潘泽华，赵 耀，严 俊

(1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074；2. 武汉武船海洋工程船舶设计有限公司，湖北武汉 430000)

深水新型水下立管支撑平台研究

潘泽华1，赵 耀1，严 俊2

(1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074；2. 武汉武船海洋工程船舶设计有限公司，湖北武汉 430000)

FPSO系统在深海海洋油气资源开发中扮演着重要的角色，而深水FPSO系统水下立管管路较长，立管整体重量较大，立管在水流作用下产生的涡激振动也较强，这些将给FPSO主船体带来严重的稳性、强度及疲劳问题。鉴于此，深海FPSO系统在油气资源开发过程中，须在水下一定深度设置若干水下软管支撑浮体，用以支撑来自深海海底的管线，减轻深水立管对FPSO的负载作用。随着深海资源开发的深入发展，传统水下软管支撑浮体作为FPSO系统的关键装备已经无法满足深海开采的需求，寻求大型化、深海化、生命周期长久化的新型水下立管支撑平台迫在眉睫，设计简便快捷、低风险的安装方法成为其开发过程中的重点和难点。详细描述了水下软管支撑浮体的产生及其发展历程，针对深海开发的需求提出了新型立管支撑平台的新概念，着重对新概念下下水安装更便捷的耐压立管支撑平台设计原理及其下水安装方式展开了分析，最后对水下软管支撑浮体和新型立管支撑平台的关键技术进行了总结，并提出了需进一步解决的问题。

深海资源开发；水下软管；支撑浮体；深海立管；安装方法

随着人类社会的全面发展，能源需求特别是油气资源需求急剧增加，而深海、超深海域拥有极为丰富的油气资源，据统计全球44%的油气资源储量在深水区域，且勘探程度比较低，油气开采潜力巨大。在海洋技术的推动下，世界海洋油气资源开发热点也逐渐从浅海走向了深海。

具体地，就我国的海洋资源情况而言，我国共拥有300万平方公里的领海，其中超过一半的面积水深在300米以上。中国南海蕴藏着丰富的油气资源，石油地质储量约为230亿～300亿吨，占我国油气总资源量的三分之一，必然成为海洋开发的重点，而其中70%蕴藏于500～2 000 m的深海区域。我国目前涉足的油气开发主要集中在近海。由此可见，发展深海采油技术在我国势在必行[1-3]。

浮式生产储卸装置FPSO(floating production storage and offloading system)作为集生产、储油、生活、动力于一体的多功能采油设施，在海洋油气资源开发中有着至关重要的作用，同时也是最有前景的装备之一。目前，浅水FPSO油气开发技术已经相对成熟，但对于较深海域，由于自然环境特殊，油气储藏条件复杂，风险控制困难，只有少数国家和公司具备相应的技术能力和开发经验。截至2010年，世界范围内工作在深水海域的FPSO有15艘，具体信息如表1所示。

表1 世界15艘深水FPSO信息表Tab. 1 Message of the top 10 deep-sea FPSO in the world

与浅水FPSO系统相比，深水FPSO系统水下立管管路较长，在油气开发过程中，立管整体重量较大，这一较大重量将严重影响FPSO主船体的稳性，且不可避免的会给FPSO主船体带来局部强度问题[4-6]；同时，立管一般为柔性软管，立管在各层水域流动的影响之下会产生涡激振动[7-8]，深海FPSO系统较长的立管产生的涡激振动将对FPSO主船体产生更大的强度和疲劳问题。鉴于此，在深水油气资源开发过程中，不能直接将立管连接于水下开采系统和FPSO之间，而必须在水下一定深度设置若干水下软管支撑浮体，用以支撑来自深海海底的管线，同时承担立管在洋流中大部分的涡激振动，减轻立管对FPSO的负载作用。

上述水下软管支撑浮体安装于水下某个水深处，通过锚链与吸力锚连接固定，浮体一侧将支撑来自海底的钢质悬链立管和脐带缆，另一侧通过柔性跃式立管与FPSO主船体相连，从而实现深水作业要求。由于水下软管支撑浮体对深水立管的间接支撑作用，深海FPSO系统的稳性和局部强度得到了一定的保证，深海油气资源开发成为了可能。随着深海油气资源开发的进一步发展，水下软管支撑浮体不仅成为了深海FPSO系统中必不可少的设备之一，同时在某些钻井平台系统中也有了广泛的应用。然而水下软管支撑浮体是人类进入深水区域后产生的，其发展时间并不长，国内外公开的相关研究成果较少，大量与之相关的技术难题悬而未决影响了水下软管支撑浮体的发展进程。

针对水下软管支撑浮体的研究现状，将主要从三个层面展开叙述：首先详细回顾了水下软管支撑浮体的发展与演变过程，针对深海开发的需求现状，提出了新型立管支撑平台的新概念；其次通过展开对深海立管支撑平台下水安装方式的研究，提出了耐压立管支撑平台的设计理念，简化了平台下水安装过程，并对其设计原理进行了重点分析；最后总结了深海立管支撑平台的关键技术，并对比传统水下软管支撑浮体和新型耐压立管支撑平台的异同点，提取了两者共通的关键技术和新型立管支撑平台派生的新技术，并对上述关键技术的研究现状和技术难点进行简单的分析总结，为后续新型立管支撑平台的研究提供一定的参考。

1 传统水下软管支撑浮体

传统的水下软管支撑浮体多以水下浮筒(或箱体)和小型浮子为主(图1所示)，其结构简单、功能单一，仅起到支撑管线的作用，无法对管线、锚链受力进行实时监控，工作水域环境相对稳定。Kellogg Brown & Root, Inc.(凯洛格布朗及鲁特有限公司)于2001年公开的专利“Control Wellhead Buoy”(控制井口头浮体)[9]，霍顿深水发展系统有限公司于2008年公开的专利“管式浮力罐系统”[10]，上海利策科技有限公司2010年公开的专利“用于与FPSO船体连接的浮子系统”[11]以及大连理工大学2011年公开的专利“一种超深海水下立管支撑装置”[12]均是传统水下软管支撑浮体的典型例子。单点系泊公司于2008年公开的发明专利“海上结构、浮力结构以及安装海上结构的方法”[13]提出了一种箱式浮体及其安装的方法，它是传统水下软管支撑浮体的另一种结构形式。中国海洋石油总公司于2010年公开的专利“用于深水作业的水中钢结构浮筒的充气方法及装置”[14]对上述传统水下软管支撑浮体的安装及工作原理给出了较为详细地说明。

图1 传统水下软管支撑浮体Fig. 1 Traditional riser-support buoy

在深海大型油气田开发中，深水立管数量的增加使得FPSO系统所需的浮筒等水下软管支撑浮体数量急剧增加，从而造成水下软管支撑浮体安装时间总量的增加。但水下软管支撑浮体的安装操作大多由ROV完成，操作过程需要有较为稳定的外部环境，而深海区域一般远离海岸，环境较为恶劣，大量水下软管支撑浮体的安装必将面临高成本和高风险，同时大量的小型水下软管支撑浮体在水下的运动及耦合势必会对FPSO主船体产生较大的影响。因此，随着FPSO系统逐渐迈向深海，传统小型水下软管支撑浮体将无法满足当前油气开发的需求。

2 水下软管支撑浮体的演变

在传统水下软管支撑浮体不能满足深海油气资源开发的情况下，新型水下软管支撑浮体的需求愈发明显，在可考察的国内资料中，似乎没有出现有关新型水下软管支撑浮体的相关描述。国外水下软管支撑浮体的发展也仅处于起步阶段，Fathom Oceanology Limited(法藤海洋技术有限公司)在20世纪80年代公开的专利“Buoyancy System for Large Scale Underwater Risers”(大型水下立管用浮体)[15]提出了一种较为简单的大型浮体，这种大型浮体是将多个传统浮筒按某种方式连接在一起形成的，其功能仍比较简单。ABB Offshore Technology AS(ABB近海技术有限责任公司)在1998年公开的专利“Buoyancy Device and Method for Using Same”(浮体装置及使用该装置的方法)[16]中提出了一种马鞍形浮体(如图2所示)，该浮体具备一些简单的压力调整功能，其几何形状也是现代大型浮体的基本雏形。Jose Carlos Lima de Almeida, Ricardo Franciss, Carlos Eduardo Costa Valle Longo 等在2004年公开的专利“Subsurface Buoy and Methods of Installing, Tying and Dynamically Stabilizing The Same”[17]中提出了一种前后对称、左右大小不一、中间挖空(类似“回字形”)的大型浮体(如图3所示)及其安装方法，这种浮体在几何形状上很好地契合了立管在水中的弯曲形态，使浮体给水下立管提供更好地支撑作用。

图2 马鞍形浮体示意Fig. 2 Sketch of saddle buoy

图3 回字形浮体二维示意Fig. 3 Sketch of homocentric squares buoy

Petroleo Brasileiro SA.-Petrobras(巴西国家石油公司)于2003年公开的专利“Subsurface Buoy and Methods of Installing，Tying and Dynamically Stabilizing the Same”(水下软管支撑浮体及安装、链系和动态稳定所述水下软管支撑浮体的方法)[18]便是上述“回字形”浮体的一个典型例子，并给出了其配套的安装方法。Technip France(法国德希尼布公司)于2008年公开的专利“Underwater Buoy with Modular Members”(具有模块构件的水下软管支撑浮体)[19]提出了构件模块化的设计理念，为大型水下软管支撑浮体系统设计奠定了基础。

上述浮体虽然在结构形式上实现了大型化，然而其简单的系统组成并未实现浮体功能上的大型化。与此同时，大型水下软管支撑浮体在深海油气资源开发中的作用也变得越来越关键。毫不夸张的说，在整个深海油气开采系统中，大型水下软管支撑浮体的失效甚至能导致整个油气开采系统的崩溃，这在注重经济成本及生产风险的今天必定是重点考虑的问题。

基于此，在全世界向深海进军的关键时期，水下软管支撑浮体的演变是必然的，演变方向也是相对明确的。笔者认为，未来水下软管支撑浮体将具备如下三个特征：大型化、深海化、生命周期长久化。

大型化将是未来水下软管支撑浮体发展最为直观的变化。前面也提到，在一个油气开发系统中，传统浮体较为明显的一个缺点便是需求数量大，造成安装时间及成本较大，并且过多的浮体的运动及耦合对FPSO主船体会产生较大的影响，这一缺点在进入深海后将表现得更加明显。浮体大型化后，整个油气资源开发系统中可能只需要2～4个大型水下软管支撑浮体即可(如图4所示)，每个浮体上支撑的立管数量多达十几个甚至数十个。当然此处所说的大型化也绝非仅仅是几何形状上的简单增大，浮体在结构上也将更加复杂，功能更加完善，并会配有压载系统、控制系统、监控系统等，大型化的浮体本身便是一个完整的系统。

深海化是水下软管支撑浮体在深海油气开发系统中必然会产生的一个重要特征，这里的深海化是指水下软管支撑浮体工作水深的增加。由大型浮体工作原理图不难看出，随着水深的不断增加，海底立管到浮体的距离及浮体到FPSO主船体的距离均会增加。这是因为浮体结构规模受到一定限制，其相应的承受能力不可能无限增加，这就要求浮体工作水深不可能始终处于较低的水平[20-22]，浮体工作水深的增加也必将对浮体系统各部分提出更高的要求，这也是深海油气资源开发过程中必须要解决的技术难题。

生命周期长久化是未来水下软管支撑浮体的又一重要特征。浮体在大型化、深海化后，单个浮体的设计制造成本以及安装成本将大幅提高，同时单个浮体在整个油气资源开发系统中的作用又至关重要，因此浮体服役年限将直接影响着整个开发系统的开采年限和开采回报率。而深海油气田的开发周期本身较长，这就要求浮体有较长的生命周期。另外，浮体服役过程中均处在较深水域，浮体系统的维护将异常困难，甚至基本没有维修的可能性，也就是说浮体长久的生命周期还是建立在基本免维修的基础之上。

据中国船舶网和中央电视台报道，由武昌造船厂集团承制的世界最大型水下立管支撑浮体系统Sapinhoa-Lula NE BSR水下软管支撑浮体和深海锚座于2013年7月3日在青岛建成交付，该浮体是世界迄今为止能同时支撑多类立管的最大型水下软管支撑浮体(如图 5所示)，将在水下250 m处工作，可同时为深海石油开采提供多达11个刚性立管和13个柔性立管的支撑，产品主体的长度、宽度、高度分别达到52 m、40 m、10 m，总重量达2 700多吨，每个浮体身上承担着每天10万桶油出产的重担，并且将在水下工作27年免维护[23-24]，这一系列数据也验证了深海大型水下软管支撑浮体大型化、深海化、生命周期长久化三个重要特征。

图4 大型水下软管支撑浮体工作原理图Fig. 4 Working principle of large-scale riser-support platform

图5 武船生产世界“最大浮体”水下效果图[23-24]Fig. 5 Renderings of the biggest riser-support platform produced by WS

3 新型水下立管支撑平台

从上述水下软管支撑浮体的发展与演变可以看出，新型水下软管支撑浮体已完成了从最初的浮子或浮筒到浮体再到浮体系统的演变，同时也完成从支撑单支立管的浮体到支撑数十根立管的大型平台的演变，结构更加复杂，功能更加完善。基于上述特点，笔者将新型水下软管支撑浮体称为新型水下立管支撑平台。

由于水下立管支撑平台的作用是产生足够的正浮力以支撑海底立管，所以其重量浮力比是设计过程中考虑的核心问题，即在平台主尺度相对确定的情况下，控制立管支撑平台的重量非常关键。因此，目前绝大多数新型立管支撑平台均是基于非耐压结构的设计，整个平台结构为非耐压结构，耐压能力相当有限，平台需要在不承受较大压力的前提下才能安全正常的安装并投入工作。而深水浮式生产储卸装置(FPSO)的立管支撑平台工作位置往往又处于深水处，存在很大的水压，这便是立管支撑平台设计的矛盾点所在。欲使非耐压立管支撑平台结构不会因承受较大的压力而破坏，就必须让立管支撑平台内部存在着和外部水压相当的压力。

而目前绝大多数使立管支撑平台内部产生较大压强以平衡外部水压的做法是向其内部充气，即平台处于水下任何位置的时候都通过充气的方式增大内部压强，使内部压强与外部水压相当。然而正是由于非耐压平台的这一特点，使得其安装过程较为繁杂。

同时，立管支撑平台姿态在其整个安装和服役中必须保持平整，即整个过程中的重心、浮心需严格控制，这种控制不仅要体现在其设计过程中，也要体现在其安装的各种操作中。

基于上述特点，非耐压立管支撑平台的下水安装须逐段进行，即每下降一段距离，便往平台各分舱充气增大舱内压强，以平衡平台外部水压，同时进行其姿态的调整，故非耐压立管支撑平台下水安装过程是间断的。而正是这种间断安装过程，在深海这个特殊环境下，使得其安装风险和成本大幅提高。

同时，也正是由于立管支撑平台的作用是产生足够的正浮力以支撑海底立管，这一正浮力的大小在平台大型化后将变得相当可观。而且，平台一旦下水，对它的任何操作都显得尤其困难，所以一般平台安装时的初始状态和其在预定水深处时的工作状态是相同的，即平台安装时本身就有很大的正浮力，平台下水动力从何而来？在如此大外力作用下进行安装对平台局部结构的要求会不会太高？

正是上述这些技术问题的存在和耦合影响，新型立管支撑平台的发展显得尤其缓慢。从公开的国内外相关专利和参考文献看，近十年来，新型立管支撑平台几乎没有实质性的突破，国内相关技术的发展更是寥寥无几。目前，只有美国和巴西两国有设计与建造该浮式平台的经验，然而他们设计的平台多为上述的非耐压立管支撑平台。

4 新型耐压立管支撑平台

从上述背景看，寻求一种下水动力要求低、安装过程一次性完成、生命周期长的新型立管支撑平台迫在眉睫。今年，武汉武船海洋工程船舶设计公司、武昌船舶重工有限责任公司公开的专利“一种水下浮体”[25]提出了立管支撑平台耐压设计的理念，为示区别本文称其为耐压立管支撑平台。它巧妙的在普通非耐压立管支撑平台内加入耐压舱(如图6所示)，使得整个平台从结构上分为耐压舱、非耐压舱以及舾装件三个部分。此外，各非耐压舱设置通水系统和透气系统，各耐压舱设置充气阀(如图7所示)。

图6 新型耐压水下立管支撑平台整体示意Fig. 6 Sketch of pressure riser-support platform

图7 耐压水下立管支撑平台非耐压分舱示意Fig. 7 Sketch of subdivision in pressure riser-support platform

其基本原理是：平台下水时，仅由耐压舱提供浮力，通过控制耐压舱大小使得其提供的浮力与平台整体重力基本平衡，从而克服平台下水动力这一难题；同时，通过非耐压舱的特殊设计使得平台下水过程无须压力调整操作，简化安装过程。具体可解释如下：

从平台承压上看，耐压立管支撑平台内部空间由两个部分构成，一部分是耐压舱内的空间，另一部分即为平台内耐压舱外的空间(即非耐压舱)。由于耐压舱本身具有相当的承压能力，可承受比工作水深处水压更大的内部气压，下水前往耐压舱内充入气体使得耐压舱内的气压和浮体工作水深处的压力相当，随着浮体下水深度的增加，外界水压增大，逐渐平衡了耐压舱内部的气压，直到到达预定水深处，外界水压和耐压舱内的气压基本相当，可近似认为耐压舱在预定水深处基本不受压。对于平台内耐压舱外这一部分空间而言，由于透气系统和通水系统的存在，该空间内的压力始终和外界水压相同，即各分舱舱壁基本上不受压。综上所述，平台整个安装甚至安装后的工作过程中，平台各结构都能满足压力要求，无须压力调整操作。

从平台姿态控制的角度来看，其在下水过程中受到浮力和重力的作用，只要保证平台的重心和浮心在同一竖直线上即可保证其姿态平衡[26]。而由于透气系统和通水系统确保非耐压舱内部空间与外界海水相通，故平台在下水过程中的浮力仅由耐压舱提供，在设计时可通过控制耐压舱的大小和安装位置来控制整个平台的浮心位置。当然，耐压舱的总空间要满足一个要求，即所有耐压舱提供的浮力之和与平台结构的总重力相当。而整个平台除耐压舱外均为固定结构，故整个平台的重心位置也是随着耐压舱的大小和安装位置的确定而确定的。通过相关的计算可以确保各分舱内充满水时，整个平台系统的重心和浮心在同一竖直线上，即可保证在整个下水过程中其姿态始终保持平衡。

平台到达预定水深后，其正浮力需要平台内耐压舱外的那部分空间提供。通过往各分舱内充气，排出分舱内的部分水，使得排出水的重量恰为正浮力大小，这样平台便可提供工作要求的正浮力。

这些巧妙的变化让耐压立管支撑平台能充分利用耐压舱的耐压性能，使得平台下水安装过程一蹴而就，从而降低了平台安装成本，增强了安装可控性，同时又不会大幅增加平台的重量和平台建造成本。同时，由于平台结构整个安装及后续服役过程基本没有压力作用，可延缓平台工作疲劳，延长平台的生命周期。

5 新型耐压立管支撑平台下水安装方式

立管支撑平台下水安装的过程是其相关技术的重点和难点，同时也是平台设计的核心所在，它的设计方法和其下水安装过程是配套的。基于文献[25]中提到的新型耐压立管支撑平台的思考，笔者认为耐压立管支撑平台的安装方法与过程按照安装原理大概可以分为两种。

其一，重力基本等于或略大于浮力。当平台重力浮力差为零时，在某个初速度下浮体会自由下沉，并在下水阻力的作用下会慢慢减速。对其进行力学和运动学的分析不难知道，下沉到一定深度后，平台会稳定在某一水深，而这一水深只与平台下水的初速度及平台外形相关。在平台外形相对确定的情况下，平台最终稳定的位置仅与下水初速度有关，可以通过相关的流体计算得到初速度与深度间的关系。在此基础之上，只需要通过控制平台下水初速度来实现对平台位置的控制。若重力略大于浮力，此时平台下水过程中无法自己达到稳定，则需借助对非耐压舱的操作来实现平台最后的稳定，即在某个深度时调整非耐压舱的浮力使平台总浮力与重力相等，而后则与前述重力浮力差为零的情况相同。按这种方法下水时，工作船始终拉着平台，防止其出现失控的情况。

其二，重力略小于浮力。由于重力与浮力间存在负差值，则平台的下水便需要有牵引力的存在。即需要在海底的张力腿系统提供一定的拉力，使平台下沉并到达指定的水深。同时可以通过计算，分析平台下水的最佳速度以及需要牵引系统提供的牵引力的大小。

上述两种安装方案的前提不同，安装的过程也就不一样，两者各有优缺点。方案一的安装过程更加方便简洁，然而存在较大的风险，平台有失控的可能。方案二则正好相反，其安装过程会显得较为困难，并且操作上也有很多技术难题，然而其具有更高的安全性，平台在安装过程中一直处于可控的范围。考虑到工程可实施性，笔者更倾向于方案一所述的安装原理。

总而言之，平台要正常安装和履行职责，需要精确的计算给平台设计做支撑，同时也需要精确制造做保证，二者缺一不可，这样才能确保平台在远离陆地的深海地区是安全可控的。

6 新型立管支撑平台关键技术

基于上述内容不难看出，水下软管支撑浮体发展演变过程中，有些关键技术是贯穿始终的，它们是水下软管支撑浮体设计的基础。也有一部分关键技术是随着水下软管支撑浮体的演变而派生出来的，这些技术为水下软管支撑浮体的演变提供了有力的技术支撑，在未来新型立管支撑平台的发展过程中，上述关键技术还将进一步发挥重要作用，同时它们也需要进一步的发展来满足未来深海开发的需要。故在本节中，笔者将传统浮体与新型立管支撑平台若干关键技术的进行对比总结，分析这些关键技术的研究现状及其后续在新型立管支撑平台应用中的发展趋势，为后续立管支撑平台的研究设计提供思路。

6.1重力(心)、浮力(心)的精确计算与控制

不论是传统水下软管支撑浮体还是新型立管支撑平台，重量重心及浮力浮心的计算与控制均是设计的重点。首先，重量重心及浮力浮心的控制是浮体或平台正常履行其职责的重要前提；另外，重心和浮心的偏移对浮体平衡位置及姿态产生较大影响；再者，浮体和平台都是锚泊的，都依靠海底的张力腿系统来控制其平衡位置，张力腿在浮体和平台浮力重力不平衡且浮心重心有偏移的情况下长时间工作容易产生疲劳问题[27-28]。随着平台的日益大型化、生命周期长久化，重力(心)及浮力(心)的不平衡会进一步放大对张力腿系统的影响，重力(心)及浮力(心)的计算与控制精确性在大型平台设计中显得越来越重要。

重量重心及浮力浮心的计算是老话题，理论公式也不复杂。然而，对于超大型工程实体而言，想精确了解其重量重心及浮力浮心是不容易的。在工程上对大型结构物通常采用估算和实验辅助法，精度较低，国内尚未有对大型浮体进行浮力浮心及重量重心计算的相关文献，但有一些针对其他对象的类似研究，对大型浮体浮力计算有一定的指导性。文献[29]针对导管架这一对象，对其下水过程的浮力浮心变化进行了分析研究，通过对导管架各状态进行圆柱体与水平面的求交计算，使用解析的方法得到了导管架浮力浮心的精确值。文献[30]在此基础之上，将导管架模型分解为四面体单元，分析每个四面体单元与水平面的相对关系，从而计算得到其浮力和浮心,最终汇总得到整个导管架的浮力浮心。上述对导管架的浮力浮心计算研究和大型浮体浮力浮心计算有一定的共性，都是求解浮体在运动状态下浮力的变化情况。文献[31]对小型水下运动体的浮力浮心展开了实验研究，制定了精确的浮力浮心测量系统，对水下运动体的运动有一定的预报作用，然而对于浮体大型化后该系统精度如何不得而知，还需进一步探讨。国外讨论水下软管支撑浮体浮力浮心精确计算的相关文献较少，也不具有典型性。

浮体或平台的结构精度控制和基于全设计的建造过程的重量控制技术也是重量重心及浮力浮心控制的重要内容，它主要依赖于精确的工程建造技术，包括重量控制技术体系建设、分段的重量控制技术、整体重量控制技术及管理。上述技术在船舶行业应用虽广，但精度难以满足新型立管支撑平台建造要求，还需进一步研究完善。

6.2基于全线路的立管系统涡振研究

前面说到，对于浮体和平台而言，立管是其主要作用结构，立管在水下除重力作用于浮体和平台外，还有较强的涡激振动作用。特别地，深海采油系统中的平台支撑的立管线路更长，立管数也更多，涡激振动更强。因此展开水下立管涡激振动的研究有助于精确分析立管支撑平台的受载，为平台设计提供有力依据。

涡激振动是一种典型的流固耦合运动，目前国内外对海底立管涡激振动的研究较多，多数研究是基于实验分析和数值模拟。文献[32]通过物理模型实验探讨了海流作用下立管涡激振动特性与机理，建立了基于离散涡理论的涡振预报CFD计算模型。文献[33]针对海底立管特点在深水池中成功的进行了大长比海洋立管涡激振动模型实验，文献[34-36]均是国内近年来一些类似的研究。Chaplin等[37-38]对比了海底立管11种海流情况下的实验涡振分析和CFD涡振分析结果准确性，对立管涡振预报有较强的指导意义。Trim等[39]专门为海底立管制定了涡激振动实验测试系统；Willden等[40]对均匀流下质量比为1～3的海底立管涡激振动进行了振动多模态分析。上述研究虽为立管涡振预报提供了一定的理论基础和技术支撑，但对于平台而言，同时有大量的立管作用，立管的涡振耦合问题非常突出，而目前针对整个立管系统的涡振耦合研究还很缺乏。另外，大型立管支撑平台有较长的生命周期要求，涡激振动给平台带来的疲劳问题必会影响其生命周期，如何抑制涡振影响也是一个值得关注的话题。

6.3下水安装仿真技术

传统浮体结构简单，尺寸较小，下水安装相对容易，实际工程操作也并不复杂，使用简单的变浮力操作即可实现。而对于大型化的立管支撑平台而言，下水安装过程难以控制，需对其进行水动力计算，为平台下水安装提供指导性数据，这一指导型数据包括速度、加速度变化曲线，阻力变化曲线等。大型平台下水过程的水动力计算较为复杂，目前绝大多数研究都采用CFD方法，按照离散方法的不同又可将其分为有限差分法、有限元法和有限体积法[41]。考虑到平台的具体情况，运用有限体积法进行其下水计算更为适合。有限体积法经过长时间的发展已有较为成熟的理论，目前国内的相关技术也较为成熟，但鲜有针对平台在复杂深海环境下的无动力纵向下水的水动力计算，对其边界的处理及定义还缺乏经验。

6.4新型耐压立管支撑平台关键技术

基于实用新型“一种水下浮体”[25]的耐压设计理念，立管支撑平台又派生出一些新的研究点。耐压立管支撑平台的核心是耐压舱，而耐压舱的支撑问题是影响耐压舱强度进而影响其重量的一个重要因素，寻求耐压舱新型支撑形式、使用新型材料作为解决这一问题的有效途径还有待研究。另外，为降低耐压舱重量，一定程度上优化平台性能，进行基于全支撑耐压舱的优化设计也非常必要。

7 结 语

深海油气资源开发已经引起了各界广泛的关注，相应的深海油气资源开发技术亟待发展，深海立管支撑平台作为深海FPSO系统的关键设备，其发展显得尤为迫切，如何完成从单个浮子或浮筒到浮体结构再到新型立管支撑平台系统的过渡，实现平台的大型化、深海化、生命周期长久化，实现平台的安全便捷安装，必将成为近期相关领域研究的热点话题。到目前为止，可借鉴的国内外有关新型立管支撑平台的研究较少，特别是综述性的工作基本处于空白状态。笔者通过相关项目经验的长期积累，对深海立管支撑平台的研究进行了梳理和分析总结，并从以下三个方面展开内容，希望为后续新型立管支撑平台的研究提供一定的参考。

1)回顾了水下软管支撑浮体的发展历程，通过对大量相关的国内外专利及文献的总结分析，结合深海资源开发现状，得出了水下软管支撑浮体大型化、深海化及生命周期长久化的发展趋势，并由此提出了深海立管支撑平台的新概念；

2)重点展开了对深海立管支撑平台典型实例—武汉武船海洋工程船舶设计公司、武昌船舶重工有限责任公司公开的专利“一种水下浮体”设计原理的分析，并提出了其可能的下水方式；

3)总结了深海立管支撑平台的关键技术，并提出了新型立管支撑平台的发展中还需进一步解决的问题，如浮体各姿态下的浮力浮心精确计算系统的建立、立管涡振及其耦合对平台的具体影响、平台安装水动力分析，下水安装虚拟现实技术、基于新型耐压立管支撑平台的耐压舱支撑问题、优化问题等。

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Research on the new deep-sea riser-support platform

PAN Zehua1, ZHAO Yao1, YAN Jun2

(1. Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. CSIC (Wuhan) Marine & Offshore Engineering Co., Ltd., Wuhan 430000, China)

The exploitation of marine resources has extended to the deep sea areas. FPSO system plays an important role in the exploitation. But the marine risers of deep-sea FPSO system are so long that their weight is large and the vortex-induced vibration is strong under the ocean current, which affects the stability, strength and fatigue of the FPSO hull. Thus, the deep-sea FPSO system needs several buoys in the water, which are used to support the marine risers in order to reduce the load on FPSO hull. With the further exploitation of the deep-sea resources, the traditional buoy cannot meet the needs of the exploitation. It is imminent to seek the new buoy, riser-support platform, which is large in scale, applicable in deep sea, and long-life. It is difficult and critical to design an easy and safe installation method for the riser-support platform. This paper mainly describes the development of the buoy. Then the new concept, riser-support platform, is put forward. At last, the paper focuses on the pressure buoy of the new concept, analyzing and summarizing the key technologies related.

deep sea; underwater hoses; buoy; riser-support platform; installation

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.017

赵 耀(1958-)，男，湖北武汉人，教授，主要从事船舶与海洋结构静动态响应研究。E-mail: yzhaozzz@hust.edu.cn

1005-9865(2015)06-119-10

2014-08-22

国家科学技术重大专项资助项目(2011ZX05026-006-05)；国家自然科学基金重点项目(51239007)

潘泽华(1989-)，男，湖北孝感人，硕士生，主要从事海上浮式平台结构设计与分析。E-mail: panzh_hust@163.com