首部型線對FPSO性能影響探析

易 叢， 李 達， 白雪平， 康 莊

(1.中海油研究總院，北京 100072; 2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

首部型線對FPSO性能影響探析

易 叢1， 李 達1， 白雪平1， 康 莊2

(1.中海油研究總院，北京 100072; 2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

FPSO是支撐海洋石油油氣開發(fā)的重要工程設施，在中國海域具有非常廣泛地應用。目前，由于FPSO通常系泊于某海域油田，屬于非航行船舶，新建FPSO型線特別是首部型線是否需要考慮耐波性、阻尼等因素進行設計，還是采用簡單的方駁形式，存在一定爭議。該文通過采用具有2個不同型線的FPSO船模進行一系列的模型試驗，包括自由衰減、拖航、RAO、系泊等多工況試驗，得出結(jié)論：FPSO首部型線對FPSO運動特性及系泊特性影響不大，但是V型的首部仍然傾向于使FPSO具有更小的系泊力和拖曳阻尼，同時具有更好的防止上浪特性。從防止船體首部上浪的角度，仍然建議在南海FPSO的型線設計時考慮光順線型，并采用V型船首。

FPSO 型線設計；模型試驗；首部上浪

0 引言

自從1977年世界上第一條FPSO安裝在西班牙近海以來，F(xiàn)PSO作為支撐海洋石油油氣開發(fā)的重要工程設施，越來越多的應用于海洋石油開發(fā)。中國海域目前有15條FPSO，除了20世紀90年代出廠的少數(shù)幾條FPSO由舊油輪改造得到，大部分都是新建FPSO。

對應業(yè)界的不同船體型線設計理念，中國海域的新建FPSO的船體型線也呈現(xiàn)了不同的形式。作業(yè)于渤海海域的FPSO，采用接近于駁船的首部。作業(yè)于南海海域FPSO，采用流線型船首。而不同船體首部型線對FPSO各項特性的影響，少有文獻論述。

該文通過采用具有2個不同型線的FPSO船模進行一系列的模型試驗，包括自由衰減、拖曳，RAO試驗，系泊試驗等工況，探討FPSO船體型線特別是首部對FPSO各項特性的影響，以期對未來新建FPSO型線設計時提供有益的參考。

1 試驗基礎數(shù)據(jù)

1.1 試驗內(nèi)容

模型試驗主要針對兩艘FPSO模型進行試驗(如圖1所示)。模型1為V型船首，首部較窄，尾部較寬，流線型特點更突出的船型；模型2為U型船首，首部較寬，尾部升高較大，整體較為肥胖的船型，均參考南海實際FPSO得出。兩個模型的主尺度相同(見表1)，滿載和壓載工況下兩個模型排水量相同，以保證兩者模型試驗結(jié)果的差異僅僅由于船型不同產(chǎn)生。

圖1 模型1、模型2型線及船模圖

參數(shù)實船值(m)總長262．5水線長254型寬48．9型深26．7設計滿載吃水17．8設計壓載吃水11．2單點艙中心位置19．79單點艙半徑6

針對模型1和模型2，分滿載和壓載兩個工況，開展了靜水衰減試驗、拖航阻力試驗、風阻試驗、RAO試驗和系泊試驗等實驗，并測量得出了FPSO的阻尼、運動幅值、加速度及系泊系統(tǒng)的合力和單根系泊纜張力等參數(shù)。

圖2 風浪流正方向規(guī)定

整個試驗在哈爾濱工程大學深水池進行，國際海洋工程界一般公認的最佳模型縮尺比范圍是1∶40～1∶100。根據(jù)本次試驗模型的實際尺寸，考慮到水池大小及其模型建造等因素，選擇試驗縮尺比為1∶60。

1.2 坐標系及浪向定義

模型試驗總體坐標系如圖2所示，X軸指向水池造波機，Z軸垂直向上，總體坐標系原點在FPSO重心位置，按照右手定則建立總體坐標系。在試驗中，風浪流的前進方向與X軸反方向的逆時針夾角為正(如圖2所示)。

圖3 系泊線在試驗水池布置圖

系泊線模型布置在假底上，系泊線水平跨度15 m，每組間隔以及單根系泊線之間的間距均與實際系泊線一致，系泊線模型的布置形式如圖3所示。

2 試驗成果分析

2.1 船首型線對阻尼的影響

通過自由衰減試驗，得出FPSO的橫搖和縱搖固有周期與阻尼(見表2)。固有周期由船體主尺度決定，所以模型1和模型2的固有周期、阻尼均接近，橫搖固有周期滿載15.5 s，壓載12 s～13 s?？v搖固有周期滿載和壓載均為10 s左右，吃水越大，橫搖阻尼越大。

圖4 模型1和模型2流力比較

工況橫搖縱搖周期(S)阻尼周期(S)模型1滿載15．4650．0539．708模型1壓載12．8210．03810．121模型2滿載15．5190．05710．121模型2壓載12．1590．0359．812

通過FPSO的拖航試驗，得出模型1和模型2的流力數(shù)據(jù)(如圖4所示)。在壓載工況下，模型1和模型2縱向方向上流力接近，而在滿載工況下，模型1的流力比模型2小10%～50%，這說明在船體縱向方向下，大吃水時，模型1體現(xiàn)了更好的減小流力的性能，在拖航工況下，模型1也具有更小的拖航阻力。

2.2 船首型線對運動的影響

模型在規(guī)則波中的試驗，根據(jù)線性系統(tǒng)假設，輸入的單變量是波浪，記做x，其波浪譜密度函數(shù)為Sx(ω)，輸出的單變量是響應(運動或受力)，記做y，其響應譜密度函數(shù)為Sy(ω)，幅值算子RAO記作H(jω)，則：

(1)

通過RAO實驗，得出模型1和模型2在滿載和壓載工況下6個自由度的RAO曲線(如圖5所示)。從實驗數(shù)據(jù)可看出，2個模型在型線上的差異并不足以造成兩者在運動特性上的巨大差異，兩者的RAO曲線基本一致。

圖5 模型1和模型2壓載橫搖(90°)RAO

圖6 系泊系統(tǒng)整體剛度曲線

2.3 船首型線對系泊力的影響

采用如圖2所示的系泊系統(tǒng)，對FPSO進行在位試驗，模擬環(huán)境條件為五百年一遇季風條件和五百年一遇臺風條件，考慮風浪流聯(lián)合作用，每根系泊纜總長為1 222 m，水平跨度1 200 m，由鋼纜，錨鏈和配重塊構(gòu)成，破斷張力為16 992 kN，剛度曲線如圖6所示。

試驗表明，無論是FPSO模型1還是模型2，對于拉力和系泊合力試驗，大多數(shù)情況下，滿載狀態(tài)下的結(jié)果大于壓載狀態(tài)下的結(jié)果，臺風狀態(tài)下的結(jié)果大于季風狀態(tài)下的結(jié)果，流與風浪成90°夾角條件下的結(jié)果大于45°和0°條件下的結(jié)果。由表3數(shù)據(jù)可知，在滿載、臺風500年一遇、流與風浪成90°角條件時(關(guān)鍵工況)，F(xiàn)PSO模型2的系泊鏈最大張力值大于FPSO模型1的值，為587.67 t。此時X向最大系泊合力Fx為989.50 t，Y向最大系泊合力Fy為1 023.85 t。

總體而言，模型1和模型2的系泊力和偏移極值差別不大，船體首部型線差異并沒有對其產(chǎn)生較大影響。

無論是FPSO模型1還是模型2，在滿載和壓載狀態(tài)下，當流和風浪的夾角為90°時，艏搖角在20°～60°的范圍內(nèi)，當流和風浪的夾角為45°時，艏搖角在10°～28°的范圍內(nèi)。

表3 系泊試驗結(jié)果

2.4 船首型線對上浪的影響

FPSO的船首上浪，會影響船首設備的安全性。南海FPSO船首部分通常布置單點設備，單點設備是確保FPSO定位性能的重要設備，因此，船首上浪是FPSO設計時值得關(guān)注的問題之一。在系泊試驗過程中，統(tǒng)計了3小時內(nèi)FPSO船體的上浪次數(shù)(見表4)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，模型1和模型2的滿載工況比壓載工況下上浪情況更嚴重。

在滿載情況下，模型1由于其首部型線為V型，流線型特點更明顯，上浪次數(shù)比模型2少，因此滿載工況下模型1的線型對于防止上浪是有較大優(yōu)勢的。在壓載工況下，由于上浪與水面下型線相關(guān)，模型1和模型2的上浪次數(shù)相差不大。

季風500年一遇為FPSO的作業(yè)工況，由表4可知，模型1無上浪現(xiàn)象發(fā)生，而模型2船首和船中仍有上浪現(xiàn)象發(fā)生。

除了船首有上浪現(xiàn)象之外，當FPSO船體斜對波浪時，船中也發(fā)生上浪。由于FPSO的工藝甲板標高高出主甲板4.5m，所以在船中主甲板上浪的情況下，工藝甲板沒有上浪情況出現(xiàn)，可保證布置在工藝甲板上油氣設備正常生產(chǎn)。

表4 FPSO上浪次數(shù)統(tǒng)計

為了進一步減少模型1的首部上浪現(xiàn)象，船首加長1.957 m，升高0.75 m，并適當進行了外飄處理，如圖7所示：

圖7 模型1優(yōu)化前后型線圖

模型1優(yōu)化后，模型的上浪現(xiàn)象依舊存在，特別是船舯的上浪現(xiàn)象。由于船艏針對艏部上浪做了局部優(yōu)化，因此船艏的上浪現(xiàn)象有一定的改善,上浪統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 優(yōu)化后模型1上浪結(jié)果統(tǒng)計

3 結(jié)論

該文針對兩個具有不同型線的FPSO開展了靜水衰減試驗、拖航阻力試驗、風阻試驗、RAO試驗和系泊試驗等一系列實驗，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過自由衰減試驗，得出FPSO的橫搖和縱搖固有周期與阻尼。模型1和模型2的固有周期和橫搖阻尼接近。

(2)通過阻力試驗，得出在壓載工況下，模型1和模型2縱向方向上流力接近，而在大吃水情況下，模型1的流力和拖航阻尼比模型2小10%～50%。

(3)模型1和模型2具有類似的運動特性。模型1和模型2的系泊力和運動幅值差別不大，船體首部型線差異并沒有對其產(chǎn)生較大影響。滿載工況的系泊力普遍比壓載工況更難控制，當來流與波浪成90°夾角時，系泊鏈上的張力較大，且FPSO模型2的值大于FPSO模型1的值，為587.67 t。

(4)綜合FPSO模型1、2和模型1優(yōu)化后的上浪現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)模型1的上浪現(xiàn)象優(yōu)于模型2，而首部加高，外飄加大后的模型1的上浪現(xiàn)象優(yōu)于優(yōu)化前的模型1。當FPSO斜對浪時，船中也呈現(xiàn)了上浪現(xiàn)象，對布置于主甲板的設施，需要考慮防浪因素。

(5)綜合FPSO模型1、2和模型1優(yōu)化后的上浪現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在本次試驗中，雖然FPSO的上浪現(xiàn)象很明顯，但在所有的上浪現(xiàn)象統(tǒng)計中，均沒有出現(xiàn)波浪漫過工藝甲板的現(xiàn)象，即FPSO的工藝甲板無上浪現(xiàn)象。

(6)綜合FPSO模型1和模型2的試驗結(jié)果，認為其型線與運動阻尼、運動特性、系泊力的關(guān)系不敏感，但是對首部上浪現(xiàn)象有較大的影響，在FPSO設計時，尤其作業(yè)于南海海域的FPSO，仍然建議采用較窄、具有流線型特點的V型船首，同時艏樓高度適當加高和外飄。

[1] 張火明，楊建民，肖龍飛.內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊FPSO模型試驗研究[J].華東船舶工業(yè)學院學報，2005， 19:(3)：6-11.

[2] 盛振邦，肖龍飛.深海海洋平臺混合模型試驗技術(shù)[J].上海造船,2003，(1)：12-14.

[3] 符華彬.內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)及水下設施建設[J].中國化工貿(mào)易,2013，(7)：9-9.

[4] 沈蘇雯.深水FPSO系泊系統(tǒng)[J].中國船檢.2012，(11)：74-77.

[5] 呂立功，景勇，溫寶貴，劉振國.FPSO系泊系統(tǒng)設計上的考慮[J].中國造船,2005，(B11)：348-356.

The Influence of Bow Molded Lines on FPSO Performance

YI Cong1, LI Da1, BAI Xue-ping1， KANG Zhuang2

(1.Cnooc research institute， Beijing 100072, China;2.Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

FPSO is one of the important facilities in offshore oil and gas development. It is used widely in china and the other place. As FPSO is usually moored in oilfield and seldom sail unless it is towed to the oilfield for production or towed to shipyard for repair. It is unclear whether FPSO molded line especially the bow should be designed considering sea keeping qualities and damping. Some designers think that FPSO molded line can just use barge shape while others don’t think it in that way. The model test is conducted to find the answer. Two FPSO models are built and many cases are carried out including decay tests, towing tests, RAO tests and mooring tests. The data gotten from the experiments are compared and conclusion is made.The conclusion is that the bow molded lines have small influence on FPSO motion and mooring performance, but V style bow tends to smaller mooring force, smaller damping, and less green water. So, it is still recommended that the FPSO mould lines should be designed considering the V style bow and smooth lines especially the ones in South China Sea.

FPSO molded line design; model test; green water

2013-05-25

易 叢(1982-)，女，工程師。

1001-4500(2014)03-0040-06

U692

A