FPSO水动力研究与进展_

文章编号:100529865(2006)0420116208FPSO 水动力研究与进展

肖龙飞,杨建民

(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海　200030)

摘　要:浮式生产储油轮(FPS O )是当今海洋石油天然气开发的主流工程设施。就目前国际上最为关注的FPS O 水动力问题,包括深水FPS O 与系泊、立管系统的耦合水动力预报、甲板上浪、FPS O 与穿梭油轮组成的多浮体系统水动力、横摇运动与减摇措施、单点系泊FPS O 的运动稳定性等进行了阐述,介绍了我国在浅水FPS O 水动力问题上的研究进展,提出加强相关研究的建议。

关键词:FPS O ;水动力;综述;运动

中图分类号:U661.1;U661.3 文献标识码:A

Review of the research on FPSO hydrodynamics

XI AO Long 2fei ,Y ANGJian 2min

(S tate K ey Laboratory of Ocean Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China )

Abstract :FPS O (Floating Production ,S torage and O ffloading )has become a very popular s olution in exploitation activities of ocean oil and gas res ources in the w orld.A com prehensive review is introduced about the recent research on FPS O hydrodynamics in the w orld ,including the coupling hydrodynamic analysis of deepwater FPS O with m ooring and riser systems ,green water ,hydrodynamics of multi 2floating system con 2sisting of FPS O and shuttle tankers ,roll m otion and anti 2roll units ,dynamic behavior of a single point m oored vessel.The research and devel 2opment of FPS O hydrodynamics in shallow water in China is als o reviewed and suggestions are proposed.

K ey w ords :FPS O ;hydrodynamics ;review ;m otion

收稿日期:2006203201

作者简介:肖龙飞(1973-),男,湖北阳新人,副教授,主要从事海洋工程水动力学研究。

FPS O (Floating Production ,Storage and O ffloading )是浮式生产储油轮或浮式生产储油装置的简称,是集生产、储油、外输等多种功能于一体的海上浮式油气处理设施。1977年,世界上首座FPS O 于地中海Castellon 油田投产。二十多年来,随着相关技术的进步,FPS O 以其多功能性、经济性、可靠性、海域适应性以及可重复再利用性,成为当今海洋石油开发的主流设施。目前已有近百座FPS O 在欧洲北海、巴西沿海、西非沿海、中国沿海等海域服役。据统计[1],从1993年到2003年,全世界FPS O 拥有量增长了247%,并仍将持续快速增长。

1989年,我国第一座FPS O “渤海友谊”号于渤海渤中28-1油田投产。2004年10月,我国最新自行设计建造的最大吨位FPS O “海洋石油113”号在渤海渤中25-1油田投产作业。目前,我国已有13座FPS O 在渤海和南海服役,是世界上拥有量最多的国家。专家断言[2,3],海洋油气开发包括FPS O 的设计制造将是我国21世纪的主要产业之一。

FPS O 通常永久系泊于特定海域进行作业,不能像运输船舶那样在遇到恶劣海况时可以完全避航,因此环境条件对FPS O 的安全性和作业效率有着很大的影响,必须对其在各种海洋环境条件下的水动力性能进行深入研究。本文就目前国际上最为关注的若干FPS O 水动力问题,以及我国在浅水FPS O 水动力问题上的研究与进展进行综述。

第24卷第4期2006年11月

海洋工程THE OCE AN E NGI NEERI NG V ol 124N o 14N ov.2006

1　国外FPS O 水动力研究与进展

1.1　深水FPS O 与系泊、立管系统的耦合水动力预报

系泊FPS O 系统在风浪流作用下的水动力性能数值预报是热点问题,自FPS O 诞生之日起,即有大量学者投入研究。早期的研究[4]主要是基于线性势流理论,对FPS O 的一阶波浪力与运动进行数值预报,并认为其大小与波高成线性比例,频率与入射波浪相同。然而,系泊FPS O 在不规则波作用下的典型运动不仅包括与波浪频率相同的一阶运动,还包括长周期的二阶水平面慢漂运动。由于系统水平回复力较小,自然频率很低,水动力阻尼也很小,所以在频率相近的二阶波浪力作用下产生共振,使得FPS O 水平面运动的幅度非常大,诱发非常大的系泊力。这种大幅度的低频慢漂运动与系泊力是系泊系统设计中的关键,如何准确预报,十分重要。

首先需要得到波浪慢漂力及波浪慢漂阻尼的二次传递函数。自Pinkster [5]开创性地提出求解二阶波浪慢漂力的压力积分法起,关于系泊浮体二阶波浪力的研究始终吸引着许多研究者的兴趣[6～11]。目前,海洋工程中应用广泛的依然是压力积分法,即利用摄动展开法,沿浮体湿表面的压力积分,得出作用在浮体上的二阶波浪力的二次传递函数(QTF )。具体的数值计算通常有两种方法:1)全QTF 法[8],即通过绕射/辐射理论数值计算得到二阶波浪慢漂力的QTF 矩阵;2)采用Newman 近似[12],即假定当系统自然频率很小时,差频力QTF 可通过平均波浪慢漂力(对角线上的平方传递函数)进行近似。系泊FPS O 低频共振运动的幅度极大地依赖于阻尼的大小,必须正确地估算低频慢漂运动阻尼。Wichers [7]通过模型试验发现,浮体在波浪上的低频慢漂运动阻尼可分解为粘性阻尼和波浪慢漂阻尼,前者由于涉及到粘性需要通过无流和有流情况下的静水衰减实验得到,后者则与粘性无关,并在低频慢漂运动与波频运动无相互干扰的假定下,看成是二阶波浪力关于慢漂运动速度的梯度,与波高的平方成比例,从而把计算低频运动阻尼的问题也归结为计算二阶慢漂力问题。这是目前比较实用且应用广泛的处理方法。Huijsmans [10]后来进一步提出了用计算流体力学(CFD )来计算FPS O 在波流联合作用下二次传递函数的方法。

其次必须考虑系泊、立管系统与FPS O 之间存在重要的动力相互作用。Wichers [7]最早建立了非耦合的时域模拟方法,在FPS O 的运动方程中计入准静定计算得到的系泊链/立管的刚度曲线,如同一个无质量的非线性弹簧,忽略系泊链/立管的惯性、流载荷和阻尼等动态特性的影响,在计算得到浮体运动后,系泊缆和立管的动力行为再独立地进行计算。大量理论和实验研究[13～16]都表明,系泊链/立管的这种动态特性对浮体运动的影响在水深较大时是显著的,而且水深愈大愈加显著。因此,这种非耦合分析方法的可靠性和准确性随水深增加而降低。随着深水FPS O 的应用越来越多,必须发展完全耦合的水动力时域数值分析模型。Wichers 和Devlin [17]发展了全耦合时域数值模型,研究了深水系泊链和立管阻力系数对运动和系泊力的耦合影响,对3000ft 和10000ft 深水FPS O 系统的计算结果显示必须考虑完全耦合。Heurtier 等[18]、G arrett 等[19]也对深水FPS O/系泊链/立管的全耦合时域计算和非耦合计算结果进行了比较分析,获得相似的结论。T ahar 和K im [20]建立了FPS O 与转塔式系泊系统和立管系统在风浪流作用下的耦合动力分析方法,并研究分析了FPS O 和系泊链/立管粘性阻尼、二阶差频波浪力、首摇角等因素的影响,认为:1)首摇角的计算对于纵荡和横荡的准确预报非常重要;2)粘性阻尼的数值比辐射阻尼和波浪慢漂阻尼大得多,因此,经验估算粘性阻尼对于准确预报FPS O 的水平面运动非常重要;3)如采用非耦合计算,忽略系泊链和立管的动态影响,则数值预报的FPS O 水平面运动及系泊力均显著偏大。

1.2　甲板上浪

甲板上浪(G reen Water )与波浪砰击也是当前国际FPS O 工程和研究领域关注的问题。由于具有风标效应,单点系泊FPS O 首部暴露在巨浪作用下,甲板上浪形成的强大冲击力会使首部甲板上布置的流体旋转接头、管道、甲板室、油水分离塔以及系泊结构等受到损坏。Ersdal 和K vitrud [21]、Leonhardsen 等[22]报道了北海FPS O 因上浪导致首部遭到严重损坏的事故,认为FPS O 遭遇甲板上浪的频率非常大,需要加以预防。FPS O 甲板上浪问题的研究主要有模型试验、数值模拟、工程实用计算方法、防上浪设施等。

Buchner 和V oogt [23]通过系列试验研究FPS O 不同船首外飘角对甲板上浪的影响,结果表明,上浪水在甲板上的流动与溃坝理论所模拟的情形非常相似,上浪水高度与干舷高度存在线性关系,而速度则与干舷高度平方根成正比。而且,外飘角大小对甲板上浪水的流动有较大影响,随着外飘角增大,上浪水流速度增大,但

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