storage and offloading(FPSO),2 new types of cylindrical FPSO with heave suppression structures are proposed which are wrapped edge cylindrical FPSO and sawtooth cylindrical FPSO.Through frequency domain analysis,the RAOs of the 2 new structures are obtained in order to preliminarily obtain the advantages and disadvantages of the 2 new structures.On this basis,for the sake of verifying the accuracy of numerical simulation and analyzing the damping characteristics of the new structure,a new cylinder FPSO mooring system is designed for time-domain coupling analysis to compare the calculation results with the experimental data.The better heave suppression structure form is obtained.The results show that:during surge and pitch motion,the sawtooth structure can effectively reduce the amplitude and probability of large amplitude;the sawtooth structures also reduce the energy of pitch and pitch motion,and improve the total motion performance.Key words:cylindrical floating production storage and offloading;damping plate form;motion characteristic;frequency domain calculation;time domain coupling analysis 0 引言引言 浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）是一种新型的石油开采设备，集生产处理、储存外输及生活、供应于一体，油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位油船。与其他形式石油生产平台相比，FPSO 具有抗风浪能力 收稿日期：2021-12-01；修回日期：2022-02-24 作者简介：李 晨（1996），男，硕士研究生。研究方向：圆筒 FPSO。通信作者：卢文月（1988），男，博士、副研究员。研究方向：畸形波、流固耦合。海洋工程 152 强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛应用于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，其中船型 FPSO 已成为海上油气田开发的主流生产方式，但在性能上存在一些不足，如在波浪作用下的动态响应较大，细长船体承受中拱中垂弯曲载荷较大容易遭受疲劳破坏，同时也难以达到离岸深海作业大甲板面载荷需求等1-2。经过多年发展，出现了许多更加适应特定环境的新型 FPSO的概念，其中包括多筒式 FPSO3-5、沙漏式FPSO6、八角形 FPSO7和圆角倒棱台形 FPSO8等。随着越来越多非船型FPSO 的涌现，人们逐渐发现圆筒型FPSO具备结构简单、施工和维护成本较低等优势9，其实际工程应用范围也变得越来越广泛。2006 年挪威的Sevan Marine 公司设计建造了世界上第 1 艘圆筒FPSO，通过对SEVAN 圆筒进行模型试验和势流仿真模拟，研究发现其垂荡的固有周期处于13 s18 s10，而在我国南海海域百年一遇的谱峰周期也在 14 s 左右，使其难以实际应用于南海资源的开采，且圆筒型FPSO 的水线面面积较大、垂荡和纵摇阻尼较小，很容易在波浪环境下产生较大的垂荡和纵摇运动11，因此需要继续研究设计更加合理的圆筒结构来适应实际生产需要。为了提高圆筒型 FPSO 的运动性能，诸多学者开展了一系列相关试验研究，并取得一系列成果。为了改善圆筒 FPSO 在极端波浪下运动性能，通过势流理论方法建立完整数值模型，进一步采用集成势流软件对柱状浮筒的水动力进行解耦分析和系泊系统的时域分析，在得到结构整体以及浮体、系泊和立管各部分运动响应的准确预测12的同时发现，波频和低频响应同时存在时，模拟和预测圆筒型 FPSO 的垂荡运动比纵摇运动要更加容易。因此诸多学者首先围绕圆筒型FPSO 的垂荡运动进行了分析研究。SHAO 等13将莫里森方程中拖曳力的随机线性化方法应用于圆筒FPSO 的水池试验，并与试验结果进行对比验证发现，在生存海况下的垂荡运动过程中，只考虑阻尼效应而忽略黏性效应对波浪激励力的影响是不合理的，明确了黏性激励力的重要性。在此基础上，为了获得更优的圆筒筒体形状参数，消除圆柱型的周期性振荡，调整结构的阻力和升力系数并保证整体结构的运动响应要求，RAHMAN 等14在拖曳水池对不同结构长高比（L/D）的圆筒FPSO 模型进行了试验，发现结构的响应幅值随着比例系数的减小而减小，涡量场中的旋涡脱落长度也会随之减小。同时基于势流理论，通过对流场中浮体的研究发现，由于浮体运动产生的速度势以及浮动过程中产生的表面重力波，附加质量系数和阻尼系数是相互影响且随波浪周期变化的。此外，附加质量和阻尼系数不受水深的影响，但随浮体尺寸的增大而增大15。因此，为圆筒型 FPSO 结构合理增大水下面积也成为了优化其运动响应的一种解决思路。随着研究的不断深入，垂荡阻尼结构慢慢作为主流的减振结构广泛应用于平台结构设计之中16。VIJAYALAKSHMI 等17对带有不同垂荡板的非船形FPSO 进行了试验和数值水动力研究，发现垂荡和纵摇方向的运动响应随垂荡板宽度的增加而线性减小，并且 FPSO 较大的纵摇运动是由于整体结构的水线面面积较小，稳心高度低所造成的，但可采用动态定位系统来有效解决这一问题18。同时，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）研究方法已较为成熟和系统，也逐渐成为了探究不同阻尼结构阻尼特性的主要方法之一19。SUBBULAKSHMI 等20采用CFD 方法模拟研究了垂荡板对 Spar 平台垂荡阻尼的影响，发现垂荡阻尼随垂荡板尺寸和直径的增大而增大。与之类似，合理增大垂荡板的尺寸亦可有效的增大浮体的固有周期，优化平台固有属性7。对于圆筒型 FPSO 来说，其在实际海洋环境中的纵摇和纵荡运动都具有明显的低频特性，尤其在高海况下会产生较大的垂荡和纵摇，不利于平台作业安全，因此在设计与之匹配的垂荡抑制结构时应重点关注此类问题21。为了优化圆筒型 FPSO 水动力运动性能，本文提出研究 2 种带有新型垂荡结构的圆筒型 FPSO 平台，在上海交通大学海洋深水池采用缩尺比 160 进行模型试验，以百年一遇自存工况的不规则波作为入射波场，随后的数值计算根据相应的校波数据来进行。1 模型试验与数值模型建立模型试验与数值模型建立 1.1 模型试验模型试验 1.1.1 模型具体描述 新型圆筒 FPSO 在传统圆筒型 FPSO 外形设计的基础之上，将传统圆筒的底部阻尼结构的形状样式进行改变，得到上扬边锋型垂荡抑制结构的阻尼形式（结构1），见图1。同时得到锯齿型垂荡抑制结构的阻尼形式（结构2），见图2。模型制作时，控制几何误差在目标值的1%以内，在进行试验之前，对惯量参数，如重心、横摇纵摇回转半径进行调整，使其与目标值误差小于 2%。平台具体实型数值参数见表 1。图 3 为各模型结构的实物图。1.1.2 系泊系统设计 2 种新型圆筒 FPSO 结构的系泊设计为分散系泊系统，由12 根系泊线组成43 的模式，其中，每组4根系泊线束均匀展开，同一束线间的展开角为2，每组之间设置114的开口空间，见图4。系泊系统中12根聚酯系泊线都由平台链、聚酯绳和桩链组成。系泊缆的下端于海底基础相连，上端通过主体结构上的导缆孔连接到起链器上，通过起链器可以灵活调节锚链的长度。李晨等，不同阻尼板形式对圆筒型 FPSO 平台运动性能的影响 153 图1 结构1 模型试验图 图2 结构2 模型试验图 表 1 试验技术参数 技术参数 上扬边锋型 锯齿型 主筒体直径R1/m 72.00 72.00 垂荡抑制结构直径 R2/m 90.00 90.00 垂荡抑制结构高度 H/m 5.90 5.90 结构高度 h1/m 4.40 2.00 结构宽度 h2/m 2.00 2.00 吃水d/m 18.50 18.50 质量/kg 8.10107 8.14107重心高度/m 20.11 19.65 纵摇回转半径/m 28.50 25.77 图 3 圆筒 FPSO 实物图 图4 新型圆筒FPSO 系泊方式 1.1.3 波浪环境 在基于不同波高、谱峰周期和谱峰系数的J