沙漏型海洋工程浮式結構物的制作方法

專利名稱：沙漏型海洋工程浮式結構物的制作方法
技術領域：
本發明涉及專利分類號B63船舶或其他水上船只；與船有關的設備B63B船舶或其他水上船只；船用設備B63B35/00適合于專門用途的船舶或類似的浮動結構B63B35/44浮式建筑物，水上艙庫，水上鉆井平臺或水上車間，例如載有油水分離設備的。
背景技術：
在海洋工程領域，無論是從淺水域油氣開采的經濟性，還是從深水和超深水域油田開發的必要性考慮，均需要使用相應規模的浮式結構物。此外，隨著呈現多功能一體化和向深海發展的趨勢，浮式結構物不僅需要具有足夠艙容和甲板面積來承載開采和生產所必需的油氣和設備，而且需要具有良好的運動性能以承受深海惡劣的風浪流等環境載荷的聯合作用。現有的浮式結構物主要包括以下幾種:半潛式浮式結構物是大部分浮體沉沒于水中的一種多體小水線面的移動式平臺，由平臺本體、立柱和下體或浮箱組成。其優勢是，系泊之后能夠基本保持穩定位置并且在環境載荷作用下具有較小的運動幅值。但是，半潛式浮式結構物承載能力有限且艙容空間較小，這限制了大規模油氣的儲存和必需設備的安裝。即使采用配置油罐的方法，又會占用大量甲板面積并引起負載分布不均等問題。因此，傳統半潛式浮式結構物難以實現大規模油氣開采、儲存、生產、加工和外輸一體化。SPAR單柱型浮式結構大部分都是浮筒。主體是單圓柱結構，垂直懸浮于水中，特別適宜于深水作業。這種類型的結構可以用以深水油氣開發并且運動穩定、安全性良好。然而，其缺點是深吃水受海流影響較大、拖運比較困難、并且容納設備和儲存油氣的體積和甲板面積很小，這些缺點都不同程度 地限制了此類結構多功能一體化的開展。傳統船型FPSO —般是通過舊油船改造而成，或者是遵循標準船舶理念設計和建造的駁船型浮式生產儲油單元。目前技術較為成熟，可以用以大規模油氣的開采，儲存和生產。但是，這種船型浮體的水動力性能存在如下局限和不足:傳統船型FPSO的垂蕩自然周期很難遠離波能集中區域，垂蕩運動幅度較大。此外，船型FPSO對波浪的作用方向非常敏感，橫向迎浪面積過大，因此橫搖運動性能較差。這些都會嚴重影響FPSO各種設備與儀器的正常工作、生產原油的質量和人員的舒適性等。雖然配置內轉塔和流體接頭的單點系泊系統能夠使傳統船型FPSO具有360°全方位自由旋轉的風向標效應，但是船型FPSO較為劇烈的首搖運動不僅會影響到許多作業的正常進行，而且還會嚴重磨損內轉塔和流體接頭，使其需要經常維修和保養。因此，內轉塔和流體接頭自身昂貴的價格，以及潛在停工期的存在，都會大幅度增加生產成本。圓筒型FPSO主體為系泊于海底的浮式圓柱型結構。此類結構具有大規模儲存和生產油氣的能力、對風浪流的方向性不敏感、并且首搖運動幅值較小。但是，同時其性能存在缺點:浮體垂蕩運動幅度較大，容易引發渦激振動，甲板面積較小，居住和工作空間太近，不利于危險區與非危險區分離等。

發明內容
針對以上問題，本發明提出了一種沙漏型海洋工程浮式結構物，具有一個為圓臺或棱臺的上部結構體和一個為正圓臺或正棱臺的下部結構體；組合狀態下，所述上部結構體面積較小的底面與所述下部結構體面積較小的底面固定連接，形成連接面；所述上部結構體與下部結構體的軸位于同一直線上，上部結構物面積較大的底為浮式結構物的上甲板，下部結構物面積較大的底為浮式結構物處于水下的下底板；所述連接面為浮式結構物的滿載水線面，結構物的主體與沙漏形狀相似，以滿載水線面為沙漏中間水平橫截面，向上、下部結構體分別具有外擴傾角；結構體的不同水平橫截面沿各方向的特征尺度相近，所述不同橫截面為圓形或正多邊形。所述下部結構物的外表面連接有增加浮體縱/橫搖和垂蕩阻尼的環形側板。所述上部結構體的內部具有與其高度一致的中央艙I，在中央艙I的周邊設有多個環繞該中央艙的水密艙，所述多個水密艙分別固定連接上部結構體外殼的內壁與中央艙I的外壁；下部結構體的內部具有與其高度一致的中央艙II，在中央艙II的四周設有多個環繞該中央艙的水密艙，所述多個水密艙分別固定連接下部結構體外殼的內壁與中央艙11的外壁。所述相連通的中央艙I和中央艙II形成與海水相連通的月池。多個設置于結構物主體外部的支撐柱，支撐柱的兩端分別與所述上部結構體和下部結構體固定連接。所述每根支撐柱與結構物的軸位于同一平面。所述每根支撐柱的長度一致，所述多根支撐柱位于上結構體固定端位于同一平面上，多跟支撐柱位于下結構體的固定端位于同一平面上；相鄰的兩根支撐柱構成一等腰三角形。所述上部結構體為:母線為曲線、折線或曲線與折線結合的圓臺或側棱為曲線、折線或曲線與折線結合的棱臺。所述下部結構體為:母線為曲線、折線或曲線與折線結合的正圓臺或側棱為曲線、折線或曲線與折線結合的正棱臺。所述連接面為浮式結構物的水線面。由于采用了上述技術方案，本發明提供的海洋工程浮式結構物，通過一種簡單的結構實現了，與傳統鉆采平臺相比具有較大的儲油空間，與傳統儲油船式FPSO相比又具有較好的運動性能。所以，本發明提出的海洋工程浮式結構物有利于實現各種海域大規模油氣的鉆井、開采、儲存、生產、加工和外輸等多功能一體化，具有較好的經濟效益。


為了更清楚的說明本發明的實施例或現有技術的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為沙漏型海洋工程浮式結構物示意2為A-A圓形或正多邊形水平橫剖面示意圖，其中圖2A為圓臺的結構物的A-A截面示意圖；圖2B為正六棱柱結構物的A-A截面示意3A、圖3B、圖3C和圖3D為不同形狀的浮式結構物的主體側視4A和圖4B為各種類型FPSO的水動力性能比較示意中1.滿載水線面、2.上部結構體、3.下部結構體、4.上甲板、5.底板、6.圓形水平橫截面、7.正多邊形水平橫截面、8.鉆探或生產操作所必需的設備、9.月池、10.立管、
11.水密艙、12.多點系泊系統、13.支撐柱、14.環形側板。
具體實施例方式為使本發明的實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚完整的描述:如圖1所示:一種海洋工程浮式結構物，具有類似于沙漏形狀的外形，S卩具有相互平行的上底面與下底板面，分別作為結構物的上甲板4和位于水下的底板5，結構物主體的中部的直徑要明顯小于結構物的其他部分，形成類似蜂腰或收腰的結構。作為一個較佳的實施方式，所述海洋工程浮式結構物分為兩部分，一個為圓臺或棱臺的上部結構體2和一個為正圓臺或正棱臺的下部結構體3。組合狀態下，上部結構體2為一倒置的正圓臺或正棱臺，即上底面積要大于下底面積；與之相反的，下部結構體3為一正置的正圓臺或正棱臺，即上底面積要小于下底面積。上部結構體2面積較小的下底與所述下部結構體3面積較小的上底相互對接，形成一個與甲板和下底相平行的連接面。當結構物處于水中時，該連接面為結構物主體的滿載水線面I。由于具有相對較小的水線面、夕卜擴傾斜的水下側面和相對水線面的大面積底面，從而能夠有效地控制浮體的垂蕩固有周期遠離波譜高能頻帶，并且能夠增大浮式結構物縱/橫搖、垂蕩運動在風浪頻率段的阻尼和附加質量。相對于傳統的浮式結構物，具有極佳的運動穩定性。實際生產過程中，不必限于所述的分為上下結構體的生產加工方法，也可以根據實際情況，一體成型。為了進一步增強浮式結構物在水中的運動穩定性，作為一個較佳的實施方式，在所述下部結構物3的中部或下部的外表面安裝有環形側板14，通常的該環形側板14為水平設置，即與所述結構物的其他平面相平行，也可根據實際不同海區的海況做出角度上俯仰的調整。環形側板14結構具有類似船體上的垂蕩板和舭龍骨的功用，能夠更有效地抑制浮體在低頻涌浪頻率段的運動響應。與沙漏型結構的結構物主體相結合使得本發明具有極佳的抗縱橫搖、垂蕩運動性能、較強的極端海洋環境適應能力以及很高的作業有效性和安全性。進一步的，為了增加浮式結構物自身的強度，優選的，本發明具有多個設置于結構物主體外部的支撐柱13，通常的，多個支撐柱13呈對稱設置。每根支撐柱13的兩端分別與所述上部結構體2和下部結構體3固定連接且所述每根支撐柱13與結構物的軸位于同一平面。可以有效的起到增強甲板的承載能力和提高浮體抗彎強度的作用。所述支撐柱的形狀與固定方式并不僅限于此，作為另一個較佳的實施方式，所述每根支撐柱13的長度一致，所述多根支撐柱13位于上部結構體2固定端位于同一平面上，多跟支撐柱13位于下部結構體3的固定端位于同一平面上；相鄰的兩根支撐柱13構成一等腰三角形。
所述的海洋工程浮式結構物主要體現在外殼的形狀，在其內部可設置多種的功能艙室，以滿足不同種類海上作業的不同要求。作為一個較佳的實施方式，如圖2所示:所述上部結構體的內部具有與其高度一致的中央艙I，在中央艙I的周邊設有多個環繞該中央艙的水密艙或其它功能艙室，優選的，所述多個水密艙呈軸對稱設置。多個水密艙11分別固定連接上部結構體2外殼的內壁與中央艙I的外壁；為結構物的外殼提供支撐。同樣的，下部結構體3的內部具有與其高度一致的中央艙II，在中央艙II的四周設有多個環繞該中央艙的水密艙11，所述多個水密艙分別固定連接下部結構體3外殼的內壁與中央艙II的外壁，為下部結構體3的外殼提供支撐。進一步的，為了能夠安裝鉆頭或立管等其他生產操作設備，優選的，所述中央艙I和中央艙II在豎直方向上相連通，形成貫穿整個結構物的月池9，以方便安裝相關設備。同時，由于所述月池9與海水相連通，也可以進一步的增強結構物在水中的穩定性。所述上部結構體2的形式并不僅限于為棱臺或圓臺，其他的類似于棱臺或圓臺的結構均可。可以是母線為曲線、折線或曲線與折線結合的復合線型的圓臺或者側棱為曲線、折線或曲線與折線結合的復合線型的棱臺，也可以達到類似的效果。如圖3所示。同樣的，與上部結構體2類似的，下部結構體3的母線可以為曲線、折線或曲線與折線結合的正圓臺或者側棱為曲線、折線或曲線與折線結合的正棱臺。經試驗證明，只要是與正圓臺或正棱臺類似的結構，都具有本發明所述的優點。此外，本發明還具有如下一些性能優勢:本發明的水下部分采用帶有一定外擴傾角的側面設計。在具有足夠儲油量、良好耐波性能的基礎上，與SPAR和深吃水半潛式相比，本新型浮體吃水相對較淺，易于維修、遷移和拖航，而且可以用于淺水作業，應用海域的適應性更強。本發明具有相對較小的水線面，縱橫向特征長度均相對較小，從而能夠降低波浪作用在結構上的縱橫向中拱或中垂彎曲載荷。此外，由于發明具有“中間小、兩端大”的沙漏型結構，浮體在任意方向都具有較高的中剖面模數，因此會進一步增大結構強度，使結構彎曲和疲勞應力處于一個較低的水平。本發明的水下部分采用帶有一定外擴傾角的側面設計。與相同水線面面積和排水體積的圓筒相比，本新型浮體具有更小的水下迎流面積。此外，外擴傾斜側面有利于抑制渦激振動的產生。因此，在相同海流環境下，本新型浮體會受到相對較小的流載荷作用。本發明的浮體外形為沙漏形的中心對稱外形，可以非常方便地在浮體中心處設立中央艙或月池，用來敷設管線，直接通往所有的液體艙，而在油、水艙中不再需要任何管線，大大簡化了工程設計、建造和操作，可以節省管線和電纜等各種原材料。另一方面，由于新型浮體的各模塊結構的相似程度高，適合采用模塊化建造工藝，因此降低了設計和建造的難度。此外，根據對稱原理，可以將浮體對稱地分段，降低主體對建造船塢的要求，從而能夠給業主提供了更大的選擇空間。本發明采用帶有一定外擴傾角的側面設計，能夠增加浮體傾斜時出水及入水楔形的體積靜矩。因此在保證滿足初穩性的條件下，隨著傾斜角度的增大，此側面形狀能夠使得浮體復原力矩迅速增加，并且伴有較大的極限回復力矩和穩性消失角。此外，傾斜側面設計配合環形側板結構能夠極大地增加浮體縱橫搖的阻尼和附加質量，從而能夠增加固有周期，降低運動幅度。所以在海上遇到風浪的時候，新型浮體結構即不會產生劇烈的搖擺，又能夠提供足夠的大傾角穩性，具有適合深海環境的穩性特征。另一方面，隨著吃水的降低，水下浮體的水線面尺寸和慣性矩不斷增加，能夠很好地彌補由于排水量和浮心高度減少所帶來的穩性損失，所以本新型浮體能夠有效地提升不同載重狀況滿載、壓載等的穩性，避免發生圓筒型FPSO或SPAR平臺垂蕩共振運動所帶來的失穩現象。本發明采用雙層底、雙舷側結構。該結構能夠加強新型浮體的主甲板和中央軸的混合剛性，有利于結構的總縱強度。此外，在雙層底、雙舷側的內部空間可以用作壓載水艙，在起到壓載作用的同時，也可以防止浮體發生破損溢油現象，確保生產作業的安全性和環保性。本發明采用單回轉體的外形設計。在具有良好穩性和耐波性能的前提下，克服了由于雙體外形造成的吃水對載重量變化十分敏感、表面積過大、結構較重的缺點。使得新型浮體的主體質量相對較低，提高了有效載荷率，并且減少了鋼材的用量，降低了結構的成本。本發明的水上部分采用帶有一定外擴傾角的側面設計。在具有優良的縱、橫搖和垂蕩運動性能的前提下，這種具有一定外飄的外形設計能夠降低新型浮體的波浪爬升高度，可以適當地減少甲板上浪現象。此外，與相同水線面面積和容積的圓筒相比，倒圓臺浮體具有較小的迎風面積和較低的受力作用點。因此，在相同海風環境條件下，新型浮體所受風載荷和風傾力矩較小。本發明采用帶有一定外擴傾角的側面設計。因此，當海冰作用在傾斜的浮體側面時，將由傳統的擠壓破壞變為相對強度較弱的彎曲破壞，從而能夠大大減小作用于結構物上的冰載荷，因此本新型浮體具有較為優良的抗冰性能，可以適用于結冰海域。這里，為了更加直觀地說明本發明所述的沙漏式海洋工程浮式結構物良好的運動性能優勢，以對接圓臺狀的沙漏式FPSO (即所描述的上、下結構體均為圓臺)為例，與功能(載重量、浮體容積和上甲板面積)相同的傳統長方型駁船FPS0、圓柱狀圓筒型FPSO的水動力性能進行比較分析，現將采用目前經過驗證的通用勢流邊界元理論計算得到的各種FPSO的高頻運動性能(縱、橫搖和垂蕩)展示如圖4A和圖4B，其中主要關注能量較大的風浪頻率段0.209 6.28 (I 30s)。從圖中可以看出，與駁船型FPSO相比，橫向迎浪時新型FPSO的垂蕩和橫搖運動性能都有較大的提升，與縱向迎浪時駁船型FPSO的垂蕩和縱搖性能基本相近相差不大。此夕卜，新型FPSO的縱、橫搖和垂蕩運動性能都極大地優于圓柱狀圓筒FPS0。因此，這表明本發明的創新外形設計能夠大幅度提高FPSO的水動力性能。在圖4A和圖4B中，cub代表長方型駁船FPSO模型(head sea代表縱向迎浪情況，beam sea代表橫向迎浪情況),cylinder代表圓柱狀圓筒FPSO模型,sandglass FPSO代表sandglass FPSO代表對接圓臺式海洋工程浮式結構物。此外，6個自由度運動分別為:縱蕩surge,橫蕩sway,垂蕩heave,縱搖pitch,橫搖sway和首搖yaw。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種沙漏型海洋工程浮式結構物，具有一個為圓臺或棱臺的上部結構體和一個為正圓臺或正棱臺的下部結構體；組合狀態下，所述上部結構體面積較小的底面與所述下部結構體面積較小的底面固定連接，形成連接面；所述上部結構體與下部結構體的軸位于同一直線上，上部結構物面積較大的底為浮式結構物的上甲板，下部結構物面積較大的底為浮式結構物處于水下的下底板；所述連接面為浮式結構物的滿載水線面，結構物的主體與沙漏形狀相似，以滿載水線面為沙漏中間水平橫截面，向上、下部結構體分別具有外擴傾角；結構體的不同水平橫截面沿各方向的特征尺度詳盡，所述不同橫截面為圓形或正多邊形。
2.根據權利要求1所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述下部結構物的外表面連接有增加浮體縱/橫搖和垂蕩阻尼的環形側板。
3.根據權利要求1所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述上部結構體的內部具有與其高度一致的中央艙I，在中央艙I的周邊設有多個環繞該中央艙的水密艙，所述多個水密艙分別固定連接上部結構體外殼的內壁與中央艙I的外壁； 下部結構體的內部具有與其高度一致的中央艙II，在中央艙II的四周設有多個環繞該中央艙的水密艙，所述多個水密艙分別固定連接下部結構體外殼的內壁與中央艙II的外壁。
4.根據權利要求3所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述相連通的中央艙I和中央艙II形成與海水相連通的月池。
5.根據權利要求1所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:具有:多個設置于結構物主體外部的支撐柱，支撐柱的兩端分別與所述上部結構體和下部結構體固定連接；所述每根支撐柱與結構物的軸位于同一平面。
6.根據權利要求5所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述每根支撐柱的長度一致，所述多根支撐柱位于上結構體固定端位于同一平面上，多跟支撐柱位于下結構體的固定端位于同一平面上；相鄰的兩根支撐柱構成一等腰三角形。
7.根據權利要求1所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述上部結構體為:母線為曲線、折線或曲線與折線結合的圓臺或側棱為曲線、折線或曲線與折線結合的棱臺。
8.根據權利要求1所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述下部結構體為:母線為曲線、折線或曲線與折線結合的正圓臺或側棱為曲線、折線或曲線與折線結合的正棱臺。
9.根據以上任意權利要求所述的沙漏型海洋工程浮式結構物，其特征還在于:所述浮式結構物為雙殼結構。
全文摘要
本發明公開了一種沙漏型海洋工程浮式結構物，具有一個為圓臺或棱臺的上部結構體和一個為正圓臺或正棱臺的下部結構體；組合狀態下，所述上部結構體面積較小的底面與所述下部結構體面積較小的底面固定連接，形成連接面；所述上部結構體與下部結構體的軸位于同一直線上，上部結構物面積較大的底為浮式結構物的上甲板，下部結構物面積較大的底為浮式結構物處于水下的下底板；所述連接面為浮式結構物的滿載水線面。與傳統鉆采平臺相比具有較大的儲油空間，與傳統儲油船式FPSO相比又具有較好的運動性能。所以，本發明提出的海洋工程浮式結構物有利于實現各種海域大規模油氣的鉆井、開采、儲存、生產、加工和外輸等多功能一體化，具有較好的經濟效益。
文檔編號B63B35/44GK103085947SQ20121039107
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者黃一, 王文華, 姚宇鑫, 劉剛, 張琦, 李紅霞, 陳景杰, 翟剛軍 申請人:大連理工大學