超大型浮式海上基地概念及模块形式研究

(寇雨丰, 肖龙飞, 于 皓

)

1.上海交通大学,上海 200030;2.海洋石油工程股份有限公司设计公司,天津 300451

超大型浮式海上基地概念及模块形式研究

(寇雨丰1, 肖龙飞1, 于 皓2

)

1.上海交通大学,上海 200030;2.海洋石油工程股份有限公司设计公司,天津 300451

回顾了超大型浮式结构物的研究历程,在此基础上提出深远海超大型浮式海上基地概念,对有潜力作为其模块形式备选方案的新型深海平台概念进行了调研分析,并提出进一步开展相关研究的建议。

超大型浮式结构物;海上基地;深海平台;模块

Abstract:Based on a review of the research on Very Large Floating Structures(VLFS),a new concept of very large floating offshore base is proposed for the application in deepwater oil and gas exploration and production in the South China Sea.This concept is composed of different purpose-built modules connected by mooring lines.For the design of the modules,the recent development of new concepts of deepwater platforms is presented and analyzed.

Key words:Very Large Floating Structure;offshore base;deepwater platform;module

0 引言

海洋油气是世界经济发展所需能源之一,为寻找新的海洋油气资源,世界各国正不断向深水海域勘探。南海深水海域蕴藏着丰富的油气资源,是未来我国海洋油气开发的主要区域。但由于南海海域很广,最远的区域距海南岛1 000多公里,直升机的续航力无法满足;且气候恶劣,夏季台风和冬季风会威胁海上作业船只。因而,南海油气开发的后勤补给和安全得不到保障。作为开发利用海洋资源的研究基地、海上中转基地的超大型浮式结构物(VLFS),国外十分重视对它的研究。在南海未来的油气开发区域中心如能利用超大型浮式结构物,将其作为存放周边油气田开发所需物资的海上补给基地和中转站,并满足深水作业船风暴期间临时停靠的需求,这样就能解决南海油气勘探开发的诸多困难。因此,VLFS的研究对南海油气开发具有重要意义,也是我国实施深远海资源开发战略的一项重大任务。

本文回顾了各国对VLFS的研究历程,在此基础上提出深远海超大型浮式海上基地的概念,对有潜力作为其模块形式备选方案的新型深海平台概念进行了调研分析,并提出进一步开展相关研究的建议。

1 VL FS经典概念与研究历程

VLFS是指那些尺度以公里计的浮式海洋结构物。日本和美国对VLFS进行了持续深入的研究,分别提出Megafloat和移动式海上基地(MOB)这两种具有代表意义的VLFS概念。

Megafloat是一种箱式VLFS概念,包括箱式浮体、锚泊系统、通道以及防波堤等[1]。它是日本提出的一种可以实现陆地功能的人工岛,用作海上机场、离岸集装箱码头、浮动应急援救基地等。

1995年,日本专门成立Megafloat技术研究委员会(TRAM),研究Megafloat的设计、建造技术,并通过实地实验证明海上机场技术的可行性。1999年,TRAM按一个小型机场等比例建成了Phase 2模型,并成功地进行了飞机起降实验[2]。2001年,TRAM提出了半潜式Megafloat(SSMF)的概念,其具有良好水动力性能的立柱和下浮体,可适应于环境更恶劣的海域[3]。2001年后,日本造船研究中心和日本造船工程师协会继续对VLFS进行研究,为羽田国际机场的新跑道提出了一个海洋浮式结构的方案[2]。在该方案中,新跑道靠近Tama河的一段是柱-箱混合形式的浮式结构。

2006年,Wang等[4]发现Megafloat的变形存在碟形效应,即中部挠度明显大于周围部分。为解决这一问题,便在Megafloat周围区域设置底部有小孔的箱形单体,让海水流进箱型体内,使得Megafloat的挠度趋于一致。

浮式风力发电系统是Megafloat的一项重要应用,包括箱式、半潜式、Spar式、巡航式等形式。箱式系统可用于较平静的海域;半潜式和Spar式系统可用于海况相对恶劣的海域;巡航式系统是半潜式系统的改进,具有自航性能,可以躲避台风的袭击。2008年,Manabe等[5]对五下浮体型和双下浮体型巡航式风力发电系统进行了研究(如图1所示),水弹性响应分析和强度评估均表明该结构形式是可行的。

与Megafloat不同,MOB更多是为了满足美国海军发展的需求。MOB是指由具有推进装置的多个模块连接起来的、可固定在海上的多用途浮动后勤基地。它可以作为固定翼飞机和直升飞机的跑道和保障基地,也可以作为货物的储存中转站以便于货物的运转[6]。

1992年,美国国防部启动MOB研究计划。围绕建立可移动的后勤基地的目标,海况、靠泊方式、飞行甲板、可移动性、设计寿命、可维修性等设计标准相继确定。1993年～1997年,Brown&Root MOB、McMOB、独立半潜式 MOB的概念相继诞生[7]。这些概念均由几个半潜式模块连接而成,各模块具有其特定的功能。它们分别采用刚性连接器、柔性连接器和动力定位来保持整体性。独立半潜式MOB如图2(a)所示。进一步的研究表明[8],作为能够完成飞机常规起降的海上基地,应由多个模块相连而成,半潜式是模块形式的必然选择。为此,美国海上战争中心对单个、两个和四个半潜式模块组成的MOB进行了水池实验研究,美国海军学院也对半潜式模块在拖航状态下的动力特性和在生存海况下的气隙性能进行了一系列实验研究。2003年,海上基地被美国海军定位为海军建设的三大基石之一,它具有物资中转、驻扎军队、储备军事设施和支持飞机起降的功能。在此基础上,MOB的概念也发生了变化,特指由多个功能模块组成的较长的海上基地,具有支持飞机常规起降的功能[8]。

VLFS概念在其他国家也得到重视和发展。挪威曾提出混凝土/钢MOB概念[9],其半潜式模块由钢甲板、钢交叉支柱和水泥主体组成,具有便于拖航、良好的响应特性和静水力性能等优点,并且半潜式单体可以建造得比较长;挪威还提出柔性桥连接半潜式MOB的概念[10],模块间采用长度410 m的柔性桥连接,如图2(b)所示;荷兰人Pinkster[11]提出了气垫支撑MOB的概念,认为其相比于其他MOB概念具有中部弯矩较低的优点[12],但有研究发现该MOB概念在波浪作用下存在显著的共振效应[13];新加坡为提高储油能力而提出了海上超大型浮式储油设备(FFSF)的概念[14],FFSF由两个大型箱式模块组成,外围设置了浮动箱式消波堤,大大降低了浮式模块的垂荡运动;中国对VLFS的水弹性响应、MOB连接器等也进行了大量深入的研究[15～17]。

2 深远海超大型浮式海上基地概念

从世界各国对VLFS的研究历程可以发现,VLFS的概念层出不穷。VLFS的发展呈现出这样的趋势:

(1)VLFS的应用领域在拓展。MOB的研究出于美国海上军事基地的需求;Megafloat最初用作海上机场等,后来被拓宽用作海上风力发电系统;FFSF则是一种海上超大型浮式储油设备。可以预见,VLFS用途将不断扩展,而这也决定了其形式的多样化。

(2)VLFS分为定点式和移动式。MOB是移动式VLFS的典型代表,它不仅要求各模块能方便地组装、拆分,还要求某些模块具有自航能力。而像FFSF这样的定点式VLFS则对定位、生存能力等更加关注,因此往往需要设置消波堤。

(3)VLFS的模块形式更加丰富。对于在海湾等遮蔽水域中用作海上机场的箱型模块是不错的选择;对于在海洋环境更加恶劣的深水区域使用的MOB,半潜式模块长期以来都是主要选择;Spar型模块开始引起重视;混合型模块综合了多种模块的优点,具有相当大的潜力。

(4)VLFS的模块功能更加清晰。特别是作为海上基地的VLFS,需要完成储藏物资、装卸货物、安置人员等多项任务,这就要求各个模块分工明细。例如,MOB的每个组成模块往往都有其特殊的功能。

(5)VLFS的模块之间连接方式多样化。MOB的模块间连接方案始终是一项关键技术。人们提出用刚性连接器、柔性连接器、柔性连接桥、动力定位等方式来保持MOB的整体性。而对于不需要大面积连续甲板的VLFS,可以采用缆绳、栈桥等方式连接模块。

但是,目前在各种 VLFS概念中,并没有为深海油气开发提供补给的中转基地,这是由于国内外油气开发绝大多数集中在补给较为方便的近海。然而南海深水油气开发需要在离岸1 000多公里的深远海作业,因此我们在前述研究成果的基础上提出了深远海超大型浮式海上基地的概念:深远海超大型浮式海上基地是由具有储备物资、庇护船舶、安置人员等功能的多个模块连接在一起组成的能适应恶劣海况的定点式超大型浮式结构物。图3为一种深远海超大型浮式海上基地概念的示意图。

图3所示的深远海超大型浮式海上基地由两个工程船救助模块、两个储物模块和两个起居模块组成一个六边形形状的结构,同功能模块分布于相对的顶点处,这种布置可使某功能模块到另两种功能模块的距离最短。该海上基地概念并不需要起降运输机的功能,各模块间通过缆绳连接并可以搭接栈桥,各模块与海底间都有系泊系统,这样任意模块的定位都是由其与相邻模块的缆绳和与海底间的系泊系统共同完成。在作业工况时,模块间的缆绳收短,并搭接栈桥,人员可以在模块间走动;在生存工况时,模块间的缆绳放松,使模块间距增大,并收回栈桥。

图3 深远海超大型浮式海上基地概念示意图

图3中的工程船救助模块主要功能是作为工程船舶的靠泊码头,并提供补给和维护服务;储物模块主要功能是作为油气勘探、钻井、开采过程所需物资的中转站;起居模块主要功能是作为基地工作人员、工程船工作人员和周边油田工作人员的生活场所。

3 深远海超大型浮式海上基地的模块形式

对于深远海超大型浮式海上基地,孤立地看待每个模块,它就是一个深海平台。因此,可以根据模块的功能选择最有利的模块形式。不断涌现的深海平台概念都是深远海超大型浮式海上基地模块的备选形式。下面分别对有潜力作为模块选型方案的新型半潜式、单柱式、混合形式深海平台概念进行介绍。

3.1 半潜式平台

半潜式平台概念历经数十年发展。外形结构不断简化,立柱数量减少、横截面积增大,立柱一般为圆形或者圆角方形;下浮体趋向于简单箱型,常见的是双下浮体和正方形浮箱,最近还出现三边形浮箱[18]。半潜式平台具有适用工作水深广、抗风浪能力强、甲板面积大、装载量大、转移安装方便和投资较少等优点[19],美国的MOB就采用半潜式模块。而图3中的工程船救助模块采用了双下浮体的半潜式模块。

近年来,深吃水半潜式平台(DDS)概念受到广泛重视,它比传统半潜式平台的吃水增加了10～15 m,既保持了半潜式平台的优点,又在垂向响应特性上得到明显改善,其缺点是立柱在遭遇强海流时会产生涡激运动[20]。挪威Aker公司已开发了适用于墨西哥湾的DDS[21]。设置垂荡板以降低垂荡运动响应的方案,也被一些新型半潜式平台概念所采用。Aubault等[22]提出直接在平台立柱底部设置垂荡板;Murray等[23]提出在平台中央设置一个导管架中心井,在中心井下端设置垂荡板。Versabuoy平台[24]也是一种新型半潜式平台,其立柱和平台甲板为铰链接,这使得立柱可以相对于甲板转动,降低了平台甲板及上层建筑的运动。图4所示为3种新型半潜式平台概念。

图4 新型半潜式平台概念

3.2 单柱式平台

Spar平台是最典型的单柱式平台形式,适用深水和超深水作业,稳性好,运动性能优良,是我国南海油气开发和海上基地模块的备选平台形式。目前,已有Classic Spar、Truss Spar、Cell Spar等3代Spar平台投入工程应用,新的Spar平台形式正在研制[25]。除此之外,新型的单柱式海洋结构物也不断出现,如图5所示。

挪威Sevan Marine公司开发的Sevan Hull系列平台具有圆柱形的壳体,底部设置了外部舭龙骨,可以通过锚链或动力定位系统进行定位。该系列平台具有成本低、建造快、承载能力强、响应特性好、应用范围广等特点[26],已开始投入工程应用。巴西石油公司提出的MONOBR平台形式与Sevan系列平台相似,外形上不同之处在于MONOBR壳体在水线处的直径有所减小,在恶劣海况下存在甲板上浪的问题[27]。挪威Aker公司提出的Buoyform平台的外壳为锥形体,具有更强的抵御冰载荷的能力[28]。这几种新型单柱式平台的共同特点就是装载量大,图3中的储物模块采用了与之类似的圆柱壳体的单柱形式。

3.3 混合形式平台

半潜式平台和单柱式平台各有明显优缺点,将二者结合形成混合形式平台概念,成为近年来新型深海平台概念发展的热点,也为海上基地模块形式提供了新的选择,如图6所示。

图5 新型单柱式平台概念

图6 混合形式平台

2006年,美国FloaTEC公司提出了桁架半潜式平台(Truss Semi)的概念[29]。其主体是半潜式平台,同时借鉴桁架式Spar平台的理念,设置了几块通过桁架连接的垂荡板,以降低半潜式平台的垂荡幅度,桁架则与平台的立柱相连。美国Bennett&Associates公司提出了新型平台概念MinDoc3[30]。其有3根立柱,按顶角为146°的等腰三角形布置;立柱的上半部直径44 m,下半部直径25 m,分别与上、下浮筒相连。MinD-oc3是半潜式平台和桁架式Spar的组合改进,虽然外形像半潜式平台,但其重心位置低于浮心,因此其稳性和动力特性跟Spar平台相似。ATP公司已于2006年引进了MinDoc3平台概念,以付诸工程实践。美国AGR DDS公司提出了多柱式平台(Multi-column floater)的概念。其主体是半潜式平台,但其立柱比传统的半潜式平台立柱长,且每个立柱由多个直径较小的圆柱组成,立柱下端与浮筒相连[31]。这实际上是半潜式平台和Cell Spar的组合设计。

图3中的起居模块采用了桁架半潜平台的形式,是由于其在海洋环境中运动幅度小,可以提供较为舒适的起居环境。

4 总结与建议

国际上关于海上机场、海上基地等VLFS的研究,涵盖概念设计、动力特性预报、模型实验等多个领域,不同功能的海上基地在其模块形式、模块功能、模块间连接方式等方面都可能不同。为适应我国未来南海深水油气大开发的需要,提出深远海超大型浮式海上基地的概念,即由具有储备物资、庇护船舶、安置人员等功能的多个模块连接在一起组成的能适应恶劣海况的定点式超大型浮式结构物。模块形式的选取,可借鉴性能优良的新型深海平台概念。深远海超大型浮式海上基地的研究刚刚起步。有关总体方案设计、模块选型、模块运动性能与控制、模块间的连接方案、多浮体动力响应分析、定位系统、水池模型试验、海上安装与连接等一系列关键技术问题还需要深入研究。

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Research on the Concept and Module Type of Very Large Floating Offshore Base

KOU Yu-feng1, XIAO Long-fei1, YU Hao2
(1.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,China;2.Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China)

P75

A

1001-4500(2010)04-0019-06

2009-11-23; 修改稿收到日期:2010-03-28

国家高技术研究发展计划(八六三)资助项目(2008AA09A107)

寇雨丰(1986-),男,硕士生,主要从事海洋结构物水动力学的研究。