CN103738478B - 深水立柱式外输浮筒 - Google Patents
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Abstract
一种深水立柱式外输浮筒，包括：一浮筒主体、设在浮筒主体上的转台，该转台通过旋转轴承与浮筒主体连接，该浮筒主体为深吃水立柱式结构，在立柱式浮筒主体的底部设置有一固定压载舱，顶部靠近水线面处设置有压载水舱；同时，该立柱式浮筒主体的横摇、纵摇及升沉运动的自然周期大于20秒，以远离波浪主能量区。本发明适用范围广，不仅能够服役于环境条件恶劣的海域，亦能够服役于条件优良的海域；而且，极大的改善了外输浮筒的运动性能，实现了在深水海域恶劣海况下的远程外输操作；同时，使外输油管和锚泊系统的设计难度大为降低，并可以节省外输及锚泊系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及原油外输装置，尤其涉及一种适用于深水恶劣环境下的浮式平台原油外输的深水立柱式外输浮筒。属于海洋工程领域。
背景技术
原油外输是海上油田开发的一个重要组成部分，直接影响到整个油田开发的经济效益。迄今为止，对于海上原油的外输模式有两种形式，一是：海底管道外输；二是：海上穿梭油轮外输。
尽管利用海底管线外输原油不会受到环境气候条件的影响使油田停产，且管线的营运管理费用也较低，但海底管线建设的投资费用相当高，具有较大的投资风险，一旦铺设，必须有足够高的原油产量才能回收海底管线的巨额投资。比如：美国墨西哥湾，海底管道系统非常成熟和密集，因此，原油外输主要依靠海底管道系统。
而对于世界上其它深水海域，如：南中国海、西非海域，巴西，东南亚等，由于海底管道系统欠发达，海上穿梭油轮外输系统，仍是目前海上油田原油外输的主要方式。
海上穿梭油轮外输系统一般包括：浮式储油平台、系泊设施和穿梭油轮。利用穿梭油轮进行原油外输的最显著特点是投资少，且设施可重复使用，能够用于多个海上油田开发的原油外输任务，使用方便，不会因油田储量小的限制而产生投资风险。一般可根据油田的产量、储油设施的能力和油田离岸距离，选择一艘或几艘穿梭油轮来运油。
根据靠泊方式不同，采用穿梭油轮进行外输可分为：串靠式；旁靠式；远程外输式。其中，串靠式和旁靠式外输，一般要求浮式储油平台为海上油田浮式生产储油系统(FPS0)，且一般具有和穿梭油轮一样的船型设计或者单点系泊系统。
如图2所示，目前，现有的传统外输浮筒为浅吃水单桶型结构，通常由桶型结构主体201和设在桶型结构主体201上的转台202组成，其中，转台202与桶型结构主体101通过旋转轴承连接，以实现转台202与桶型结构主体101之间的相对转动；桶型结构直径一般在20米左右，吃水一般在10米左右。
现有的传统外输浮筒具有结构简单，用料比较省，运输和安装较为经济的优点。但其只适用于诸如西非等环境条件非常好，波浪较小的区域；因此，此种外输浮筒在西非海域得到了广泛的应用。其缺点是，由于外输浮筒的运动自然周期(在设计时，主要考虑到横摇、纵摇和升沉，)一般在10秒左右，接近于波浪的主能量区，所以，其运动性能非常差，对外输油管和锚系的设计要求非常高，无法应用于环境条件相对恶劣，波浪较大的海域，如：南中国海、北海、巴西以及世界其它海域。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种深水立柱式外输浮筒，其适用范围广，不仅能够服役于环境条件恶劣的海域，亦能够服役于条件优良的海域；而且，极大的改善了外输浮筒的运动性能，实现了在深水海域恶劣海况下的远程外输操作；同时，使外输油管和锚泊系统的设计难度大为降低，并可以节省外输及锚泊系统的成本。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种深水立柱式外输浮筒，包括：一浮筒主体，其特征在于：还包括：设在浮筒主体上的转台，该转台通过旋转轴承与浮筒主体连接，该浮筒主体为深吃水立柱式结构，在立柱式浮筒主体的底部设置有一固定压载舱，顶部靠近水线面处设置有压载水舱；同时，该立柱式浮筒主体的横摇、纵摇和升沉运动的自然周期大于20秒，以远离波浪主能量区。
所述立柱式浮筒主体运动的自然周期的计算公式为：式中，M为：浮体的质量和附加质量之和；K为：该运动自由度的刚度系数。
所述立柱式浮筒主体的中部、外输油管连接处附近布置有外输油管连接器基础结构、外输浮筒锚链基础结构；同时，立柱式浮筒主体的中部附近还布置有锚链。
所述转台与缆索臂连为一体，缆索臂通过转台与外输浮筒连接，外输浮筒通过系缆与穿梭油轮连接。
所述缆索臂呈延伸式结构，即：缆索臂往外并往下延伸一设定距离，使缆索臂形成一个倒“L”型，以减小穿梭油轮对外输浮筒产生的倾覆力矩。
所述转台顶部的甲板处，设置有顶部连接结构，顶部连接结构为板梁结构。
所述立柱式浮筒主体是由数个深吃水细长立柱连接构成，立柱式浮筒主体的柱体的中间、中部锚链和外输油管连接处，设置有中部连接结构，该中部连接结构为：桁架结构或者板梁结构，用以连接立柱式浮筒主体的柱体及支撑锚链和外输油管。
所述固定压载舱连接在立柱式浮筒主体的柱体之间，固定压载舱为密闭舱室结构。
本发明的有益效果：本发明由于采用上述技术方案，其适用范围广，不仅能够服役于环境条件恶劣的海域，亦能够服役于条件优良的海域；而且，极大的改善了外输浮筒的运动性能，实现了在深水海域恶劣海况下的远程外输操作；同时，使外输油管利锚泊系统的设计难度大为降低，并可以节省外输及锚泊系统的成本。
附图说明：
图1为本发明海上油田远程式外输布置图。
图2为现有传统深水外输浮筒立体结构示意图。
图3A为本发明立柱式深水外输浮筒透视图。
图3B为本发明立柱式深水外输浮筒侧视图。
图中主要标号说明：
101.浮式储油船、102.系泊系统、103.外输油管、104.外输浮筒、105.系泊系统、106.漂浮软管、107.系缆、108.穿梭油轮、201.桶型结构主体、202.转台、300.水线面、301.立柱式浮筒主体、302.转台、303.压载水舱、304.浮力舱、305.固定压载舱、306.缆索臂、307.外输油管配管、308.外输油管连接器基础结构、309.锚链、310.外输浮筒锚链基础结构、311.顶部连接结构、312.中部连接结构、313.底部连接结构。
具体实施方式
如图1所示，典型的深水油田远程外输系统包括：分别固定在海底的系泊系统(102，105)、悬浮在水中的外输油管103、固定于海底的外输浮筒104及通过系缆107与外输浮筒104相连的漂浮软管106，其中，系泊系统102与浮式储油船101连接，使浮式储油船101稳定在海上；另一固定在海底的系泊系统105与外输浮筒104连接，使外输浮筒104稳定在海上；悬浮在水中的外输油管103的一端与浮式储油船101连接，另一端与外输浮筒104连接；穿梭油轮108通过系缆连接在外输浮筒104上，穿梭油轮108与外输浮筒104共享一套系泊系统105。处理好的原油从浮式储油轮101通过外输油管103输送至外输浮筒104，再从外输浮筒104通过漂浮软管106输送至穿梭油轮108，最后，由穿梭油轮108运输至陆上终端，完成一次原油外输操作。
从外输流程中可以发现，外输浮筒104在整个外输系统当中至关重要，需要保证外输油管103以及系泊系统(102，105)的设计安全，同时，需要给穿梭油轮108提供系泊依靠。由于外输浮筒104本身尺寸较小，其受到的波浪影响非常显著，外输浮筒104的运动对外输油管103及系泊系统(102，105)的极限强度和疲劳寿命要求非常高。对于环境条件非常好波浪较小的海域，现有传统的外输浮筒104虽能满足设计使用要求，而对于环境条件恶劣波浪较大的海域，则无法采用现有传统的外输浮筒104。
如图3A，图3B所示，本发明包括：一立柱式浮筒主体301、设在立柱式浮筒主体301上的转台302，其中，转台302通过旋转轴承与立柱式浮筒主体301连接，以实现转台302与立柱式浮筒主体301之间的相对转动；根据波浪的长期统计特征，波浪能量一般只分布在波浪周期为3-20秒范围之内，对于周期大于20秒的区间只有微小的能量存在。因此，本发明的立柱式浮筒主体301增大了其运动的自然周期，以远离波浪主能量区。其升沉、横摇和纵摇运动的自然周期为：大于20秒。
根据浮体运动方程，浮体某个运动自由度的自然周期为：式中，M为：浮体的质量和附加质量之和；K为：该运动自由度的刚度系数。从公式中，可以看出，要增大浮体的运动周期，只有两个选择，即：增大浮体质量或者减小运动刚度系数。对于本发明浮筒，主要考虑升沉、横摇和纵摇三个自由度的运动。
对于升沉运动，M为：浮筒的质量和附加质量之和，K为：升沉运动水弹性刚度，具体表现为：水线面面积大小。增大质量M意味着增加钢重，成本上升，此做法不予推荐。
本发明立柱式浮筒主体301为：两根(或多根)深吃水细长立柱连接构成立柱体式结构，可有效地减小深沉运动刚度，增大运动自然周期。同时，细长柱体结构也有效的减少了水线面附近的波浪作用面积，取到了减小波浪力的作用。
对于横摇、纵摇运动，M为：浮筒的转动惯量与附加质量之和。K为：横摇、纵摇恢复力矩，表现为排水量与横稳心高、纵稳心高的乘积。
本发明为深吃水式结构，浮力舱304为整个外输浮筒提供足够浮力，在浮筒主体301的底部设置有一固定压载舱305，在立柱式浮筒主体301的顶部靠近水线面300处设置有压载水舱303，固定压载舱305和压载水舱303都远离立柱式浮筒主体的重心位置处，这样，可最大程度的增大浮筒的转动惯量。同时，在满足稳性要求的前提下，通过调整固定压载舱305和压载水舱303的配比来最小化横稳心高、纵稳心高。最终，使得立柱式浮筒主体301的横摇、纵摇运动的自然周期大于20秒，达到远离波浪主能量区的目的。
本发明由于采用深吃水式柱式结构，并且，在柱体底部设置固定压载舱305，降低了整个结构的重心位置。使得整个结构的重心低于浮心，达到无条件稳定。
双柱式结构只为其中的一种实现形式，在保持性能一致的前提下也可以采用其他结构形式，如单柱式或三柱式等。
转台302与缆索臂306为一体，缆索臂306通过转台302与外输浮筒连接，外输浮筒通过系缆与穿梭油轮连接。
穿梭油轮在外输作业过程中，通过系缆连接在外输浮筒的缆索臂306上，缆索臂306与转台302为一体式结构，穿梭油轮在受到环境力作用的时候，将随着转台302围绕外输浮筒旋转到所受环境力最小的方向，并形成风向标效应。与此同时，穿梭油轮将对外输浮筒产生一个较大的倾覆力矩。将缆索臂306设计成延伸式，即：缆索臂306往外并往下延伸一设定距离，使缆索臂306形成一个倒“L”型，可有效的减小穿梭油轮对外输浮筒产生的倾覆力矩。
根据浮体的运动特征，横摇和纵摇运动对所连接物体造成的影响，将随着与旋转中心的距离增大而增大。将外输油管连接器基础结构308、外输浮筒锚链基础结构310布置在旋转中心附近，即：立柱式浮筒主体的的中部、外输油管连接处附近；可有效的降低了外输浮筒运动所引起的作用力。同时，锚链309连接布置在旋转中心附近，即：立柱式浮筒主体的的中部附近；减小了水平锚链力对外输浮筒产生的倾覆力矩。
根据外输浮筒的设计功能特点，转台顶部的甲板处，以及中部锚链和外输油管连接处，承担了主要的连接外载荷，此外，底部的固定压载处将产生较大的重力及惯性载荷。本设计在上述的三个关键位置处设置有加强连接结构。其中，转台顶部的甲板处设置有顶部连接结构311，顶部连接结构311为典型的板梁结构，起到负责连接立柱式浮筒主体301的左右两柱体和支撑转台302的作用，中部连接结构312可为桁架结构或者板梁结构，起到负责连接立柱式浮筒主体301的两柱体和支撑锚链和外输油管的作用，外输油管配管307用于实现外输油管与漂浮软管之间的连接；底部连接结构313为密闭舱室结构，同时也作为固定压载舱305的一部分连接在立柱式浮筒主体301的柱体之间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种深水立柱式外输浮筒，包括：一浮筒主体，其特征在于：还包括：设在浮筒主体上的转台，该转台通过旋转轴承与浮筒主体连接，该浮筒主体为深吃水立柱式结构，在立柱式浮筒主体的底部设置有一固定压载舱，顶部靠近水线面处设置有压载水舱；同时，该立柱式浮筒主体的横摇、纵摇及升沉运动的自然周期大于20秒，以远离波浪主能量区；所述立柱式浮筒主体的中部、外输油管连接处附近布置有外输油管连接器基础结构、外输浮筒锚链基础结构；同时，立柱式浮筒主体的中部附近还布置有锚链；所述立柱式浮筒主体是由数个深吃水细长立柱连接构成，立柱式浮筒主体的柱体的中间、中部锚链和外输油管连接处，设置有中部连接结构；所述转台与缆索臂连为一体，缆索臂通过转台与外输浮筒连接，外输浮筒通过系缆与穿梭油轮连接；所述缆索臂呈延伸式结构，即：缆索臂往外并往下延伸一设定距离，使缆索臂形成一个倒“L”型，以减小穿梭油轮对外输浮筒产生的倾覆力矩。
2.根据权利要求1所述的深水立柱式外输浮筒，其特征在于：所述立柱式浮筒主体运动的自然周期的计算公式为：式中，M为：浮体的质量和附加质量之和；K为：该运动自由度的刚度系数。
3.根据权利要求1所述的深水立柱式外输浮筒，其特征在于：所述转台顶部的甲板处，设置有顶部连接结构，顶部连接结构为板梁结构。
4.根据权利要求1所述的深水立柱式外输浮筒，其特征在于：所述中部连接结构为：桁架结构或者板梁结构，用以连接立柱式浮筒主体的柱体及支撑锚链和外输油管。
5.根据权利要求1所述的深水立柱式外输浮筒，其特征在于：所述固定压载舱连接在立柱式浮筒主体的柱体之间，固定压载舱为密闭舱室结构。
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