双曲面形浮式生产储油平台的制作方法

双曲面形浮式生产储油平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双曲面形浮式生产储油平台。它包括：一浮体；所述浮体的垂直截面呈单叶双曲面形或旋转单叶双曲面形；沿所述浮体的轴向方向上，所述浮体的中部设有圆柱体形的中央舱；沿所述中央舱的外壁，设置有环形的储油舱；一生产甲板；所述生产甲板设于所述浮体的上端面上；所述生产甲板上设有油气处理模块、注水模块、水处理模块、供配电模块、辅助生产模块和生活楼模块。本发明克服了船型FPSO的固有缺陷，使其在继承传统FPSO迁移方便、可重复使用的优点的基础上，进一步改善稳性和水动力性能，提高储油效率和承载能力、降低建造难度和成本，为海上油田高效开发提供了一种新型装置。
【专利说明】双曲面形浮式生产储油平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双曲面形浮式生产储油平台，属于海洋工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]FPSO (Floating Production Storage and Offloading System,浮式生产储油装置)是集油气处理、储油与卸油、供热、发电、控制和生活功能为一体的海上浮式油气处理装置，主要由油气处理系统(上部模块)、储油与卸油系统(容器状浮体)和系泊系统等三大部分组成。
[0003]FPSO的性能主要通过其安全性和操作性的优劣以及对功能要求的满足情况进行考查。从安全性和操作性考虑，FPSO应具有良好的稳性和水动力性能；从功能要求考虑，FPSO应具有较大的储油量、承载能力和甲板面积。FPSO的浮体外形决定其安全性、运动特性、浮体强度、储油效率以及建造成本和操作成本，而FPSO的运动性能又直接影响上部设备与仪器的正常工作、生产原油的质量和人员的舒适性。
[0004]传统的FPSO —般利用旧油轮改造而成，或遵循标准船舶的设计理念设计、新建驳船形状的浮体。细长且不对称的船型浮体使永久系泊于某一海域的FPSO存在如下不足。
[0005]其一，船型浮体运动性能较差。因船型浮体的水线面面积相对较大，垂荡固有周期一般在波能集中区域内，导致垂荡幅度较大；长宽尺度相差悬殊，导致浮体对环境力的作用方向非常敏感，尤其横摇严重，影响设备与仪器的正常工作、生产原油的质量、卸油、直升机起降、补给船靠泊和人员的舒适性。
[0006]其二，生产成本和运营成本高昂。为了改善运动性能，减小设计载荷，船型FPSO —般配置带有转塔和流体接头的单点系泊系统，使FPSO具有360°全方位自由旋转的风向标效应，以规避风、浪、流带来的破坏力。但转塔和流体接头价格昂贵，生产周期长，设计人员和制造商很少，而且需要经常维修保养，存在因密封件泄漏等原因引起的潜在停产期，使油田生产成本大大增加。
[0007]其三，浮体形状影响其强度。细长船型浮体的纵向中拱和中垂弯曲载荷很大，使浮体容易产生裂纹扩展并遭受疲劳破坏。对于使用旧船改装的FPS0，尤其是1985年之后建成的船舶，因为多使用了高抗拉强度钢材，疲劳破坏问题尤为严重。为了满足强度要求，一般需要进行局部结构加强，进一步增加了 FPSO的造价。
[0008]其四，储油效率不理想。船型浮体的方形系数一般为0.75?0.93，所以船型FPSO的储油效率(即单位平面面积的储油量)也不够理想。
[0009]其五，平面布置不合理。船型FPSO的上部模块布置一般是将生活楼布置在船首或船尾，致使生活楼总是处于危险油气之间，存在重大的安全隐患；细长型浮体和甲板增加工艺模块之间连接管系的长度和布置难度，且其总体布置沿袭油轮的布置方式，导致工艺流程管系复杂；长宽尺度比例较固定的甲板平面也不便于进行总体布置的优化设计。
[0010]因此，随着可改造油轮数量的减少、人们对FPSO的重新认识以及对边际油田开发的需求，迫切需要改进FPSO的设计。[0011 ] 新一代FPSO采用了更能符合FPSO功能需求的浮体形式，其中，有代表性的是挪威SEVAN MARINE公司研发的圆筒形FPSO系列。其独特的圆筒形浮体外形消除了首摇激励，使浮体各个方向具有相似的运动性能，但圆筒形FPSO仍存在一些缺点，如浮体水线面较大，排水量相对于上部模块重量较小，垂荡运动幅度较大，易激发涡激振动，且甲板面积较小而紧凑，不利于危险区与非危险区的分离等。
[0012]综上所述，为了充分发挥FPSO在海上油田开发中的潜力，有必要研发全新概念的FPSO浮体形式。

【发明内容】

[0013]本发明的目的是提供一种双曲面形浮式生产储油平台，本发明能够解决FPSO运动性能不佳的问题，可通过利用底部压载舱和双曲面上、下底面大小的不同及在底部增设固定压载物来调整重心位置，使其位于浮心之下，并通过深吃水设计加大浮心高度，从而使该平台成为一种无条件稳定浮体，在此前提条件下，减小结构自重，降低建造和运营成本。
[0014]本发明所提供的一种双曲面形浮式生产储油平台，它包括:
[0015]一浮体；所述浮体的垂直截面呈单叶双曲面形或旋转单叶双曲面形；沿所述浮体的轴向方向上，所述浮体的中部设有圆柱体形的中央舱；沿所述中央舱的外壁，设置有环形的储油舱；
[0016]一生产甲板；所述生产甲板设于所述浮体的上端面上；所述生产甲板上设有油气处理模块、注水模块、水处理模块、供配电模块、辅助生产模块和生活楼模块。
[0017]本发明中使用的“双曲面形浮体”具有较小的水线面面积，能够保证获得足够大的固有周期。在浮体长、宽尺度相同或相近的条件下，与船型FPSO相比，可以保证浮体对不同方向的海洋环境载荷都有良好的适应性，使浮体稳性更好。在不同方向的风、浪、流作用下具有相似的运动响应，基本消除了首摇激励，适于采用多点系泊系统，而没有必要使用昂贵的转塔和流体接头。且与圆筒形FPSO相比，双曲面形浮体上部外展的外形使甲板使用面积更大，更能满足甲板工艺模块的操作流程要求。
[0018]另外，在保证稳性和保持主甲板面积不变的情况下，双曲面形浮体还能尽量加大型深，以加大浮体的横截面面积，增加浮体的有效装载体积；提高浮体的剖面模数，进一步增大结构强度，减小结构应力；并且因此来获得较大的排水量，免受大水线面面积所带来大波浪力的影响，减小波浪对浮体底部的激励所导致的垂荡响应。浮体的收缩的立面曲线形状比圆柱形的立面直线形状具有较小的迎风面积和较低的受力作用点，所受风载荷和风倾力矩更小，且更能分散海流的冲击作用，有利于减小阻力，抑制涡激振动，减小摇荡运动幅值。相同或相近的长宽尺度、适当外倾的横剖线和浮体下部的固定压载也使浮体各个方向的稳性更好，工作甲板的承载能力更大。当浮体侧面倾斜角度较大时，将使作用于其上的海冰以较弱的受弯方式破坏，因而具有明显的抗冰能力，可以适用于有冰海域。水上部分的外飘流线形外形能够减少波浪抨击和甲板上浪现象。
[0019]本发明中单叶双曲面浮体的紧凑型设计可使其结构件的弯曲载荷和疲劳强度最小化；显著提高浮体的储油效率；安装与维修时，减少与工作船碰撞的危险。而且，紧凑的浮体还可显著节约用钢量，经粗略计算，与相同储油量的船型FPSO相比，本发明的浮体可节约用钢量近30%。浮体呈对称形状，结构简洁，适合进行模块化设计和建造，以降低成本、缩短建造工期，并且由于各模块结构的相似程度高，进一步降低了设计和建造的难度。
[0020]本发明的浮体中部设置的中央舱，可用于敷设管线，直接通往所有舱室，而在油、水舱中不再需要任何管线，从而简化了设计、制造和操作。各种管线和电缆等原材料可比船型FPSO节约近30%。
[0021]上述的双曲面形浮式生产储油平台中，所述浮体为双层底结构和双舷侧结构，其内部空间可用作压载舱，用来调整浮体的重心高度和控制吃水。
[0022]上述的双曲面形浮式生产储油平台中，沿所述储油舱的外壁设置有工艺舱室，包括生产功能舱室、钻采设备舱室和泵舱。
[0023]上述的双曲面形浮式生产储油平台中，所述工艺舱室的外壁与所述浮体的双曲面侧壁之间设有边压载舱。
[0024]上述的双曲面形浮式生产储油平台中，所述储油舱为6个，且以所述中央舱为中心呈对称设置。
[0025]上述的双曲面形浮式生产储油平台中，所述浮体的下端面连接一底压载舱，所述底压载舱的横截面与所述浮体的横截面的形状和尺寸均一致，即将所述浮体的下端面作为所述底压载舱的顶面，如可采用为圆形或椭圆形。所述底压载舱兼起到减摇水舱和垂荡板的作用，增大了附加质量和横摇、垂荡阻尼，减小了浮体的横摇和垂荡运动幅值以及系缆的动张力。底压载舱的外侧部分填充重物，作为永久固定压载，以进一步降低浮体的重心且加大惯性矩，并使FPSO在营运过程中不同载况下的吃水均处于喉圆附近的水线面较小的截面上，以保证浮体的浮心高于重心，从而使该平台成为一种无条件稳定浮体。深吃水设计还可减小风载荷，并进一步优化浮体的运动性能，降低系泊系统成本，减少压、排载水量及操作成本。
[0026]上述的双曲面形浮式生产储油平台中，所述底压载舱等分为6个部分，且与所述储油舱的位置相应，从结构连续性的角度考虑，有利于提高钢材利用率，节约钢材。
[0027]本发明的储油平台中，所述浮体结构可为钢结构或高强度预应力钢筋混凝土结构。采用钢筋混凝土结构时，由于单叶双曲面为直纹面，因此在设计、建造浮体结构时，根据单叶双曲面有且仅有两组母线这一性质，可把编织钢筋网的钢筋取为直材，并配以围圆，两者的疏密程度均可据强度要求而确定。如此建造，可收到结构外形准确、省时、省力、操作简便等效果，并具有较好的力学性能。
[0028]本发明双曲面形浮式生产储油平台采用单叶双曲面形主体，具有如下优点:
[0029]1、结构稳定性好。
[0030]单叶双曲面型结构的稳定性就如同将一捆木棍中间绑紧，木棍捆两头自然散开立在地面形成的结构的稳定性，相比直接立在地面，该结构棍与棍之间因有了交叉形成的节点而获得较好的约束力。由单叶双曲面的性质可知，若将斜支柱按照单叶双曲面直母线的位置排列，则每个节点处的斜支柱将形成人形几何结构，可以有效承受自重。同时每一条直母线上的杆件又对不止一条其他直母线上的杆件具有节点约束，使主体结构整体稳定性提高，能够抵抗不同水平方向的外界刺激，而且，自上而下逐渐加大的直径对主体稳定性也十分有利。
[0031]2、形体简单，建造方便。
[0032]由单叶双曲面性质知，单叶双曲面是通过一条直线绕一条与之异面但不垂直的直线旋转而得，或通过一条双曲线绕其虚轴旋转而得的简易结构。采用钢筋混凝土框架结构施工时，只需按曲面直母线布杆，则直接形成标准曲面，容易施工，且充分体现设计要求；使用钢结构壳体时，可以将壳体相对于竖轴中心设计成对称的形式，进行对称分段，使设计和建造工艺简单化，可以标准化组织生产。
[0033]3、造型美观，强度高。
[0034]旋转单叶双曲面可由双曲线绕虚轴旋转得到，也可看作由不垂直的两条异面直线中的一条绕另一条旋转而产生的曲面。单叶双曲面是一种双重直纹曲面(Ruled Surface),可用直的钢梁建造，这样，会减小环境力的阻力，同时，可用最少的材料来维持结构的完整。双曲面形薄壳空间结构与平板结构相比较，具有更高的承载效率，较高的储备强度和结构完整性，高强度/质量比，较高的结构刚度，较好的空间利用率，布置紧凑，用相同的材料能获得最大的容积。除结构方面的特点之外，双曲面形薄壳结构在造型和审美设计艺术方面也具有较高价值。另外，薄壳结构呈空间受力状态，主要承受曲面内的轴力，而弯矩和扭矩很小，所以材料强度能得到充分利用，达到减小结构自重，降低建造成本的目的。
【专利附图】

【附图说明】
[0035]图1为本发明双曲面形浮式生产储油平台的主视图。
[0036]图2为本发明双曲面形浮式生产储油平台中浮体的纵剖视图。
[0037]图3为图2中沿A-A线的剖面图。
[0038]图4为图2中沿B-B面的剖面图。
[0039]图中各标记如下:
[0040]I浮体、2生产甲板、3中央舱、4储油舱、5工艺舱室、6边压载舱、7底压载舱。【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
[0042]如图1所示，本发明提供的双曲面形浮式生产储油平台包括一个浮体I和一个生产甲板2 ;该浮体I的垂直截面呈单叶双曲面形，且其为双层底结构和双舷侧结构，其内的空间可用作压载舱，用来调整浮体的重心高度和控制吃水。
[0043]如图2和图3所示，沿浮体I的轴向方向上，浮体I的中部设有圆柱体形的中央舱3，该中央舱3可用于敷设管线，直接通往所有舱室，而在油、水舱中不再需要任何管线，从而简化了设计、制造和操作。各种管线和电缆等原材料可比船型FPSO节约近30%。沿该中央舱3的外周壁环形对称设置6个储油舱4。从结构连续性的角度考虑，在储油舱4的外壁设置有环形的工艺舱室5，其包括生产功能舱室、钻采设备舱室和泵舱等。在工艺舱室5与浮体I的双曲面侧壁之间设置有边压载舱6，如图3所示。
[0044]如图1、图2和图4所示，该浮体I的下端面连接一个圆柱体型的底压载舱6，其也能够起到减摇水舱和垂荡板的作用，增大了附加质量和横摇、垂荡阻尼，进一步减小了浮体的横摇和垂荡运动幅值。从结构连续性的角度考虑，以及更有利于提高钢材利用率，节约钢材，将该边压载舱6等分为6个部分，且每个部分与储油舱4的位置相对应。
[0045]在生产甲板2上设置油气处理模块、注水模块、水处理模块、供配电模块、辅助生产模块和公用模块等。所设置各模块的首要任务是从井流中分离出原油，并把处理合格的原油送入储油舱，保持50°C?60°C等待外输。FPSO生产过程中将伴随分离出可燃气体，将其进一步处理达到燃烧气标准，供电站使用，余下部分作火炬放空或燃烧。污水处理是上部模块的另一主要功能，也是FPSO的一项重要指标，尤其在油田开发后期，原油伴生水量增加将造成生产设施的负担加重。污水处理达标后排海或回注。
[0046]上部生产模块布置的原则要求安全可靠，必须满足规范对防火、防爆、安全区域分隔和安全逃生方面的要求。如生产平台位于主甲板以上至少3m，以使生产过程中排出的有害气体自由流动；生产甲板的外边缘离浮体的舷侧板有大于2m的距离，以保证主甲板上的吊物空间；非危险区的模块间距约100mm，危险区模块与安全区模块间距约3m，留有隔离区，同属危险区的模块间，应每隔3.5m设隔离带；应急电站、应急消防设备、直升飞机平台等要布置在远离油气处理区的安全区域等。整个布置还要便于操作、检修。为便于操作，通常将生活楼布置在机舱之上。从安全生产方面考虑，生活楼应与火炬分开布置，与生产处理设施保持一定距离，中间用动力模块隔开；火炬塔应远离生活楼和直升机起降区。
[0047]由于单个边际油田的生产周期短，设计双曲面形浮式生产储油平台处理设施和系统时，考虑了其在不同边际油田的适应性，最大可能地优化了系统和布置，增大了双曲面形FPSO的灵活性，如预留空间，以便根据不同边际油田的开发需要进行改造或灵活调换生产模块。
[0048]因渤海环境比较缓和，本发明的双曲面形浮式生产储油平台不考虑撤离，按永久性系泊设计为不解脱的FPS0。在海冰等环境中，若系缆在浮体上的系泊点位于水面之上，随着系泊浮体在环境力等外力作用下的摇荡，系缆将与海冰反复撞击和磨蚀，从而加速系缆的损耗，因此，为避免流冰对系缆的影响，提高系缆的使用可靠性和安全性，设计导缆孔位于压载吃水位下0.5m。系泊系统包括起链机、导缆器和系缆和海底基础等四部分。导缆器设在浮体工艺舱内，系缆沿浮体内部，经导缆器由导缆孔向海底延伸，与海底的锚连接。起链机通过收紧或放松系缆来控制系缆的预张力。
[0049]本发明提供的双曲面形浮式生产储油平台，继承传统FPSO建造周期短、迁移方便、可重复使用等优点，同时力求克服传统FPSO的固有缺陷，改善水动力性能，提高储油能力，降低制造和操作成本，提高油田的开发效益。
【权利要求】
1.一种双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:它包括: 一浮体；所述浮体的垂直截面呈单叶双曲面形或旋转单叶双曲面形；沿所述浮体的轴向方向上，所述浮体的中部设有圆柱体形的中央舱；沿所述中央舱的外壁，设置有环形的储油舱； 一生产甲板；所述生产甲板设于所述浮体的上端面上；所述生产甲板上设有油气处理模块、注水模块、水处理模块、供配电模块、辅助生产模块和生活楼模块。
2.根据权利要求1所述的双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:所述浮体为双层底结构和双舷侧结构。
3.根据权利要求1或2所述的双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:沿所述储油舱的外壁设置有工艺舱室。
4.根据权利要求3所述的双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:所述工艺舱室的外壁与所述浮体的双曲面侧壁之间设有边压载舱。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:所述储油舱为6个，且以所述中央舱为中心呈对称设置。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:所述浮体的下端面连接一底压载舱，所述底压载舱的横截面与所述浮体的横截面的形状和尺寸均一致。
7.根据权利要求6所述的双曲面形浮式生产储油平台，其特征在于:所述底压载舱等分为6个部分，且与所述储油 舱的位置相对应。
【文档编号】B63B35/44GK103895828SQ201410125928
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】王天英, 赵帅, 张建, 徐志刚, 刘锦昆, 冯春健, 蒋习民, 刘真 申请人:中石化石油工程设计有限公司