0 引　言

流花11-1/4-1油田位于中国南海珠江口盆地，距香港东南约220 km，油田场地位置水深312～330 m，采用“300 m级深水导管架平台+圆筒型FPSO”作为该油田的二次开发方案^[1]。流花11-1/4-1油田是中国海域首次采用的中深水边际油田开发模式，其中适应南海边际油田开发特点的圆筒型FPSO−“海葵一号”是其中的关键设施。

我国具有丰富的浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）设计和运维经验，但均为单点系泊船型FPSO^[2]。圆筒型FPSO是多点系泊浮式生产装置，具有浅吃水大水线面、舱室布置紧凑、浮体采用多点系泊定位等技术特点^[3]。长久以来国内开展过圆筒型FWPSO的技术研究，但由于应用场景不明朗，无圆筒型FPSO实际工程应用。由于圆筒型FPSO的尺度受制于作业海域环境条件、国内船坞等工业能力、外输油轮现状等因素，因此其尺度参数研究显得尤为重要。

本文以应用于流花11-1/4-1二次开发项目中的“海葵一号”圆筒型FPSO为例，基于其在南海台风工况下所面临的技术挑战，阐述船体吃水、船体直径、阻尼板等参数研究，为中国南海类似圆筒型FPSO的研发提供设计参考。

1 圆筒型FPSO面临的技术挑战

圆筒型FPSO结构为筒型对称结构，避免了船型FPSO细长结构造成柔性总纵变形，其优越的运动性能及较大的整体刚度降低了上部设备对浮体运动及变形的适应要求^[4-5]。虽然此前国内已具备多座圆筒型FPSO自主建造能力^[6]，但圆筒型FPSO的设计一直由国外SEVAN公司主导，国内不具备圆筒型FPSO自主设计能力且无工程应用案例。

“海葵一号”圆筒型FPSO在南海台风海域是首次应用（见图1），无母型船供设计参考，尺度参数设计面临一系列技术挑战。

1）圆筒型FPSO不具备常规船型FPSO风向标效应，外输作业复杂^[7]，储存舱容与油田配产、主尺度确定、外输油轮选择等密切相关，需通过综合研究确定。

2）圆筒型FPSO无母型船参考，船体直径、吃水等与排水量、载重量、稳性、运动性能、经济性等密切相关，主尺度确定十分复杂。

3）常规船型FPSO在风向标作用下，仅船首可能发生甲板上浪^[8]，易于通过局部挡浪墙设计避免。圆筒型FPSO采用多点系泊系统，在南海恶劣海况作业时，甲板四周均易发生甲板上浪情况，对设施和人员安全造成威胁。但大面积挡浪墙不利于油气扩散，易造成安全隐患，因此需进行精细化创新挡浪墙设计。

2 圆筒型FPSO总体参数设计 2.1 储存舱容设计方法

目前国外圆筒型FPSO的外输均采用动力定位（Dynamic Positioning，DP）油轮，但国内仅有一艘储油量为1.8×10⁴ m³的DP油轮服役于“深海一号”能源站，难以匹配圆筒型FPSO的储油舱容。针对中深水边际油田，新建大型DP油轮无法满足油田开发的经济性，因此采用常规油轮外输就成为了必然的选择。由于圆筒型FPSO无风向标特性，为提高外输作业安全，在常规油轮基础上增加艏装载^[9]成为解决圆筒型FPSO外输问题的可行办法。

调研发现，南海东部油田常规油轮大部分都在5万吨级以上（只有2艘为4.5×10⁴ t和4.8×10⁴ t）。流花11-1/4-1油田配产年限达到25年，累产油达到1000×10⁴ m³，高峰日产油达到3944 m³，密度高达0.93 t/m³～0.94 t/m³。除按常规需要的储油舱规划，还要进行外输油轮吨位规划，以确保原油生产和外输油轮外输作业相匹配。针对穿梭油轮确定的情况下，储油舱容的估算公式为：

$ Q=W+\left({t}_{1}+1\right)\times q+k 。$

(1)

式中：$ Q $为储油量，t；$ {W} $为穿梭油轮吨位，考虑以4.5×10⁴ t级油轮为研究基础，t；$ {t}_{1} $为影响外输作业的连续坏天气时间，考虑夏季影响天数3天，冬季影响天数为5天，d；q为日产量，t/d；k为适量不可泵出的死舱油，t，取储油量的0.5%～1%。

根据式(1)，圆筒型FPSO需要的原油舱容在6×10⁴ t左右。根据原油舱容及设备的需求，圆筒型FPSO考虑设置污油水舱舱容为1200 m³、柴油舱舱容为450 m³、燃油舱舱容为500 m³、淡水及饮用水舱舱容为360 m³。

2.2 圆筒型FPSO主尺度设计方法

圆筒型FPSO是典型的大水线面浅吃水结构，由大尺度的船体和阻尼板组成。其主尺度主要参数包括筒体直径、吃水和阻尼板。

2.2.1 船体吃水设计

圆筒型FPSO筒体直径大小与吃水决定了圆筒型FPSO的排水量。南海环境条件具有典型的季节性影响，夏季（4～9月）为台风季、冬季（10月至次年3月）为季风季节。船型FPSO具有风向标影响，吃水位于满载吃水和压载吃水之间时，船体始终具有足够的干舷。圆筒型较船型FPSO具有水线面直径大、面积小的特点，从而呈现复杂的运动特性，在台风工况下容易出现甲板上浪而对船体产生破坏。在圆筒型FPSO型深一定的情况下，干舷越大，吃水越小，可装载量就会变少；反之，如干舷过小，易出现严重的甲板上浪，影响船体安全，因此合理确定圆筒型FPSO的吃水尤为重要。

结合南海多年现场开发经验及环境数据监测，圆筒型FPSO在季风下干舷不应低于10 m、在台风下干舷不应低于12 m，从而圆筒型FPSO针对操作工况和台风工况2种不同的满载吃水和压载吃水范围。在确定吃水范围时还应考虑到，若吃水范围较小，会给外输过程船体压调载带来较大压力，使得现场操作复杂。此外，不同的吃水也会对系泊定位及船体运动偏移带来影响，结果如表1所示。

可知，随着吃水的增加，最大系泊张力和最大的水平偏移在不同的浪向下都降低。综上所述，“海葵一号”FPSO采用的操作吃水范围为16.5～22.8 m，可满足南海作业不同季节的干舷要求、装载最大化及台风工况良好的运动性能。

2.2.2 船体直径设计

根据6×10⁴ t的原油舱容的需求及吃水范围，在船体尺度规划中考虑70 m和72 m两种不同方案的船体直径，具体参数如表2所示。

可知，72 m直径比70 m直径的初稳性高1.36 m。从“深海一号”能源站的设计经验中得知，GM值不仅是判断稳性的准则之一，也将影响浮式结构物的运动性能^[10]。为了验证不同直径的在位性能，建立圆筒型FPSO的水动力模型（见图2）进行满载和压载工况下升沉和纵摇影响，其结果对比如图3和图4所示。可以看出，72 m直径的运动性能较好，相同波浪环境激励下，圆筒型FPSO的升沉和纵摇幅值均小于70 m直径。同时，考虑到圆筒型FPSO需在油田服役25年，为了提高船体总体性能、增加上部组块布置的弹性和有效舱容，采用船体直径为72 m的方案。

2.2.3 阻尼板设计

阻尼板的作用主要用于增加附加质量和阻尼，提高圆筒型FPSO的在位性能。圆筒型FPSO时域耦合分析发现，在不同装载工况下圆筒型FPSO的摇摆周期跨越升沉的2倍周期，呈现典型的参数激振现象（马修不稳定性）（需要有一张图作支撑），因此阻尼板的抑制作用是降低船体运动的关键。

设计阶段为了验证不同形式的阻尼板的抑制效果，开展了4种不同型式阻尼板（见图5）的衰减模型试验，并通过Orcaflex软件拟合得到附加二阶阻尼值，其结果对比如图6所示。

可知，锯齿形补齐型的阻尼板附加二次阻尼为9500 kN/(m/s)²，大于其他3种阻尼板型式，因此“海葵一号”FPSO采用锯齿补齐型阻尼板来降低在位垂荡运动，提高运动性能。

结合船体吃水、船体直径以及阻尼板设计，圆筒型FPSO经过上述主尺度比选以后，其主尺度见表3。

2.3 挡浪墙设计方法

圆筒型FPSO在南海服役时会经受波浪的砰击作用，需要设置挡浪墙来抵挡上浪砰击的影响，但封闭的挡浪墙势必给油气处理设施带来聚集效应，不利于扩散，因此圆筒型FPSO在主甲板以上的区域采用通风隔断的挡浪墙（见图7），在保证挡浪的同时不会产生气体聚集。

波浪作用在圆筒型FPSO上有以下3种上浪现象。爬升上浪：水体沿着船体外壁直至漫过甲板，作用的载荷小；白水上浪：水体受船体外壁阻挡，翻滚至甲板，载荷量级适中，主要作用于外漂结构；绿水上浪：水体越过船体外漂结构拍击甲板。

由于波浪在恶劣海况下作业上浪随机性强，载荷幅值不同，在极端情况下威胁生产安全，因此采用模型试验验证圆筒型FPSO的上浪情况，不同上浪观测现象如图8所示。

根据南海多年FPSO的现场经验来看，水体爬升上浪不会引起甲板大量进水，白水上浪的载荷将对外漂结构产生影响，因此在设计中需评估白水上浪情况。绿水上浪由于其载荷量级较大，对结构及设施会产生严重的破坏情况，因此不允许有绿水上浪情况。模型试验测量波浪上浪高度如图9所示，不同波浪方向的工艺甲板上浪情况不同，在30°～150°方向以内，甲板上浪情况比较严重；在90°方向，其上浪接近3 m；在210°到330°，甲板上浪情况较轻；但在270°方向为1 m左右。

为更好地保证工艺甲板上的通风，工艺甲板上方挡浪墙的高度结合模型试验的监测数据确定，在45°～135°方向设置为3 m，在135°～180°和45°～345°范围内设置为2.25 m，在180°～330°范围内设置为1.5 m。

3 结　语

1）由于南海无大型动力定位油轮，圆筒型FPSO原油外输采用加装首装载的5×10⁴ t级常规油轮外输，节省了新建一艘动力定位油轮的费用，保证中深水边际油田开发的经济性。

2）圆筒型FPSO直径增加，有利于改善船体性能，且对上部组块的布置更友好。

3）采用锯齿形阻尼板改善垂荡运动性能，有利于立管和系泊的设计。

4）结合模型试验采用不同高度的挡浪墙，在保证设施及人员不受波浪的拍击的同时可降低气体聚集的风险。