我国圆筒型FPSO发展
传统的船型FPSO主要是通过使用单点系泊系统将储油船系泊于一点，利用风标效应来降低环境因素对储油船产生的动力载荷，以规避这些环境载荷给船体结构带来的破坏力，使之在恶劣的海况下仍然能正常作业。但是，这种细长型船型的FPSO也有缺点：
（1）单点系泊系统价格昂贵，而且需要经常维修保养，存在潜在的损坏而造成停工的风险。
（2）船型的FPSO，其结构对波浪作用的动态响应较大，尤其是波浪引起的横摇和升沉运动较为严重。这直接影响了船上设备与仪器的正常工作，也影响船上作业人员的舒适性。
（3）尽管风标效应使储油船所受的环境总载荷大大降低，但在船体迎浪或随浪情况下，细长船体的中拱弯矩和中垂弯矩很大，长期的波浪交变载荷容易使船体遭受疲劳破坏。
（4）船型的FPSO，其结构的特点决定了甲板单位面积的载荷受限，这与在远离海岸的深海作业浮式采油装置所希望实现的大甲板面载荷要求不符。
针对上述FPSO的不足，海洋工程科研机构提出了各种各样的基于FPSO概念的延伸与改进方案，如八角型FPSO、多立柱FPSO和圆筒型FPSO。其中圆筒型FPSO方案逐渐成熟并在工程上得以应用。
1.圆筒型EPSO的优缺点
2006年，挪威Sevan Marine公司在全球寻求“深海高稳性圆筒型钻探储油平台”的制造厂商，最终找到当时的南通中远船务。2007年3月，双方在上海签订合同。
经过32个月的设计、建造、调试、试航，2009年11月正式向挪威Sevan Marine公司“交钥匙”，被命名为“SEVAN DRILLER”号；而南通中远船务在建造过程中把它称为“希望1”号。“希望1”号圆筒型海洋钻探储油平台直径84米，总高135米，钻台高度44.5米，空船重量28 180吨，设计水深3 000米，钻井深度12 000米，通过8台推进器进行定位，并配置全球最先进的DP-3动力定位系统和系泊系统。可适应英国北海零下20摄氏度的恶劣海况。平台甲板可变载荷15 000吨，生活区可容纳150人居住，居住舱室满足45分贝超静音标准。“希望1”号建成后，南通中远船务又续建了“希望2”号、“希望3”号、“希望6”号、“希望7”号和“希望8”号等圆筒型钻探储油平台。
“希望6”号（见图7-21）是南通中远船务工程有限公司为英国DANA石油公司设计建造的圆筒型浮式生产储卸油平台，于2017年2月9日完工开航（见图7-22）。该平台是世界上首个圆筒型浮式生产储卸油平台，打破传统船型设计理念，多项关键技术填补了国内空白，同时也是我国首个从设计、采购、建造、调试、运输到海上安装，一站式全过程的总包工程项目。
图7-21 “希望6”号圆筒型FPSO
“希望6”号圆筒型FPSO是我国海洋工程装备制造企业从国外获得的第一个总包一站式交钥匙工程。在技术设计、模块建造和平台调试上首次实现了国内FPSO项目的总承包，多项技术创新上填补了国内海工空白，达到了世界先进水平，标志着我国海工装备制造业从海工中端产品设计建造向高端产品设计建造里程碑式的重大跨越。推动了我国海洋工程装备制造技术进步和产业化发展，实现了中国制造的FPSO在海况复杂、要求严格的英国北海投入使用的零突破，打造了海洋工程装备制造的中国品牌。
图7-22 “希望6”号下水
“希望6”号不同于传统船型的FPSO，由一个圆筒型主船体和生产甲板组成。FPSO主船体直径为70米，型深32米，生产甲板高38米，设计吃水22米，储油能力40万桶，采用12点分布式系泊系统。生产甲板上主要布置有清管模块、分离模块、压缩模块、注水模块、动力模块、生活区域模块、办公区域模块及功能单元模块等。
总液气处理能力50 000桶／天，最大原油处理能力44 000桶／天，最大原油存储量为400 000桶及40百万立方英尺／天的气体处理能力。满足DNV规范和英国IVB独立第三方验证的要求，参照挪威NORSOK[2]标准，可连续在海上服役20年。平台自动化控制程度高、安全可靠性强，报警点超过17 000个，同时满足压力设备指令（pressure equipment directive，PED）、ATEX防爆要求、OSCR安全规范，以及PUWER／FPEER／LOLER等规范要求（见表7-2）。
表7-2 “希望6”号FPSO设计参数
圆筒型FPSO设计具有更好的稳定性，较高的甲板载荷能力和更多的存储空间，可以适用于全球绝大多数海域和海况，逐渐为全球海工市场所接受，除圆筒型FPSO外，还有圆筒型钻井平台、浮式液化天然气装置（floating liquefied natural gas，FLNG）和生活平台都已逐步走入市场，圆筒型的产品在未来高端平台市场上将极具竞争力。
2.国内圆筒型FPSO的研发
近30年来，南海相继勘探发现了数十个小型油田，这些油田由于水深、储量规模小、采出率低、距离已有设施远，常规工程方案开发经济效益差。针对边际油田的有效开发，装备需要小型化。
2015年4月，由中海油研究总院牵头，中国船舶及海洋工程设计研究院参研的工信部课题“圆筒型浮士修井生产储卸油船（floating production storage and offloading，FWPSO）关键技术研究”项目正式启动，针对FWPSO的浮体、桩基、海管、水下系统、修井机及隔水管、建造、海上安装等关键技术进行研发，旨在提出集生产、储油、外输等多功能于一体，并增加修井功能的FWPSO（见图7-23），使其更适应边际油田的开采，可以有效降低油田作业费用。
图7-23 FWPSO
2019年11月，中国石油天然气集团有限公司（以下简称“中国石油”）与中国船舶及海洋工程设计研究院签订协议，针对流花11-1／4-1油田开展圆筒型FPSO船体联合设计。
流花11-1／4-1油田位于中国南海东部珠江口盆地，包括流花11-1油田和流花4-1油田。流花11-1油田位于距香港地区东南约220千米，距其西北已开发的流花4-1油田约10千米，油田范围内平均水深约305米，流花4-1油田位于距香港地区约215千米，海域水深约260～300米。流花11-1／4-1油田计划联合开发，采用导管架平台回接新建圆筒型FPSO的模式。流花11-1油田所产井流与流花4-1所产井流在新建导管架预处理平台汇集，进行预处理后通过10英寸软管输送到新建FPSO处理成合格原油、储存、外输。新建FPSO自带电站，通过复合海底电缆向新建导管架预处理平台供电。新建FPSO的结构拟选用圆筒型式，开展基本设计工作。
流花11-1／4-1油田二次开发项目所采用的模式为圆筒型FPSO+深水导管架的全海式独立开发模式。圆筒型FPSO及深水导管架技术的工程化、产业化对于我国海洋石油工业具有重大意义。
与常规船型的FPSO相比，圆筒型FPSO具有优异的运动性能，并且无须单点系统。可规避单点系统的技术封锁风险，对我国掌握独立自主的FPSO设计、建造、安装技术具有重大意义。
深水导管架平台为目前国际上经济性与安全性最优的海上油气田开发平台，继286米水深的陆丰15-1DPP平台导管架设计完成后，流花11-1DPP将迎来水深330米的导管架平台。深水导管架技术在两个项目的成功实施，将树立南海北部陆坡200～350米海域油气田典型模式（见图7-24）。
图7-24 新规划FPSO在油田中的作用
圆筒型FPSO设计遵循下述原则：
（1）圆筒型FPSO船体设计满足海洋石油工业普遍采用的国际／国家标准、法规及入级船级社规范的要求。
（2）圆筒型FPSO船体设计年限考虑30年，台风工况下不解脱。
（3）阻尼板宽度需满足国内大部分船坞的要求。
（4）圆筒型FPSO船体及上部模块设计需考虑一体化设计原则。
基本设计中，圆筒型FPSO的设计参数：(https://www.daowen.com)
（1）设计工作水深约330米。
（2）设计服务年限25年。
（3）自持力21天。
（4）定员100人。
（5）作业工况为一年一遇台风环境条件。
（6）生存工况为百年一遇台风环境条件。
（7）台风工况下不解脱，满足国际和国内的相关法规、标准和入级船级社规范的要求。
（8）FPSO为单甲板、双舷侧、双底。
（9）适应系泊系统3×4布置。
流花圆筒型FPSO课题主要突破了主尺度规划和稳性校核等关键技术（见图7-25）。
1）主尺度规划
圆筒型FPSO是针对特定海域、特定油气田量身定制的，圆筒型和船型FPSO主尺度选取依据和设计原则本质相似，主要控制因素包括：原油储量、工艺模块要求的甲板面积、耐波性、稳性、系泊系统、排水量等。
圆筒型FPSO外形结构主要包括三部分：柱型筒体、底部阻尼板和上部外飘结构。该装置尺度规划中：首先，根据目标油田舱容需求（包括货油、污油舱、工艺舱和压载舱等），满载排水量需求（包括货油满载、燃油满载、淡水满载、工艺舱部分装载、系泊立管载荷、作业载荷以及必要压载水），初稳性要求和运动固有周期确定筒体直径、型深和吃水。圆筒型FPSO的干舷除了满足稳性要求外，更需考虑防止生存海况下的甲板上浪。
图7-25 流花圆筒型FPSO总布置图
通常FPSO载重量占排水量75%，船体钢料占排水量的13%～16%，压载水容积占排水量的35%～50%。压载舱的容积和位置主要为确保原油舱空载或部分装载时，FPSO满足稳性、浮态和耐波性要求。
如果圆筒型FPSO设置钻修井附加功能，压载舱和设备系统的能力应满足钻修井系统升沉补偿的要求。圆筒型装置的初稳性由直径、排水量、浮心高度和重心高度决定，通常各工况最小初稳性高为4～5米。考虑圆筒型FPSO稳性时应兼顾运动固有周期，其中垂荡固有周期通常大于16秒，横摇固有周期通常大于30秒。综合上述因素，通常圆筒型FPSO的直径和型深比为1∶2左右。
其次，根据圆筒型FPSO运动响应目标确定阻尼板尺度，阻尼板是增加圆筒型FPSO附连水重量和黏性阻尼的关键装置，可以有效降低其垂荡和横摇运动。通常阻尼板为与柱型筒体相连的箱形结构，其高度与油舱双层底高度一致，一般为2～3米，其外延径向长度与浮体运动响应、阻尼板结构强度和建造限制相关。
最后，上部外飘结构主要与工艺甲板面积的需求相关，同时统筹考虑外飘结构的抨击载荷影响，与垂直方向的外飘角度通常为25度左右。圆筒型装置的主甲板和工艺甲板之间的外围结构采用隔栅状的挡浪板，既防止甲板上浪又利于危险区域的通风。
通常认为FPSO生产作业时长期系泊定位在深水不会有触底风险，浅水拖航时舱内不再储存原油，规范也不要求考虑底部破损时的破舱稳性，原则上可以采用单底。但是圆筒型FPSO采用双层底构造主要基于以下原因：
（1）油舱内结构件少，易于洗舱、扫舱；便于油舱底部结构件的检查；保温效果好；更有利于环保和防止油污染。
（2）圆筒型FPSO分舱结构主要为环形舱壁和径向舱壁，环形舱壁和径向舱壁将货油舱、工艺舱和压载舱进行有效分隔，舱壁间距的设置需主要考虑以下因素：舱容需求；减轻结构重量；破舱稳性；自由液面效应；满足MARPOL[3]的防污染要求；液舱晃荡；货舱检修不影响生产作业；设备系统配置的经济性。
（3）根据圆筒型FPSO尺度规划研究，与常规船型FPSO尺度外形规划相比，需特别注意的是阻尼板的结构型式，这也是圆筒型装置具有优良运动性能，从而抵御恶劣海况的保障。
2）稳性校核
选取稳性校核标准是进行分析计算的第一步，也是非常重要的一步。之前IMO[4]公约以及各主要船级社法规均无专门针对圆筒型FPSO的稳性校核要求。10多年前，第一艘圆筒型钻井平台开始设计建造，入级挪威船级社。设计公司和船级社关于圆筒型平台的稳性标准展开了深入的讨论和研究。由于当时圆筒型平台被定义为半潜式海洋平台，所以挪威船级社选取了IMO MODU Code对柱稳式平台的稳性要求作为校核标准。但由于圆筒型平台与柱稳式平台有着明显的不同，对该标准的选取一直存在争议。经过进一步的研究调查，挪威船级社于2014年发布的关于海洋平台稳性要求的标准DNV-OSC301，明确把圆筒型平台写入了规范。该规范认为圆筒型平台是柱稳式平台和水面式平台的结合体，校核标准倾向于柱稳式的标准，而破损范围的界定则遵循水面式和自升式钻井平台的假定。
圆筒型FPSO应满足MARPOL公约的要求。对于MARPOL破损范围的假定也同样存在着争议。传统的做法是把圆筒的直径作为船长和船宽进行计算的依据，而有的观点认为这种破损假定偏小，应按照相同载重量船型FPSO的船长、船宽作为依据，但类似规格船型FPSO的主尺度可以有不同的组合，特别是船长是否超过225米对破损假定有重要影响，因此这种观点仍缺乏具体实施办法。流花圆筒型FPSO仍采用传统方法采用MARPOL的要求进行稳性校核。
（1）主船体外形尺寸。主船体上部的外飘角度越大，最大复原力臂和对应的横倾角也越大，稳性也越好，同时也能获得更大的甲板面积。但外飘角度增大的同时，外板所承受的波浪抨击力也变大，对结构强度不利。一般来说，外飘角度最大不宜超过30度。圆筒直径增大对提高初稳性高的作用非常明显，同时也增大了液舱储存能力和甲板的布置面积，但船体钢料重量和造价也随之增加。在进行前期设计时，首先根据舱容和布置最低要求初步确定圆筒的直径，再以此为基础校核稳性，并根据结果做适当调整。增加型深会增加干舷，也会有效提高复原力臂曲线。但型深增加会使整个上部模块的重心提高，对装载工况下的稳性不利，因此在确定型深时，需综合权衡其对复原力臂曲线和空船重心的影响。
（2）装载工况。平台作业时需要合理装载以降低重心高度，比如适当使用压载水，尽量将上部模块的甲板载荷布置在较低的位置等。自由液面对稳性影响也很大，装载时要避免较大自由液面的产生，如压载舱在使用时需尽量超过双层底高度。另外，由于货油舱的重心相对较低，当原油密度增大时，整船的重心高度会降低。因此，适当降低原油进舱时的温度，会使原油密度增加，进而改善稳性。
（3）进水点位置。稳性标准与进水角有关，因此增大进水角也是改善稳性的有效途径之一。对于圆筒型FPSO，进水点主要是周边压载舱的透气管。因此可以通过增大透气管高度和尽量把透气管布置在靠近中心位置的方法来改善稳性。
（4）舱室划分与布置。在破舱稳性校核时，破损舱室的大小、位置对结果影响很大。因此在假定的破损范围内，要合理地布置和划分舱室，避免破损舱室舱容过大、形心太靠外侧。特别是对于MARPOL公约，假定的破损横向深度很大，水密舱壁的布置就需要避免过多的舱室同时破损，假定破损的舱室在初始工况下可以适当装载液体，这样舱室破损后，舱室内外液面齐平时即达到平衡位置，减小了破损以后的横倾角度。外围的L形压载舱也可以考虑在底部进行分隔，既减小了破舱舱容又降低了自由液面的影响。
（5）风倾力矩。平台在设计时需尽量减小风倾力矩的影响，主要是减少平台的受风面积，如降低上部模块和生活区的层高，在安全允许下采用桁架结构代替板架结构等。平台在作业时也要避免在横向面积较大的方向迎风。
“圆筒型FWPSO关键技术研究”项目开发了一型具有钻修井、生产及储输一体化功能的边际油田生产装置。该项目的实施促进了我国海洋油气工业的发展，并带动我国海洋工程相关产业发展，对实现我国船舶工业产品结构调整和转型升级，支撑我国建设海洋强国目标的实现具有十分重要的意义。
【注释】
[1]一般指国际防止船舶造成污染公约。
[2]挪威标准组织Norsk Sokkels Konkuranseposisjon的缩写。
[3]国际防止船舶造成污染公约，the International Convention for Prevention of Marine Pollution for Ships。
[4]国际海事组织，International Maritime Organization。
