刘亮，徐爱进，范会渠
(上海利策科技有限责任公司, 上海200233)
摘要
对中国南海新型可解脱FPSO的系泊系统开发设计而言，如何快速有效地实现解脱是其中的关键技术之一。该文首先对可解脱FPSO的解脱方式及解脱系统进行了简单介绍，然后对解脱过程进行了时域模拟及相关影响因素的敏感性分析，最后得到影响浮子解脱的关键因素，并据此进行了浮子的优化设计。本研究工作为系泊系统解脱的设计提供了分析方法与优化思路，相关结论可被类似解脱系统的设计作为参考。 关键词：可解脱FPSO；系泊系统解脱；系泊浮子
中图分类号：TE951 文献标识码：A
引言
FPSO 是海洋石油开发生产系统的主要模式之一，与其它浮式生产系统（Spar，TLP，Semi）相比，FPSO 的数量是最多的，占浮式油气开发平台总和的一半以上，在世界海上油气开发中得到广泛应用，是海上浮式油气生产主要设施。
但近年来，遍及世界范围的剧烈的强风暴（飓风、台风）经常导致海上FPSO 等油气设施的重大损坏。2009 年9 月14 日台风“巨爵”袭击我国南海海域[1]，经过了惠州油田。由于“巨爵”台风的袭击，造成“发现号”的单点系泊装置发生位移及输油软管断裂，这次事故对平台的正常生产带来了巨大的影响并造成了不小的经济损失。
因此，目前可解脱的FPSO[2]被认为是：在严苛的海洋气候环境下、在海上油气生产中，最安全、可靠的解决办法；全世界范围内，都在相关的关键技术领域投入了巨大的研发努力。本文以上海利策公司开发的一种新型的可解脱FPSO[3]作为分析模型，针对该平台的浮子的解脱下沉过程进行了时域模拟，分析了影响下降过程的关键因素并对此进行了讨论分析。
1
南海新型可解脱FPSO 的特点
本文所使用的新型FPSO 的设计水深达1500m，采用可解脱、多点系泊系统的浮子替代了传统的具有风标效应的转塔。本方案
具有以下三个优点：
（1）在恶劣海况下可解脱，使平台对恶劣海况的被动承受转向主动防范，在极端海况下比永久系泊的FPSO 更安全。
（2）系统设计简单化，无转塔，不需要为输送流体和电力而设置转轴，成本比转塔系泊系统更收稿日期：2011-04-08；修改稿收稿日期：2011-07-15
103 52 卷增刊1 刘亮，等：可解脱FPSO 的系泊系统解脱过程动态模拟与优化
低。
（3）采用的多点系泊和立管应用都是海工领域成熟技术，提高了系统可靠性。
2 FPSO 解脱过程介绍
FPSO 系泊系统的浮子与主船体连接如图1 所示。
可解脱的FPSO 由两部分组成，即：圆筒型主船体（图1 中—1）和系泊定位系统的浮子结构。浮子上部为锥形体（图1 中—2）、下部为圆形基座（图1 中—3）。浮子顶部制作成正多边形结构（以六边形为主），并逐渐过渡到圆锥形。船体主甲板下为箱型结构，可在滑道上滑出或滑入船体内部，与船体定位。
1. 主船体
2. 上部锥体
3. 浮子底座
4. 系泊线
5. 内部自由液面
6. 底部开孔
7. 静水面
3
7
银膜图1 船体与浮子连接图
在作业状态时主船体与浮子锁紧，而浮子自身通过下方系泊系统（图1 中—4）永久系泊于指定海域，浮子内通过压载水（图1 中—5）压载并用于调节浮子自身的位置；当遇到恶劣天气时，浮子与主船体解锁脱离，然后打开浮子底端开孔（图1 中—6），此时浮子将快速进水、下沉，并最终悬浮于设计的位置。最后用拖船将主船体拖至安全海域，解脱方法简单且易于实现。
3 解脱过程及影响因素分析
对于浮子的解脱过程而言，在风暴来临前实现浮子与主船体的快速解脱是核心问题。由于影响解脱过程的影响因素众多，因此需要对解脱动态过程进行分析研究；本模型通过浮子底端开的圆孔进水来实现快速解脱，因此首先需要确定开孔半径的大小。如果开孔半径过大，浮子下沉速度很快，对于浮子金属粉末涂料
下端连接的立管系统会造成较大冲击，并且大开孔有可能对浮子开口附近的结构设计带来更多的挑战；如果开孔半径过小则下沉时间较长，不但影响主船体撤离的时间，而且在与主船体脱离过程中有可能发生多次碰撞，可能会造成结构破坏；因此，合理的选择孔径是该设计的关键问题之一。
3.1 坐标系的定义及浮子主尺度
坐标系的定义及浮子主尺度示于图2。
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X
图2 坐标系的定义及浮子主尺度
图2 的坐标原点取在静水面上，Z 轴以向下为正，浮子上部圆锥体高25m，下部底座高5m，底座直径为40m，h 表示浮子底端到静水面的距离，d 表示浮子内自由液面距离浮子底端的距离。
3.2 解脱过程考虑的主要因素
解脱过程主要考虑影响下沉过程的因素包括：
（1）锚链拉力F(h)
系于浮子下端的锚链线为浮子提供持续向下的拉力F，但该拉力随着浮子的位置不同也将发生变化，经过计算得到拉力随h 变化的关系如图3 所示。
图3 锚链拉力随浮子吃水的变化
（2）完整浮力B(h)
完整浮力只与浮子的排水体积有关，即不考虑进水的影响（进水影响将在进水质量中考虑），当浮子吃水达到30m 时，浮子完全浸没在水中，此时的浮力可以通过直接求解浮子的体积得到，因为浮子初始位置吃水为12.6m，下部基座已经完全浸没在水中，因此下降过程只需要考虑上部圆锥体随着吃水的变化对于浮力的影响，变化过程如图4 所示。
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（3）进水质量m
在开孔直径一定的情况下，浮子的进水质量主要与进水速度有关，而进水速度主要与浮子内上下表面的压差力有关。因此，需要确定每一时刻内浮子内液面的高度d 与浮子吃水h 的关系或者与进水质量的关系。图5 给出了浮子内液面高度与进水质量的关系。
图5 浮子内液面高度与进水质量的关系
（4）阻尼力和附加质量
由于浮子尺度较大，因此在浮子的下沉过程中，阻尼力和附加质量的影响不可以忽略。这里阻尼力和附加质量主要参考DNV 的RP-H103[4]来估算，估算公式为：
1
F
D
=P ⋅C
DS
⋅S ⋅u⋅u
2
阻尼力: (1)
A
ij
= P ⋅C
A
⋅V
R
压片机模具附加质量：(2) （5）浮子的自重及初始压载水的重量
浮子的自重主要是浮子本身壳体的重量，由于在作业时需要使主船体基本保持在一固定的吃水，因此初始解脱时浮子内部已有一定量的压载水，这些参数需要通过力的平衡预先确定。
3.3 计算方程及计算结果
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根据浮子在垂向的受力分析并考虑浮子内进水速度与质量的变化，可以建立描述系统解脱过程的 偏微分方程组，以下根据浮子的下降过程建立了三个运动微分方程。
d m
= P ⋅ A ⋅ u ⋅ k (3) d t d h = V (4) d t d V
= [ g (m + m ) + F − B − F ] / (m + m + m ) (5)
5460a0 D 0 a d t
尾气吸收塔其中方程（3）表示浮子进水质量随时间的变化，方程（4）表示浮子的位移随时间的变化，方程 （5）表示浮子向下的运动速度随时间的变化。由方程（3）至方程（5）所构成的方程组属于微分方 程组的初值问题。现以下端开孔半径 0.25m 为例（时间步长取为 1s ），描述浮子下降过程中 3000s 内的各项参数变化过程（见图 6 和图 7）。
图 6 浮子吃水随时间的变化
图 6 反映了浮子吃水随时间的变化过程。从图中可见，随时间的增大，浮子的吃水持续增加；由
于初次到达平衡位置时仍有一定的下降速度，因此此时浮子将有一个振荡的过程，但振幅越来越小， 最终将在吃水 80m 左右平衡。
图 7 浮子运动速度随时间的变化
图 7 反映了浮子向下运动速度随时间的变化过程，从图中可见，随时间的增大，浮子的运动速度
一直处于振荡中，这主要是由于浮子的总受力方向一直在变化，所以运动速度的方向也一直在变化；
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