0 引　言

浮式钻井生产储卸油装置（floating drilling production storage and offloading system, FDPSO）是集油气处理、储存与外输为一体的海洋结构物。与应用广泛的浮式生产储卸油装置（FPSO）相比，FDPSO增加了钻井功能，使其应用场景更加广泛，并且具有初期投资低、易建造、适应作业水深范围大等优势^[1]，对不同特点的海上油气田均具有良好的适应性。由于最早FPSO为油轮改装，因此传统FPSO及FDPSO多为船型结构。尽管船型浮式结构物的相关技术成熟，但这种细长型浮体对风、浪、流等环境载荷的方向非常敏感，在横向载荷作用下，船体运动性能较差且存在倾覆的风险。为规避风浪载荷，一般船型FPSO安装带有转塔和流体接头的单点系泊系统，由此带来建造及维护成本的增加。另一方面，细长船型浮体的中垂、中拱弯曲载荷很大，浮体容易产生疲劳破坏，因此在设计中往往需要对关键结构进行加强，造成储油效率的降低。

为解决传统船型结构的以上缺陷，国内外学者提出了多种新型基础型式用于海上油气田开发，例如圆筒型^[2]、八角型^[3]、沙漏型^[4-5]、多筒型^[6]、圆角倒棱台形^[7]等。各新型结构在结构型式上存在一个共同点，即主体均采用回转体或对称型几何体进行设计，以保证结构在一定程度上对不同方向入射的环境载荷具有各向同性的功能。在各类概念设计中，圆筒型FDPSO/FPSO以其简单的结构形式，率先投入工程实际应用，其中挪威Sevan Marine公司前后设计了多条圆筒型海洋平台，并在全球多个海域成功投产应用，取得了良好的工程效果。近年来，在该型设计的基础上，国内外学者开展了大量的研究工作，Rika Afriana^[8]利用水动力仿真软件SESAM对圆筒型FPSO进行了浮体、系泊缆以及立管耦合作用下的运动响应分析。Ji^{等[9]以及郝未南等[10]则先后基于CFD方法计算了圆筒型FDPSO的阻尼性能。马翔宇[11]研究以畸形波为代表的致灾性海况对圆筒型FPSO运动响应的影响，采用数值与模型试验的方法，分析了恶劣海况环境条件下FPSO的生存能力。}

以往研究表明，圆筒型FDPSO在摇摆运动自由度上的运动性能比船型FDPSO更好，但两者的垂荡运动均在较大的范围内，难以满足干式采油装备的应用。以SEVAN圆筒型FPSO为例，由于主尺度与排水量的差异，此类圆筒型结构的垂荡固有周期范围为15 ~18 s。但依据海洋观测与统计数据表明，我国南海极端条件下的波浪谱峰周期通常在15 s左右，且存在更长周期的涌浪条件。当外激励的周期接近结构运动的固有周期情况下引发共振，使得浮体的垂荡运动加剧，严重影响海洋平台及其相关系统的安全性，使其应用范围受到局限。为了解决圆筒型FPSO运动性能差的缺点，本文提出一种带运动抑制系统的新型圆筒型FDPSO，并设计了多种减动结构型式。通过制作缩尺模型进行试验测试，比较不同减动结构的阻尼性能，总结出了不同减动结构型式对于阻尼的影响规律。

1 圆筒型FDPSO及其运动抑制系统

以带有锥形阻尼板结构的圆筒型FPSO^[2]为对象，如图1所示，其原始设计中在结构底部带有锥形阻尼结构，一方面有利于降低结构的重心，另一方面也增大浮体的附连水质量与黏性阻尼，从而实现降低圆筒型FDPSO的垂荡以及摇摆运动。但通过前期水动力分析结果表明^[9]，采用锥形阻尼结构虽然在一定程度上起到了对圆筒型FDPSO的运动抑制效果，但其垂荡运动幅值并不足以满足干式采油装备的垂荡运动控制条件。因此提出了如图2所示的带有运动抑制系统的新型圆筒型FDPSO。运动抑制系统主要由减动结构与延伸筒体两部分构成，该结构的示意图如图3所示。

一方面，将原锥形阻尼结构型式进行优化，形成环状减动结构，并在减动结构的上下表面边缘处向外延伸形成边锋结构，从而保证FDPSO在运动过程中，减动结构及其边锋周围可以产生流体泄涡，增加运动阻尼以消耗浮体运动能量，实现对基础运动的控制。同时减动结构截面为矩形，相比于锥形截面，矩形截面阻碍水体运动，可以起到增加阻尼的作用。除结构型式之外，环状减动结构与原锥形阻尼结构最大的区别在于，在减动结构上下表面开设有阻尼孔，使得在位状态下海水可以充满减动结构内部，从而形成内部附连水，连同主体外附连水的共同作用下，增大浮体的附连水质量，提升圆筒型FDPSO的固有周期，使其远离波浪卓越周期范围。同时，由于粘性阻尼与海水流动相关，因此减动结构上下表面开设的阻尼孔非对称布置（见图4），使平台运动时引起海水在进出阻尼孔的过程中形成湍流，增加流体阻尼。

另一方面，在原主体下方一定范围内对主体进行延伸，作为延伸筒体。与减动结构相似，在延伸筒体底部开设有阻尼孔，保证圆筒型FDPSO结构在运动时，海水亦可以自由进入延伸筒体中起到增加结构运动惯性力的作用，从而增加固有周期。同时，根据波浪力学的原理可知，水质点运动速度随水深呈指数级递减，因此深度越深的主体所受的波浪载荷越小，延伸筒体与减动结构设置在主筒体的底部，远离水线面，可以规避波浪载荷较大的区域。此外，为减小下放充水过程自由液面对稳性的影响，将环形减动结构以及延伸筒体在环向上分为多个舱室，进一步提升圆筒型FDPSO作业的安全性。

2 自由衰减试验

由减动结构与延伸筒体共同组成的圆筒型FDPSO新型运动抑制系统可以从增大固有周期使其远离谱峰周期、减少结构受到波浪载荷，以及增加阻尼3个方面改善运动性能。但需要指出的是，由于在运动抑制系统表面开设了阻尼孔使内外水体连通，造成结构内部附连水在减动结构与延伸筒体中存在复杂湍流运动，但现行的水动力软件与计算流体动力学（CFD）软件对于结构内附连水质量和阻尼的计算准确性不高。另一方面，减动结构的作用机理主要是增大浮体运动的粘性阻尼，但当前广泛应用的水动力学通常基于三维势流理论，无法考虑流体的粘性。CFD理论可以考虑流体的粘性，但其在计算中对网格质量要求较高且网格数量庞大，使得计算效率在一定程度上受到影响。故有必要采用模型试验方法测定不同运动抑制系统的阻尼性能，为后续水动力分析奠定基础。本文通过自由衰减试验测定带有运动抑制系统的新型圆筒型FDPSO的垂荡、纵摇自由度运动的固有周期以及阻尼，采用不同型式的减动结构进行开展系列性试验，进一步分析减动结构与延伸筒体间隙、外板边锋对固有周期与阻尼特性的影响规律。

2.1 试验模型

依据试验场地水深等限制条件，模型缩尺比选定为1∶77.8，为控制模型质量便于惯量调整，采用亚克力与PVC制成实验模型，模型技术参数如表1所示。在圆筒型FDPSO模型顶部设有刀架支撑T型梁，用于在惯量调节过程中，支撑模型外板及关键结构。此外，为保障结构安全设有通气孔，在延伸筒体充水的过程中使筒体内气体可以顺利排出，防止在延伸筒体内形成气塞。

传统FDPSO通常在底部设置高度较小的阻尼板结构，且径向截面通常为锥形，作为海水压载舱的一部分。其缺点是不能明显提升阻尼，附连水质量提升效果也不显著，在空舱状态时容易产生强度问题。为对比不同减动结构形式对垂荡运动的控制机理与效果，依次选用矩形、外板边锋型、无间隙型、U型等4种减动结构形式，如图5所示。其中，矩形减动结构的截面形状为矩形方箱，环绕在延伸筒体周围并与其保持一定距离，形成一条水道，使FDPSO在运动过程中，浮体表面的水体可以流经水道以提升流体阻尼。在矩形减动结构试验模型的基础上，分别去掉减动结构与延伸筒体的间隙、去掉矩形减动结构的上顶板、以及在保持上下外板直径不变的情况下将减动结构外径减小12.8 mm，依次得到无间隙、外板边锋和U型减动结构试验模型。同时，为将结果对比，同时进行不加装减动结构的模型试验测试。

2.2 试验结果

给各模型依次施加0.1 m的垂荡初始位移，自由释放开展垂荡自由衰减试验，采用非接触式六自由度。5种模型的垂荡自由衰减时历曲线如图6(a)所示，为进一步区分不同模型的运动响应，将其第二周期内运动响应时历曲线的放大，如图6(b)所示。与之相似，施加5°的纵摇初始位移开展纵荡自由衰减试验，测试得到的纵摇时历曲线如图7所示。

对自由衰减曲线进行快速傅里叶变换，得到不同试验模型的垂荡、纵摇固有周期，并通过模型试验相似关系换算到原型的运动固有周期。统计各自由衰减曲线各周期的运动幅值，采用消灭曲线方法计算得到模型垂荡、纵摇运动的无因次阻尼系数，计算结果如图8所示。

对比不带有减动结构试验模型与4种带有减动结构试验模型的试验结果，可以看到，减动结构能够明显地增大结构的垂荡、纵摇固有周期，这是因为减动结构能够增大结构的附连水质量与附连水转动惯量，从而增大垂荡、纵摇运动的固有周期。对于圆筒型FDPSO来说，需要增加垂荡固有周期，避开波浪谱峰周期，因此设置减动结构有必要。3种带有减动结构试验模型垂荡、纵摇运动的固有周期相差不大，表明筒体与减动结构的间隙以及边锋对于固有周期的影响不显著。

与其他3种结构型式相比，无减动结构模型纵摇与垂荡的无因次阻尼系数有明显下降，这表明设置减动结构能够增加结构的阻尼。另外，矩形减动结构模型纵摇与垂荡无因次阻尼系数均大于无间隙减动结构模型，这表明筒体与减动结构的间隙能够有效增加阻尼，耗散运动能量。外板边锋减动结构模型垂荡与纵摇的无因次阻尼系数均大于矩形减动结构模型，这表明设置边锋结构可以增加结构阻尼，其对改善结构运动性能有利。

3 结　语

针对圆筒型FDPSO垂荡运动性能不佳的问题，提出了由延伸筒体与减动结构组成的运动抑制系统，将带有不同减动结构形式的运动抑制系统加装在圆筒型FDPSO上，通过模型试验测试运动抑制系统的阻尼性能，得到主要结论如下：

1）由延伸筒体与减动结构组成的运动抑制系统，可以有效增大圆筒型FDPSO的水动力阻尼。

2）减动结构与延伸筒体的间隙以及减动结构外伸边锋，对于阻尼影响较大，是影响运动抑制系统阻尼的关键设计参数。

3）增大间隙及增大外伸边锋，都可以增大系统阻尼性能，这为优化减动结构设计，改善系统阻尼性能提供参考。