專利名稱:Fpso式石油生產(chǎn)系統(tǒng)的船底龍骨和方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于海底采油領(lǐng)域。更具體地說(shuō),它涉及退役船舶的改造,供在深水中開(kāi)采石油用,其中包括在浮式采油系統(tǒng)中使用,該浮式采油系統(tǒng)為專家們所熟知,也通稱為浮式采油、儲(chǔ)油和卸油系統(tǒng)(“FloatingProduction,Storage and Offloading”,縮寫(xiě)為FPSO),甚至更具體地說(shuō),它涉及一種使船舶中固有的橫向搖擺,或橫搖(roll)的負(fù)作用減至最小的裝置,當(dāng)它們被改造用于FPSO時(shí),這些負(fù)作用增加。
發(fā)明的基礎(chǔ)目前,有一個(gè)全球性的趨勢(shì)是利用所謂的FPSO作為海底油田中的浮式采油系統(tǒng)。由于它們的可用性和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,最近已經(jīng)利用退役的船舶在經(jīng)過(guò)必要改造后,用作FPSO的浮式平臺(tái)。這些船舶的主要變化特點(diǎn)涉及轉(zhuǎn)塔的安裝(通常是在船頭),該轉(zhuǎn)塔錨定在海底處。利用軸承,船舶可以繞轉(zhuǎn)塔的垂直對(duì)稱軸自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)塔的其中一個(gè)功能是讓流體在海底采油系統(tǒng)和FPSO之間傳送,海底采油系統(tǒng)是固定不動(dòng)的,而FPSO是浮動(dòng)的并且圍繞轉(zhuǎn)塔具有移動(dòng)性。
退役的船舶具有細(xì)長(zhǎng)的形狀,用于較大的航行效率。這種形狀固有地提供阻尼縱向搖擺運(yùn)動(dòng),或前后顛簸、亦即繞橫向水平軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能力,該橫向水平軸通過(guò)船舶的中部。這種阻尼的主要機(jī)制與縱向方向上產(chǎn)生波浪的能力相關(guān)連,該波浪將阻尼后搖擺運(yùn)動(dòng)的能量帶離船舶。
然而,在橫搖或橫向搖擺運(yùn)動(dòng),亦即繞水平軸(現(xiàn)在是縱向軸)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下,同樣的事情不會(huì)發(fā)生,該水平軸通過(guò)船舶的中央縱向平面。由于細(xì)長(zhǎng)的形狀,所以當(dāng)船舶橫搖時(shí),產(chǎn)生的波浪可忽略不計(jì),并且橫搖運(yùn)動(dòng)一旦開(kāi)始,就持續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間,或者換句話說(shuō)橫搖運(yùn)動(dòng)不被阻尼。
這個(gè)問(wèn)題由于橫搖振蕩的典型自然周期接近與波浪有關(guān)的振蕩周期而加劇。這種船舶橫搖的自然周期是由于總的慣性和流體靜壓力復(fù)原的分布而造成的,除非船舶的形狀從根本上改變,否則船舶的橫搖的自然周期實(shí)際上不能改變。
正如預(yù)料的那樣,船舶的起相反作用的特點(diǎn)顯示出橫搖的趨勢(shì),它與這種運(yùn)動(dòng)的低阻尼系數(shù)一起,被FPSO“繼承”。此外,F(xiàn)PSO不像船舶,它具有操縱系統(tǒng),一般是被動(dòng)的并且實(shí)際上固定不動(dòng)。在移動(dòng)的船舶中,它總是能相對(duì)于波浪選擇方位(bearing),以便達(dá)到使橫搖作用減至最小的程度。同樣,在FPSO情況下,由轉(zhuǎn)塔所提供的連接方法能相對(duì)于主要的環(huán)境力對(duì)準(zhǔn)。然而,當(dāng)環(huán)境影響不同時(shí),亦即當(dāng)波浪,風(fēng)和海流具有不同方向時(shí),船舶可能相對(duì)于波浪定位不佳。一個(gè)可能的結(jié)果是橫向搖動(dòng)的激發(fā),足夠嚴(yán)重到干擾在船上設(shè)置FPSO的處理廠性能。
有關(guān)控制FPSO類型系統(tǒng)中橫向搖動(dòng)的目前傾向是簡(jiǎn)單地接受船舶退役前現(xiàn)有的狀況,或是改變船舶的活動(dòng)性。這樣,可用于橫搖問(wèn)題的解決方案與行駛的船舶所用的那些方案相同,因此一般不適用于FPSO。
為了抵消橫向搖動(dòng),主要有兩類裝置在使用。第一類裝置價(jià)格便宜而有效,因此應(yīng)用相當(dāng)廣泛,該第一類裝置由在船底中一種叫做“船底龍骨”的機(jī)械部件建造。該部件包括一些從船底延伸出來(lái)的固定式垂直板。這種思想的引伸是采用片狀物(flap),或者換句話說(shuō),采用小的橫向搖動(dòng),這些片狀物比船底龍骨短很多,并且通過(guò)改變迎角起一種有源控制器(active controller)作用。兩種其它類型的裝置也可以提一下穩(wěn)定槽(stabilization tank)和在同一“無(wú)源穩(wěn)定器”家族中的所謂U形管。在兩種情況下,工作原理是“動(dòng)力吸振器”的工作原理。在這些情況下,以這種方式加入一些振蕩體(oscillatory masses)以便當(dāng)振蕩體振蕩時(shí),它們實(shí)際上使船舶停止。
在1993年第25屆近海技術(shù)會(huì)議上,由J.A.Pinkster和H.R.Luth所提交的著作“降低停泊時(shí)FPSO的低頻運(yùn)動(dòng)”,論述和分析了利用船泊頭部的絞接葉片形成無(wú)源系統(tǒng)(passive system)來(lái)轉(zhuǎn)化入射水(incidence water)能量的可能性。在高波浪狀況下,葉片產(chǎn)生中頻和低頻的推力,該推力對(duì)抗由波浪產(chǎn)生的力,而波浪產(chǎn)生的力往往會(huì)使船舶移動(dòng)。然而,這種系統(tǒng)除了設(shè)計(jì)比本發(fā)明更復(fù)雜之外,不是專門供控制橫向搖擺運(yùn)動(dòng)用的。
常規(guī)的船底龍骨主要由一定數(shù)量具有銳邊的平板構(gòu)成,這些平板成直角安裝在船體上,同時(shí)在其每一側(cè)邊上形成一列,各平板之間具有間隔,它們沿著平行的中部船身延伸(該中部船身是船的中央?yún)^(qū),它不包括兩端的船頭和船尾部分,代表一種近似均勻的橫斷面,并且對(duì)運(yùn)油船來(lái)說(shuō),中部船身包括船的約80%長(zhǎng)度,而對(duì)其它類型的船舶,該中部船身較少)。
通常,為了保證船舶前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的阻力不受加入船底龍骨太多的影響,曾試圖在運(yùn)動(dòng)時(shí)沿著船身的自然流動(dòng)路線使它們對(duì)準(zhǔn)。此外,其寬度正好是以保證當(dāng)船舶開(kāi)始橫搖時(shí),在平板的角點(diǎn)處使邊界層分離開(kāi)。當(dāng)橫搖發(fā)生時(shí),船底龍骨產(chǎn)生一個(gè)反向力矩(moment),該反向力矩是粘性的起源,它受旋渦產(chǎn)生很大的影響。
除了這種粘性作用之外,還有另一種作用即支承作用,當(dāng)船舶有前進(jìn)速度時(shí),支承作用就出現(xiàn)。在這種情況下,局部地,在每個(gè)船底龍骨中,當(dāng)橫搖開(kāi)始時(shí),伴隨著形成一個(gè)相對(duì)的迎角,該相對(duì)迎角產(chǎn)生一個(gè)相反的耗散力矩,該耗散運(yùn)動(dòng)不可忽視,并且它基本上與前進(jìn)速度成正比。為了增加這種作用的效率,船底龍骨通常不制成連續(xù)的。因此,從流體動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看來(lái),最佳的構(gòu)造由一些分段的船底龍骨構(gòu)成,這些分段的船底龍骨沿著船舶的長(zhǎng)度,形成不連續(xù)的伸長(zhǎng)段。每個(gè)伸長(zhǎng)段之間的間距必須足以增加支承作用的效率。
如此處所用的術(shù)語(yǔ)“船底龍骨總長(zhǎng)度”用來(lái)表示一個(gè)不連續(xù)的船底龍骨各分段長(zhǎng)度的總和及一個(gè)連續(xù)的船底龍骨長(zhǎng)度。
重要的是應(yīng)該記住,當(dāng)用船舶作為FPSO的浮動(dòng)基礎(chǔ)(floatingbases)時(shí),粘性作用保持下來(lái)了,但不會(huì)(至少不完全)伴隨有支承作用。這是由于典型的海流速度要比運(yùn)油船的典型航行速度低很多。換句話說(shuō),從FPSO觀點(diǎn)來(lái)看,粘性作用不必很小,因?yàn)檎缜懊嫠赋龅?,航行船舶的龍骨寬度必須小,以便不顯著影響對(duì)推進(jìn)產(chǎn)生的阻力。
因此,本發(fā)明提供一種按所附權(quán)利要求書(shū)中權(quán)利要求1所述的改造退役船舶的方法,及提供按所附權(quán)利要求書(shū)中權(quán)利要求8所述的船底龍骨。
現(xiàn)在將僅僅通過(guò)實(shí)例,參照附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明,其中圖1示出典型的船頭帶有轉(zhuǎn)塔的FPSO類型浮式采油系統(tǒng)。
圖2示出典型運(yùn)油船的橫斷面。
圖3示出與前面圖中相同的運(yùn)油船橫斷面,它裝配有本發(fā)明的船底龍骨。
圖4以透視圖形式示出本發(fā)明的兩個(gè)可能的實(shí)施例。
對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明為了更好地理解本發(fā)明,將參照
本發(fā)明。然而,必須強(qiáng)調(diào)的是,各圖僅是圖解說(shuō)明本發(fā)明的其中一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,因此沒(méi)有限制的性質(zhì)。如果遵循下文所述的發(fā)明思想,則對(duì)該技術(shù)的專業(yè)人員來(lái)說(shuō),很顯然能夠利用不同的配置或附加裝置。
圖1示出一種FPSO類型的浮式采油系統(tǒng)(1)的全視圖??梢钥闯觯D(zhuǎn)塔(2)設(shè)置在船的頭部。利用錨鏈(3)將轉(zhuǎn)塔(2)錨定在海底上。船舶可以繞轉(zhuǎn)塔(2)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而轉(zhuǎn)塔保持固定不動(dòng)。水下系統(tǒng)的流體通過(guò)垂直的升舉管(ascending tubes)(4)到達(dá)轉(zhuǎn)塔(2),該升舉管(4)為專家們所熟知,通稱為“立管”(riser)。轉(zhuǎn)塔(4)的主要裝配部件是旋轉(zhuǎn)接頭,各旋轉(zhuǎn)接頭也為專家們所熟知,通稱為“活節(jié)(swivel)接頭,并且這些旋轉(zhuǎn)接頭具有幫助使流體能從固定的立管(4)轉(zhuǎn)移到移動(dòng)的船中,它們可以繞轉(zhuǎn)塔(2)旋轉(zhuǎn)。
圖2給出常規(guī)船底龍骨(bilge keels)(5)與“J”級(jí)運(yùn)油船(如起初建造的那種)橫斷面相比,它的相對(duì)尺寸的一般想法。在這個(gè)例子情況下,橫斷面表示寬度“L”為43.13m和高度“H”為23.20m。每一側(cè)邊都有5個(gè)船底龍骨分段(5),每一分段都是長(zhǎng)度為14.55m(總長(zhǎng)度為72.75m)并且各分段之間的間距均為2.45m。每個(gè)船底龍骨分段(5)的寬度“b”為0.45m,這些分段(5)沿著船底,成直角安裝在船體上,每個(gè)側(cè)邊上安裝一行。
圖3示出與圖2所示運(yùn)油船相同的橫斷面,它改造后供FPSO用,裝配本發(fā)明的船底龍骨(8),可以看出,船底龍骨(8)以一種與圖2所示常規(guī)龍骨(5)相同的方式,成直角安裝在船體上。然而,船底龍骨(8)考慮到這一事實(shí),即FPSO(1)將保持被錨定,而不象行駛的船只,因此造成兩個(gè)實(shí)施例之間的重大差異。
在FPSO情況下,支承作用很不重要。這種作用基本上與前進(jìn)速度成正比。對(duì)FPSO來(lái)說(shuō),所考慮的前進(jìn)速度將是海流(sea current)的速度,海流的速度比典型的船舶前進(jìn)速度小得多。因此,除了可能的結(jié)構(gòu)考慮之外,沒(méi)有理由用其間具有很大間距的各種不同的分開(kāi)的分段制造的船底龍骨,并且可以安裝一個(gè)連續(xù)部件或者大大減小船體龍骨各分段之間的間距。
在FPSO情況下,連續(xù)的船底龍骨還具有勝過(guò)不連續(xù)船底龍骨的優(yōu)點(diǎn),該不連續(xù)船底龍骨對(duì)任何不希望有的橫搖運(yùn)動(dòng)(比如,由于外界條件引起的)都使阻力增加。為了進(jìn)一步改善這種作用,連續(xù)的船底龍骨還可以比常規(guī)的船底龍骨更長(zhǎng)。最后,為了增加緩沖由波浪沖擊而產(chǎn)生的橫搖,將船底龍骨造得比較寬,也就是說(shuō),它伸出離開(kāi)船體的程度比在船舶自己的動(dòng)力下正常行駛的船底龍骨范圍更大。因此,與常規(guī)的船底龍骨相比,用于FPSO的船底龍骨最好是具有較大的表面積、更寬、連續(xù)并覆蓋船舶更大的長(zhǎng)度。
圖3所示的本發(fā)明實(shí)施例的例子,是用于FPSO(1)的船底龍骨(8)的例子,該船底龍骨(8)用于與圖2中相同的“J”級(jí)船體中。與原先建造的船體5個(gè)不連續(xù)船底龍骨(5)寬度“b”為0.45m和72.75m總長(zhǎng)度相比,這種連續(xù)的船底龍骨(8)在每一側(cè)上都具有寬度“B”為1.00m和長(zhǎng)度為182.00m。
正如在圖4中可以看到的,結(jié)構(gòu)上的考慮可以表明,用波紋板(7)代替平板(6)建造本發(fā)明的船底龍骨(8)是有利的。這種類型的板(7)具有一些結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)便于用其安裝在船體上。另外,它增加了FPSO(1)對(duì)不希望有的由風(fēng)或海流所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)的阻力。
圖3還示出,本發(fā)明的裝置具有象行駛船舶船底龍骨這樣小的寬度,因?yàn)閷?duì)FPSO情況來(lái)說(shuō),其寬度對(duì)前進(jìn)速度的影響不需要考慮。因此,能夠增加本發(fā)明的船底龍骨(8)相對(duì)于原有船底龍骨(5)的寬度。這樣,本發(fā)明的船底龍骨(8)考慮到這一事實(shí),即FDSO(1)被錨定,并且由于通常的水流液面,相對(duì)于它浮在其中的介質(zhì)具有導(dǎo)致的低速度而不處于移動(dòng)中。
總之,應(yīng)當(dāng)清楚,本發(fā)明一種用于FPSO的船底龍骨典型地由兩行板件構(gòu)成,這些板件具有比常規(guī)龍骨的板件顯著要大的寬度,它們與其船體成直角安裝,兩側(cè)邊上都安裝一行,該板件沿著船底延伸,而不是剛好沿著其平行的中間船體延伸。上述兩行板件可以是連續(xù)的或不連續(xù)的,在每?jī)蓚€(gè)相鄰的分段之間有一小的間距,并且板件可以是平板或波紋板。主要工作原理是提供銳邊,以便產(chǎn)生旋渦并因此產(chǎn)生放大的力矩,該力矩與船底龍骨的面積成正比,它有助于阻尼橫搖,一個(gè)次要的后果,亦即對(duì)FPSO船底龍骨的綜合作用沒(méi)有主要影響的后果是船舶橫搖的附加惰性增加,附加惰性的增加稍微改變橫搖的自然頻率。在某些情況中,這一事實(shí)甚至可能是有利的。應(yīng)用本發(fā)明另一個(gè)有利的后果是對(duì)不希望有的FPSO平移運(yùn)動(dòng)的阻力增加。
盡管本發(fā)明在從改造退役船舶所得到的FPSO中特別有利,但它也可以在專門為FPSO而設(shè)計(jì)的浮動(dòng)設(shè)施船體中進(jìn)行,尤其是當(dāng)它們具有市場(chǎng)上的細(xì)長(zhǎng)形狀時(shí)更是如此。
本發(fā)明的船底龍骨可以用一種方法附接到退役船舶上,該方法也構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
在一種可供選擇的形式中,改造退役船舶的方法包括去除現(xiàn)有的船底龍骨并用有較大表面積的船底龍骨替換它們,較大的表面是由于它們較大的寬度和/或總長(zhǎng)度造成的。另一種方法包括利用固定于其上的附件使現(xiàn)有的船底龍骨延伸。此方法節(jié)省了在完成改造時(shí)的材料、成本及時(shí)間。
本技術(shù)方案的效率通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。用樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)定好尺寸的船底龍骨是有效的。能夠制造足夠使“規(guī)模作用”(scale effect)減至最小的尺寸的船樣機(jī)??紤]到由船底龍骨所提供的銳邊,接界層的分離以與實(shí)際規(guī)模發(fā)生的相同方式產(chǎn)生。
進(jìn)行衰減試驗(yàn)和在規(guī)則波浪中的試驗(yàn),用于隨后與VAMIT程序(MIT 95)的結(jié)果進(jìn)行比較,該WAMIT程序是一種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)程序,用于研究浮體與自由表面相互作用的運(yùn)動(dòng)。
衰減試驗(yàn)包括使船體受到一個(gè)起始的靜態(tài)傾斜角(roll angle)(在這種情況下,約為12°),然后松開(kāi)樣機(jī)供自由振蕩。及時(shí)記錄產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的時(shí)間域系列,同時(shí)提供量化粘性阻尼(viscous damping)的手段。在采用線性微分方程的情況下,振蕩峰遵循指數(shù)定律。在非線性情況下,記錄到較大的阻尼。對(duì)小幅度而言,橫搖往往只是稍微被阻尼。
在規(guī)則波浪中的試驗(yàn)包括使船體經(jīng)受成90°角的規(guī)則波沖擊。這類波浪具有不同的周期和高度,同時(shí)產(chǎn)生不同的來(lái)自船體的響應(yīng)。橫搖的響應(yīng)幅度與波浪幅度的比值叫做響應(yīng)幅值算子(Response AmplitudeOperator,縮寫(xiě)為RAO)。對(duì)線性情況,RAO曲線是唯一的,而對(duì)非線性情況,縱坐標(biāo)可能取決于波幅。為了幫助量化對(duì)各種狀態(tài)的阻尼或船底龍骨構(gòu)造,可以采用WAMIT程序(MIT 95),該WAMIT程序?qū)嶋H上考慮使粘性阻尼線性化,但即使如此,正如下面所述,它也能提供便于量化阻尼的數(shù)據(jù)。
表2匯總了對(duì)阻尼系數(shù)所得到的結(jié)果,這些結(jié)果是從在試驗(yàn)池中對(duì)J級(jí)船進(jìn)行試驗(yàn),與用WAMIT程序處理進(jìn)行比較而推導(dǎo)出來(lái)的。表1示出試驗(yàn)的船底龍骨的特點(diǎn)。
表1
表2
*從用其它船底龍骨所得結(jié)果推算出的所得結(jié)果表明,盡管事實(shí)是最終阻尼值取決于對(duì)非線性運(yùn)動(dòng)和衰減試驗(yàn)的分析一起的完全理解,但上述考慮在它們用作所分析情況之間比較這點(diǎn)上來(lái)說(shuō)證明是正確的。因此,推斷用于FPSO的船底龍骨比原有的船底龍骨效率高一倍離實(shí)際情況不太遠(yuǎn)。
最后,可以肯定,對(duì)FPSO可以橫向接受波浪的情況,利用本發(fā)明能夠使利用退役的船舶得到可行的保證。另外,其它的對(duì)橫搖刺激不太敏感的浮動(dòng)設(shè)施必須考慮意味著在承擔(dān)成本方面顯著增加。
權(quán)利要求
1.改造退役船舶以控制用于FPSO場(chǎng)合的橫搖的方法,上述方法包括提供上述具有FPSO船底龍骨的船舶,該FPSO船底龍骨具有比原有船舶船底龍骨平均寬度大的平均寬度,和/或如其中所述比原有船舶船底龍骨總長(zhǎng)度大的船底龍骨總長(zhǎng)度。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于在附接上述FPSO船底龍骨之前,將上述原有船底龍骨去除。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于上述FPSO船底龍骨包括上述原有船底龍骨和至少一個(gè)附加于其上的額外部分。
4.按照前述權(quán)利要求其中之一所述的方法,其特征在于上述FPSO船底龍骨由兩行板件制成,這些板件在上述船舶的相應(yīng)龍骨部分處,呈直角安裝到船體上。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于上述板件在每一行中都是連續(xù)的,并且每一行都近似相同。
6.按照權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于上述板件在每一行中都是不連續(xù)的,每一行都由一個(gè)以上分段制成,同時(shí)每個(gè)分段之間都有一個(gè)距離,該距離小于船上兩個(gè)原有船底龍骨之間存在的距離。
7.按照權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于上述板件是波紋狀的。
8.一種船舶,它包括一個(gè)船底龍骨,該船底龍骨沿著上述船舶的船底安裝,并且具有比船舶的原有船底龍骨的總長(zhǎng)度和/或平均寬度更大的總長(zhǎng)度和/或更大的平均寬度。
9.按照權(quán)利要求8所述的船舶,其特征在于上述船底龍骨由兩行板件制成,這些板件改造成直角安裝在上述船舶的船底上。
10.按照權(quán)利要求9所述的船舶,其特征在于上述板件在每一排中都是連續(xù)的,并且每一排都近似相同。
11.按照權(quán)利要求9所述的船舶,其特征在于上述板件每一行中都是不連續(xù)的,每一行都由一個(gè)以上的分段制成。
12.按照權(quán)利要求11所述的船舶,其特征在于每個(gè)分段之間都有一個(gè)間隙,該間隙小于該船舶原有船底龍骨分段之間原先存在的間隙。
13.按照權(quán)利要求8-12其中之一所述的船舶,其特征在于上述板件是波紋狀的。
14.一種船舶,用權(quán)利要求1-3或5-7其中之一所述的方法進(jìn)行改造。
全文摘要
一種改造退役的船舶如運(yùn)油船的方法,以便控制橫搖,供作浮式采油、儲(chǔ)油和卸油船系統(tǒng)(FPSO)用。FPSO船底龍骨用兩行板件制成,板件是連續(xù)的或分段式的,在這種情況下,每?jī)蓚€(gè)相鄰的分段之間有一小的間隙,各板件沿著船的船底,每個(gè)側(cè)邊上一行,成直角安裝到船體上,它們制成比原有退役船舶的船底龍骨(5)寬和/或具有更大總長(zhǎng)度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,船底龍骨用波紋板(7)制成。
文檔編號(hào)B63B3/00GK1292758SQ9980375
公開(kāi)日2001年4月25日 申請(qǐng)日期1999年2月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月6日
發(fā)明者安東尼奧·C·費(fèi)爾南德斯, 伊薩亞斯·Q·馬塞蒂 申請(qǐng)人:巴西石油公司