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FPSO单点系泊水动力响应研究综述 0 引言 浮式生产储油船(Floating Production，Storage and Offloading System，简称FPSO)最早出现在1977年，是西班牙壳牌公司将一艘商业游船改装而成的，并服役于地中海的卡斯特伦油田。FPSO的概念包括FSP(Floating Storage and Offloading)，即浮式储油卸油装置，集成了处理、生产、储油及外输等多种功能，一艘FPSO实际上就是一个海上移动的大型石油加工厂。FPSO没有动力，通过位于艏部的单点系泊装置长期系泊在油田附近，与采油输油装置、穿梭油船组成一套完整的生产系统，是海上石油开发的重要战略装备，如图1.1。FPSO可以比较方便地转移避险或重复使用，与其产生的附加产值相比，造价较低，并且对于传统的导管架平台或者重力式平台，随着水深的增加制造成本以及安装维护成本都大幅增加，FPSO由于只需系泊系统固定在指定区域，因此随水深的增加成本增加相对较少。因其几乎适用于所有水深，逐渐成为石油开发的主流工具。 图1 FPSO生产系统 Fig1 FPSO production system 大多数FPSO都采用单点系泊系统，其特点是FPSO可以绕其上一点自由转动，从而长期系泊定位于特定海域进行油气的生产作业，在环境荷载条件下产生风标效应，最大程度地减少风浪流的作用力。同时单点系泊系统也有利于穿梭油轮卸油，油轮与FPSO艏艉串联，两浮体同时绕系泊点自由转动，操作方便安全。 根据水深和环境荷载的不同，目前发展的单点系泊（SPM）类型有单锚腿系泊(SALM)，悬锚腿系泊(CALM)，转塔式系泊(Turret Mooring)和软刚臂系泊(Soft Yoke Mooring)等多种类型。常规水深、深水及超深水中应用最多的是转塔式系泊系统，包括内转塔式和外转塔式两种。 1 FPSO与系泊立管系统耦合水动力预报分析研究进展 风、浪、流等环境荷载的作用下，系泊状态下FPSO水动力性能的数值预报从第一艘FPSO诞生开始就一直是学者们研究的热点问题。早期的研究主要基于线性势流理论，对FPSO的一阶波浪力和一阶运动进行数值仿真预报，研究结果表明，FPSO一阶波浪力以及一阶运动幅值的大小与波高成线性比例关系，频率与入射波的频率相同。随着研究的深入，发现系泊FPSO在不规则波作用下的运动不仅包括一阶运动[4]（也就是波频运动），还包括周期较长的二阶运动[5]（也就是平面慢漂运动）。二阶力的数量级较一阶力是小量，但是却能引起大幅度的水平面运动，这是因为在某些自由度上，FPSO的固有频率与波浪非线性作用产生的低频作用力频率相近，产生共振引起的。FPSO的大幅漂移使系泊力也大幅增加，准确预报这种大幅的慢漂运动与系泊力是系泊系统设计中的关键。 很多学者对FPSO在不同海况条件下的二阶慢漂运动、二阶慢漂力进行计算分析，工程中广泛运用的慢漂力及慢漂阻尼的计算方法依然是压力积分法，即利用摄动展开法，沿浮体湿表面进行压力积分，得出作用在浮体上的二阶波浪力的二次传递函数。具体的数值计算通常有两种方法[6]：1)完全QTF法，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，即假定当系统自然频率很小时，差频力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FPSO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。 Alexandre N. Simos[7]分析了单点系泊系统受洋流影响的动态不稳定性，确定了影响整个系统的水动力参数，分析了小扰动下这些参数的变化。 魏跃峰等[8]测量了浮式钻井生产储卸油装置（Floating drilling production storage and offloading，简称FDPSO，在FPSO上增加了钻井功能）垂荡、横摇和纵摇三个自由度运动的固有频率和阻尼系数，获得了船体在迎浪、斜浪以及横浪状态下的六自由度运动幅值响应算子（RAOs），模拟了多点系泊FDPSO 在南海海域遭遇一年一遇、百年一遇海况下船体的六自由度运动和系泊缆张力时历。 赵文华等[9]实测了台风过境过程中FPSO的运动响应参数，根据实船测量数据对FPSO数值模型进行了修正。 Arcandra[10]建立了平台、系泊缆索、立管系统的水动力模型，分析了整个系统的静力以及动力特性，联合运用Newton-Paphson模型和Newmark模型，确保平台和系泊、立管系统的耦合求解，然后进行了非线性风、浪、流条件下的FPSO的水动力分析，利用WAMIT计算了一阶、二阶水动力，最后给出实例，聚酯纤维缆绳系泊的Spar平台的水动力分析。一系列验证试验表明WINPOST-POLY新的运动方程的结果与原始的WI