fpso單點系泊水動力響應(yīng)研究綜述

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1、FPSO單點系泊水動力響應(yīng)研究綜述0引言浮式生產(chǎn)儲油船(FloatingProduction，StorageandOffloadingSystem，簡稱FPSO)最早出現(xiàn)在1977年，是西班牙殼牌公司將一艘商業(yè)游船改裝而成的，并服役于地中海的卡斯特倫油田。FPSO的概念包括FSP(FloatingStorageandOffloading)，即浮式儲油卸油裝置，集成了處理、生產(chǎn)、儲油及外輸?shù)榷喾N功能，一艘FPSO實際上就是一個海上移動的大型石油加工廠。FPSO沒有動力，通過位于艏部的單點系泊裝置長期系泊在油田附近，與采油輸油裝置、

2、穿梭油船組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是海上石油開發(fā)的重要戰(zhàn)略裝備，如圖1.1。FPSO可以比較方便地轉(zhuǎn)移避險或重復(fù)使用，與其產(chǎn)生的附加產(chǎn)值相比，造價較低，并且對于傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺或者重力式平臺，隨著水深的增加制造成本以及安裝維護(hù)成本都大幅增加，F(xiàn)PSO由于只需系泊系統(tǒng)固定在指定區(qū)域，因此隨水深的增加成本增加相對較少。因其幾乎適用于所有水深，逐漸成為石油開發(fā)的主流工具。圖1FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)Fig1FPSOproductionsystem大多數(shù)FPSO都采用單點系泊系統(tǒng)，其特點是FPSO可以繞其上一點自由轉(zhuǎn)動，從而長期系泊定位于特定海域

3、進(jìn)行油氣的生產(chǎn)作業(yè)，在環(huán)境荷載條件下產(chǎn)生風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，最大程度地減少風(fēng)浪流的作用力。同時單點系泊系統(tǒng)也有利于穿梭油輪卸油，油輪與FPSO艏艉串聯(lián)，兩浮體同時繞系泊點自由轉(zhuǎn)動，操作方便安全。根據(jù)水深和環(huán)境荷載的不同，目前發(fā)展的單點系泊（SPM）類型有單錨腿系泊(SALM)，懸錨腿系泊(CALM)，轉(zhuǎn)塔式系泊(TurretMooring)和軟剛臂系泊(SoftYokeMooring)等多種類型。常規(guī)水深、深水及超深水中應(yīng)用最多的是轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)塔式和外轉(zhuǎn)塔式兩種。1FPSO與系泊立管系統(tǒng)耦合水動力預(yù)報分析研究進(jìn)展風(fēng)、浪、流等環(huán)

4、境荷載的作用下，系泊狀態(tài)下FPSO水動力性能的數(shù)值預(yù)報從第一艘FPSO誕生開始就一直是學(xué)者們研究的熱點問題。早期的研究主要基于線性勢流理論，對FPSO的一階波浪力和一階運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值仿真預(yù)報，研究結(jié)果表明，F(xiàn)PSO一階波浪力以及一階運(yùn)動幅值的大小與波高成線性比例關(guān)系，頻率與入射波的頻率相同。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)系泊FPSO在不規(guī)則波作用下的運(yùn)動不僅包括一階運(yùn)動[4]（也就是波頻運(yùn)動），還包括周期較長的二階運(yùn)動[5]（也就是平面慢漂運(yùn)動）。二階力的數(shù)量級較一階力是小量，但是卻能引起大幅度的水平面運(yùn)動，這是因為在某些自由度上，F(xiàn)PSO

5、的固有頻率與波浪非線性作用產(chǎn)生的低頻作用力頻率相近，產(chǎn)生共振引起的。FPSO的大幅漂移使系泊力也大幅增加，準(zhǔn)確預(yù)報這種大幅的慢漂運(yùn)動與系泊力是系泊系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵。很多學(xué)者對FPSO在不同海況條件下的二階慢漂運(yùn)動、二階慢漂力進(jìn)行計算分析，工程中廣泛運(yùn)用的慢漂力及慢漂阻尼的計算方法依然是壓力積分法，即利用攝動展開法，沿浮體濕表面進(jìn)行壓力積分，得出作用在浮體上的二階波浪力的二次傳遞函數(shù)。具體的數(shù)值計算通常有兩種方法[6]：1)完全QTF法，即通過繞射/輻射理論數(shù)值計算得到二階波浪慢漂力的QTF矩陣；2)采用Newman近似，即假定當(dāng)

6、系統(tǒng)自然頻率很小時，差頻力可通過平均波浪慢漂力(對角線上的平方傳遞函數(shù))進(jìn)行近似，系泊FPSO低頻共振運(yùn)動的幅度極大地依賴于阻尼的大小，必須正確地估算低頻慢漂運(yùn)動阻尼。AlexandreN.Simos[7]分析了單點系泊系統(tǒng)受洋流影響的動態(tài)不穩(wěn)定性，確定了影響整個系統(tǒng)的水動力參數(shù)，分析了小擾動下這些參數(shù)的變化。魏躍峰等[8]測量了浮式鉆井生產(chǎn)儲卸油裝置（Floatingdrillingproductionstorageandoffloading，簡稱FDPSO，在FPSO上增加了鉆井功能）垂蕩、橫搖和縱搖三個自由度運(yùn)動的固有頻率

7、和阻尼系數(shù)，獲得了船體在迎浪、斜浪以及橫浪狀態(tài)下的六自由度運(yùn)動幅值響應(yīng)算子（RAOs），模擬了多點系泊FDPSO在南海海域遭遇一年一遇、百年一遇海況下船體的六自由度運(yùn)動和系泊纜張力時歷。趙文華等[9]實測了臺風(fēng)過境過程中FPSO的運(yùn)動響應(yīng)參數(shù)，根據(jù)實船測量數(shù)據(jù)對FPSO數(shù)值模型進(jìn)行了修正。Arcandra[10]建立了平臺、系泊纜索、立管系統(tǒng)的水動力模型，分析了整個系統(tǒng)的靜力以及動力特性，聯(lián)合運(yùn)用Newton-Paphson模型和Newmark模型，確保平臺和系泊、立管系統(tǒng)的耦合求解，然后進(jìn)行了非線性風(fēng)、浪、流條件下的FPSO的

8、水動力分析，利用WAMIT計算了一階、二階水動力，最后給出實例，聚酯纖維纜繩系泊的Spar平臺的水動力分析。一系列驗證試驗表明WINPOST-POLY新的運(yùn)動方程的結(jié)果與原始的WINPOST運(yùn)動方程的結(jié)果是一致的。Sang-YunBAE[11]采用高階邊界元法對