轉(zhuǎn)塔式FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)受力計(jì)算方法

李偉峰，史國(guó)友，李 偉，楊家軒

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116026)

浮式生產(chǎn)/儲(chǔ)油/卸油船(Floating Production Storage＆Off-loading，F(xiàn)PSO)是20世紀(jì)80年代中期興起的一種新型海上石油開(kāi)采工具，它兼有生產(chǎn)、儲(chǔ)油和卸油的功能，一般與水下采油裝置和油船共同組成一套完整的生產(chǎn)系統(tǒng)，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。FPSO具有機(jī)動(dòng)性和運(yùn)移性好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、生產(chǎn)和儲(chǔ)存能力大等特點(diǎn)，因而適應(yīng)深水采油。另外，F(xiàn)PSO生產(chǎn)系統(tǒng)投資成本低、建設(shè)周期短、便于維護(hù)和保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，F(xiàn)PSO市場(chǎng)十分興旺，有著廣闊的應(yīng)用前景。轉(zhuǎn)塔式FPSO是眾多FPSO中的一種，其在船艏部位設(shè)STP內(nèi)轉(zhuǎn)塔簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PSO首部與轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)直接相連而固定與海上，轉(zhuǎn)塔系泊裝置則由多根錨鏈固定于海底。

2009年11月10日，因渤海海域遇大風(fēng)天氣，海洋石油113號(hào)FPSO單點(diǎn)系泊距離增大，脫離原設(shè)計(jì)位置。自此，F(xiàn)PSO的安全問(wèn)題被提上了一個(gè)新的日程，因而對(duì)FPSO系泊安全的核算是十分必要的。

1 系統(tǒng)所受外力

影響FPSO系泊系統(tǒng)的主要外力包括風(fēng)作用力、流作用力和波浪作用力［1－2］。FPSO系統(tǒng)在這3個(gè)作用力的合力和轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)作用力的共同作用下保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

1.1 風(fēng)作用力

風(fēng)作用力參照《港口規(guī)劃與布置》［3］中公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Fw為風(fēng)作用力，N;ρ為空氣密度，取0.123 kg·s2/m4;V為風(fēng)速，m/s;C為風(fēng)壓系數(shù)，按式(2)計(jì)算;A，B分別為水面以上船體正面、側(cè)面投影面積，m2，A和B的值滿(mǎn)載和壓載時(shí)分別按式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算。

上式中:θ為風(fēng)向與船體中心線(xiàn)夾角，橫風(fēng)時(shí)取90°。DW為船舶載重噸位。

1.2 流作用力

流作用力參照交通部行業(yè)規(guī)范JTJ 215—98《港口工程荷載規(guī)范》［4］進(jìn)行計(jì)算:

式中:Ff為水流對(duì)船舶產(chǎn)生的作用力，kN;C為水流作用力系數(shù)，按式(6)計(jì)算;ρ為水的密度，t/m3;V為水流速度，m/s;S為船舶吃水線(xiàn)以下的表面積，m2，按式(7)計(jì)算。

式中:b為系數(shù)，取0.015;Re為雷諾數(shù)，Re=V·L/v(V是水流速度;L為船舶滿(mǎn)載水線(xiàn)長(zhǎng)度;v為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，其值大小與水溫有關(guān))。

式中:D為船舶吃水;B為船寬;Cb為船舶方型系數(shù)。

1.3 波浪作用力

波浪作用力計(jì)算參照原交通部行業(yè)規(guī)范JTJ 213—1998《海港水文規(guī)范》［5］進(jìn)行計(jì)算。

式中:ρ為海水密度，取1.025 t/m3;H為波高，m;L為波長(zhǎng)，m;l為柱體迎浪面的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，m;d為水深，m;D為船舶吃水，m;θ為波浪作用力與船舶縱軸的夾角，(°)。

1.4 FPSO系統(tǒng)所受合外力計(jì)算

假設(shè)上述各力的作用點(diǎn)都在船舶中心，根據(jù)力的合成原理，系統(tǒng)所受外力示意如圖1，合力計(jì)算公式如式(9):

圖1 力的合成Fig.1 Composition of forces

2 系統(tǒng)錨鏈?zhǔn)芰Ψ治雠c計(jì)算方法

轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)通過(guò)均勻分布的若干錨鏈固定在海上，F(xiàn)PSO首部與轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)直接相連固定在海上，在外界合作用力和轉(zhuǎn)塔系泊裝置作用力的共同作用下保持動(dòng)態(tài)平衡，轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)錨鏈分布Fig.2 Distribution of mooring chains

轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)由若干固定于海底的錨鏈共同作用固定于海上，每根錨鏈由不同段的錨鏈相互連接而成，這里假設(shè)每根錨鏈近似為一根懸垂的繩索，并非完全剛性的構(gòu)件(圖3)。

圖3 錨鏈布局圖Fig.3 Assignation of the mooring chain

對(duì)錨鏈各部分精確受力的計(jì)算是非常困難的，在此通過(guò)懸鏈線(xiàn)方程予以計(jì)算［6］:

式中:s為錨鏈長(zhǎng)度，m;X為錨鏈在水平面內(nèi)的投影長(zhǎng)度，m;h為出鏈孔至海底的高度，m;a按式(11)計(jì)算:

式中:Th為錨鏈在錨鏈孔處的水平張力，即單位長(zhǎng)度錨鏈在水中的重量，t/m。

假設(shè)轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)由n根均勻分布的錨鏈構(gòu)成，各錨鏈的初始長(zhǎng)度為Si，各錨鏈固定點(diǎn)坐標(biāo)為(xi，yi)，轉(zhuǎn)塔位置中心坐標(biāo)為(xw，yw)。

式中:ω為單位長(zhǎng)度錨鏈在水中的重量，t/m;h為錨鏈出空口至海底的高度，m;Ti為各錨鏈張力大小，t;Si為懸鏈長(zhǎng)度，m;Xi為錨鏈在水平方向上的投影長(zhǎng)度，m。

依據(jù)方程組(12)，求取在特定的外界環(huán)境下FPSO系統(tǒng)作用力中心點(diǎn)所處的地理位置坐標(biāo)(xw，yw)，及此時(shí)各根錨鏈所受的水平張力Ti，并與錨鏈所能承受的最大負(fù)荷進(jìn)行比較，進(jìn)而得出在特定的海況下，系統(tǒng)是否能夠安全工作。

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 西江“南海開(kāi)拓”號(hào)FPSO系統(tǒng)概況

3.1.1 “南海開(kāi)拓”號(hào)FPSO主要參數(shù)(表1)

表1 “南海開(kāi)拓”系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 The parameters of“South Sea Development”

3.1.2 該海域常年主要水文氣象條件

1)風(fēng)。風(fēng)速:8 m/s;風(fēng)向:東北。

2)波浪。浪高1.9 m;周期:6 s;方向:東北。

3)流。流速0.3 m/s;流向正西。

3.1.3 轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)及錨鏈分布

轉(zhuǎn)塔和各錨鏈固定點(diǎn)中心地理坐標(biāo)如表2。

表2 錨鏈固定點(diǎn)坐標(biāo)Table 2 The coordination of mooring chains

3.1.4 錨鏈長(zhǎng)度

“南海開(kāi)拓”號(hào)FPSO系泊系統(tǒng)各錨鏈的長(zhǎng)度見(jiàn)表3。

表3 錨鏈長(zhǎng)度Table 3 Length of mooring chains/m

3.2 計(jì)算結(jié)果

錨鏈在無(wú)外力作用時(shí)水平投影長(zhǎng)度X與各錨鏈張力T的計(jì)算結(jié)果如表4。

表4 各錨鏈水平投影長(zhǎng)度Table 4 Length of mooring chains on horizontal

3.2.1 錨鏈張力與錨鏈水平長(zhǎng)度關(guān)系

錨鏈的水平投影長(zhǎng)度與錨鏈總長(zhǎng)度的關(guān)系可以用來(lái)衡量錨鏈系統(tǒng)水平方向受力的大?。?］。根據(jù)懸鏈線(xiàn)方程(10)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模，進(jìn)行離散和迭代計(jì)算，計(jì)算出各錨鏈在水平方向上的投影長(zhǎng)度與該錨鏈水平方向所受張力的關(guān)系，如圖4。

轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)由多根錨鏈共同作用，其系泊中心點(diǎn)位置也是由各根錨鏈作用力共同作用的結(jié)果，在此也可以通過(guò)將各錨鏈水平長(zhǎng)度代替各錨鏈水平受力大小進(jìn)行求解［8］。

圖4 錨鏈水平長(zhǎng)度與錨鏈張力關(guān)系Fig.4 The relationship between the length on horizon and the force of mooring chain

3.2.2 船舶受力計(jì)算

依據(jù)所述計(jì)算方法，對(duì)中國(guó)南海西江碼頭“南海開(kāi)拓”號(hào)FPSO進(jìn)行受力計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 FPSO受力詳細(xì)Table 5 Forces in FPSO system

3.2.3 轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)各錨鏈?zhǔn)芰?/p>

依據(jù)系統(tǒng)模型，分別對(duì)滿(mǎn)載、半載和空載3種裝載狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)各錨鏈?zhǔn)芰η闆r進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6。

表6 系泊系統(tǒng)各錨鏈?zhǔn)芰able 6 Forces of mooring chains when fully loaded

3.2.4 系泊系統(tǒng)各錨鏈實(shí)際受力

表7為轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)各錨鏈的實(shí)際受力情況。通過(guò)表6和表7的對(duì)比可知，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況差別不大，在可接受的范圍內(nèi)。

表7 系泊系統(tǒng)各錨鏈實(shí)際受力Table 7 Actual forces of mooring chains

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)轉(zhuǎn)塔式FPSO系統(tǒng)所受風(fēng)、浪、流作用力和系泊系統(tǒng)各錨鏈的受力情況進(jìn)行研究和計(jì)算，通過(guò)靜態(tài)的方法對(duì)系泊系統(tǒng)各錨鏈?zhǔn)芰η闆r進(jìn)行核算，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。以“南海開(kāi)拓”號(hào)FPSO為例，分別從滿(mǎn)載、半載和空載3種裝載狀態(tài)進(jìn)行受力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較工程設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)果略微偏大，但差值在可接受范圍以?xún)?nèi)，且有利于實(shí)際安全，表明該計(jì)算方法具有一定的使用價(jià)值。

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