適用于渤海灣的新型外轉(zhuǎn)塔單點系泊方案研究

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(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司,天津 300457;2.中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部,天津 300459)

中海油的FPSO在渤海灣作業(yè)多年，系泊核心技術(shù)均來自于國外，出現(xiàn)過不少系泊故障。為了解決工程難題，打破國外單點系泊公司的壟斷，扶持國內(nèi)裝備制造業(yè)的發(fā)展，中海油積極推進(jìn)單點系泊技術(shù)國產(chǎn)化，廣泛開展研究合作，最終確定了適用于中小型FPSO系泊的新型淺水外轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)(以下稱TUMSES系統(tǒng))。本文以渤海某油田及其FPSO作業(yè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在上海交大深水試驗池對該方案進(jìn)行了試驗論證。

1 系泊方案簡介

1.1 渤海傳統(tǒng)系泊方案

我國渤海海域水淺(20～40 m)，F(xiàn)PSO系泊狀況見圖1。

圖1 渤海FPSO系泊情況示意

傳統(tǒng)系泊方案多用水上塔架軟鋼臂(YOKE)單點系泊系統(tǒng)[2]。多點系泊適用于溫和海況，抗風(fēng)浪能力差，對水深也有較高要求，不適于渤海灣。另外，水深太淺導(dǎo)致幾乎沒有懸鏈線效應(yīng)，所以內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊以及常規(guī)深水外轉(zhuǎn)塔單點系泊方式無法在渤海灣應(yīng)用。除此之外渤海有2處作業(yè)區(qū)還應(yīng)用過圖1右所示的錨鏈?zhǔn)剿耏OKE系泊系統(tǒng)，渤海FPSO具體系泊情況參見表1。

表1 渤海服役FPSO基本情況

水上和水下YOKE單點系泊系統(tǒng)在渤海已使用多年。前者由導(dǎo)管架、水上塔架、YOKE、系泊臂、船艏支架等組成，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔力臂高所受環(huán)境力矩大、價格比較昂貴。后者由水下塔柱、水上塔架、水下YOKE、錨鏈系泊臂等組成，與前者相比，轉(zhuǎn)塔在水下環(huán)境力矩較小，但錨鏈與船艏鉸接處無萬向節(jié)FPSO易出現(xiàn)“振顫”現(xiàn)象。實際運營中，水上YOKE單點系泊系統(tǒng)和錨鏈?zhǔn)剿耏OKE系泊系統(tǒng)都出現(xiàn)過不少故障甚至較大事故，嚴(yán)重影響著海上的安全和生產(chǎn)。

1.2 新方案原理

FPSO為長寬比大的浮體，這種海洋結(jié)構(gòu)物具有很強的方向性，在所有方向中，當(dāng)船頭迎風(fēng)浪時船體所受載荷最小，響應(yīng)最小，所以采用繞系泊點360°旋轉(zhuǎn)的單點系泊方式能使浮體總是處于合外力最小的位置[3]。本方案正是基于此特點決定采用TUMSES單點系泊系統(tǒng)。

如圖2所示，該裝置水面上設(shè)置一個連接浮筒，連接浮筒通過機(jī)械連接裝置與被系泊船艏部外伸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)連接，該浮筒與船舶之間通過軸承可實現(xiàn)周向回轉(zhuǎn)，連接浮筒通過三根連接錨鏈與懸掛配重連接(周向等角度平分)，配重塊在系泊系統(tǒng)的運動中提供主要回復(fù)力。

圖2 TUMSES系泊方案

懸掛配重下端以120°為間隔等角度沿周邊散射布置三對組合系泊鏈，每對鏈相互之間夾角為5°，每根系泊鏈長為250 m。錨鏈一端與懸掛配重連接，另一端與系泊樁基連接。生產(chǎn)管線通過浮子和轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)海底與船體的連接。

本系泊系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)塔架式單點系泊，它沒有導(dǎo)管架，剛度特性比較柔，能有效減小系統(tǒng)所受的環(huán)境載荷。其理論依據(jù)如下：單點的系泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)是兩個對立、矛盾的整體，必須綜合考慮。系泊系統(tǒng)的作用類似彈簧，它“剛”，則系泊船只的位移?。凰叭帷?，則船的位移大。系泊船只的位移在很大程度上受控于立管系統(tǒng)，很顯然，船只的位移大，勢必給立管帶來不利影響。

圖1所示傳統(tǒng)系泊方案出現(xiàn)問題的原因在于系統(tǒng)太剛，而圖2所示的新型系泊系統(tǒng)的設(shè)計旨在滿足立管運動范圍的情況下盡量使系泊系統(tǒng)保持較好的彈性。

1.3 試驗工況

TUMSES系統(tǒng)方案坐標(biāo)見圖3。

圖3 TUMSES系泊方案坐標(biāo)系統(tǒng)

試驗工況包括百年一遇自存工況和一年一遇外輸工況，F(xiàn)PSO和穿梭油船(Shuttle)的裝載狀態(tài)以及系泊系統(tǒng)鏈向的分布見表2和表3。

表2 百年一遇風(fēng)浪條件下FPSO滿載/壓載工況

表3 FPSO滿載(壓載)/Shuttle壓載(滿載)，外輸工況

注：F壓S滿為FPSO壓載Shuttle滿載，F(xiàn)滿S壓為FPSO滿載Shuttle壓載。

其中，TUMSES系統(tǒng)方案中，關(guān)于“與一鏈同向”和“在兩鏈之間”的描述見圖4。

圖4 系泊鏈布置與環(huán)境載荷相對方向

1.4 基本參數(shù)

基本參數(shù)見表4。

表4 基本參數(shù)

注：F:FPSO；S:Shuttle；H:有義波高；T:譜峰周期；V:風(fēng)速；ν:流速；下標(biāo)s:百年一遇；下標(biāo)w:作業(yè)工況；t:吃水；Loa:總長；Lbp:垂線間長；B:型寬；D:型深

2 系泊分析

如圖5所示，系泊力中波浪力包含波頻與低頻部分，波頻即為一階力部分，低頻為二階低頻力部分，二階力還包括和頻力、倍頻力以及定常力部分。隨著低頻慢漂運動，系泊系統(tǒng)會在二階定常力作用下漂至動態(tài)平衡位置，然后在二階低頻慢漂力作用下圍繞平衡位置做簡諧振動，在低頻慢漂的簡諧運動基礎(chǔ)上會伴有波頻運動。

X1-平均漂移；X2-在X1上的低頻慢漂；X3-在X2上的波頻振蕩。

1)把風(fēng)力、流力和波浪定常力作為靜力考慮，三者之和為平均力，所謂定常力即由一階速度勢產(chǎn)生的不隨時間變化的力，可以理解為同頻率的規(guī)則波耦合的結(jié)果[4]，定常力橫交于圖5恢復(fù)力曲線上的一點，從該點向下作垂線，交于橫坐標(biāo)軸X1，即為平均漂移。

2)系泊船相對X1作低頻慢漂運動X2，運動頻率等于系泊系統(tǒng)的固有頻率。

3)系泊船只相對于X2作波頻運動X3,其運動頻率為波浪頻率。波頻運動靠船舶自身提供恢復(fù)力，不考慮系泊系統(tǒng)的剛度。

4)最大系泊力發(fā)生在最大漂移狀態(tài)Xt，即Xt=X1+X2+X3。此時船只在平均波浪力X1位置上做X2簡諧低頻振動漂至極限處，并且在低頻慢漂X2的極限處同時伴有劇烈的X3波頻運動，此時系泊系統(tǒng)有最大的系泊力。

由浮體運動理論可知，水平方向上(橫蕩、縱蕩、艏搖)由于浮體無自身回復(fù)力，需依靠系泊系統(tǒng)提供回復(fù)力。將系泊系統(tǒng)看做彈簧，進(jìn)行靜力特性分析求得系泊的浮體在各方向上的剛度系數(shù)，即力——位移曲線，從而可根據(jù)浮體的運動確定系泊力如下。

FM=-KMX

(1)

式中:FM——系泊力；

KM——系泊系統(tǒng)剛度；

X——船只在水平面上的位移。

模型試驗正是基于此原理，在主要需要測量的方向上模擬系泊系統(tǒng)的剛度，使得模型在靜水試驗中測得的某方向的剛度與理論趨于一致，則模型的運動和受力與實船相似，那么通過傳感器測得的力和位移通過換算到實船則是準(zhǔn)確的。

綜上所述，系泊系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)避免系統(tǒng)的固有頻率與波浪的低頻慢漂出現(xiàn)頻率共振，因為一旦共振會造成運動幅度加大，由式(1)可知，系泊力會隨之變大，這對系統(tǒng)不利。

3 模型試驗

試驗采樣頻率25 Hz，采樣時間模擬實際時間3 h，模型值為30 min。采樣點數(shù)不少于45 000點。試驗內(nèi)容包括靜水試驗和不規(guī)則波試驗，靜水試驗?zāi)軌颢@得模型不規(guī)則波試驗的基本運動參數(shù)。不規(guī)則波試驗時，從下達(dá)造波指令開始，到采樣記錄開始，需間隔2 min，以使正式試驗采樣時模型能夠處于基本穩(wěn)定的運動狀態(tài)。

3.1 試驗主要設(shè)備及其原理

1)深水造流系統(tǒng)。試驗來流如圖6所示。

圖6 剖面流

上海交通大學(xué)深水池配備有整體池外循環(huán)的深水造流系統(tǒng)，可在0～10 m的水深范圍內(nèi)產(chǎn)生具有各種流速剖面的深水流場以模擬深海海流，該系統(tǒng)能夠使試驗區(qū)域的流場均勻性滿足深水試驗的要求，即流場在橫向方向上流速分布足夠均勻[5]。試驗室水池中心試驗區(qū)的流由造流泵控制，共6臺泵，根據(jù)剖面形式和流速大小進(jìn)行垂向的分層控制，流速可以通過造流泵的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗時啟動需要控制的造流泵，輸入初始參數(shù)，開始造流，流到達(dá)試驗區(qū)1分鐘左右流場穩(wěn)定后，中心試驗區(qū)的多普勒流速儀開始采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)結(jié)果反饋到電機(jī)的控制屏并相應(yīng)對其控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，再次造流，然后再采集數(shù)據(jù)，再分析，直至調(diào)節(jié)的流場符合試驗的要求，本試驗以模擬一年一遇(外輸)和百年一遇的表層流速為準(zhǔn)，調(diào)試結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，效果良好。

2)造波系統(tǒng)。造波中的波譜分析，是由時域的波譜經(jīng)快速傅里葉變換變成頻域的能量譜。試驗需要調(diào)節(jié)控制參數(shù)直至水池造波的譜峰周期、有義波高與目標(biāo)波譜逼近。

(2)

(3)

(4)

式中：ω——波頻；

f(t)——時域函數(shù)；

F(ω)——頻域函數(shù)；

S(ω)——譜密度函數(shù)；

A——規(guī)則波振幅；

ζ——實際不規(guī)則波垂向坐標(biāo)。

式(2)、(3)、(4)即為水池造波的理論依據(jù)。如圖7所示，試驗時不規(guī)則波是根據(jù)給定海域的有義波高、周期及波譜進(jìn)行模擬。如式(4)，時間序列波浪經(jīng)過頻域變換，可以把不規(guī)則波分析成頻率不同的規(guī)則波疊加[6]。經(jīng)過式(2)的變換，把波浪從時間函數(shù)變化為靜態(tài)的頻率函數(shù)。造波時各頻率下波浪的振幅由公式(3)表達(dá)。

圖7 波浪中的時域與頻域關(guān)系

本系統(tǒng)為L型多單元蛇形造波機(jī)。造波機(jī)對岸裝有消波灘，以吸收波浪能量，避免反射波造成的干擾。造波機(jī)可產(chǎn)生二維長峰波和三維短峰波。試驗時，在試驗區(qū)布置3個浪高儀，根據(jù)目標(biāo)波譜和編制計算機(jī)控制程序，輸入初始控制參數(shù)控制每塊搖板運動的頻率和幅度，進(jìn)行造波，波浪穩(wěn)定后，開始采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行波譜分析，并和目標(biāo)波譜進(jìn)行比較，修正后的參數(shù)反饋到造波機(jī)電機(jī)控制程序進(jìn)行造波，如此循環(huán)直至試驗統(tǒng)計的有義波高和譜峰周期滿足試驗要求。本次試驗的波譜參數(shù)誤差在2%以內(nèi)，效果較好。

3)造風(fēng)系統(tǒng)。軸流式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)固定在拖車下，由計算機(jī)實時控制，可產(chǎn)生定常和非定常風(fēng)譜，風(fēng)向可根據(jù)需要任意改變。軸流風(fēng)機(jī)由變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過給定的風(fēng)譜編制計算機(jī)控制程序改變變頻器輸出頻率控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)速[7]。

風(fēng)的模擬，主要考察其對FPSO的作用力，上層建筑不一定模擬得很精準(zhǔn)，因為受風(fēng)面積不一定準(zhǔn)確，若按照風(fēng)速模擬結(jié)果有可能失真。所以，試驗中是測量風(fēng)載荷，根據(jù)實船受風(fēng)面積計算出實船所受平均風(fēng)力換算到模型，相應(yīng)進(jìn)行模型平均風(fēng)力測試，此時的平均風(fēng)力即為試驗平均風(fēng)力，然后按照平均風(fēng)力模擬脈動風(fēng)譜。

4)大面積可升降假底。試驗池的假底可供水深在0～10 m間調(diào)節(jié)，根據(jù)本模型縮尺比1∶40假底升到距水面0.643 m。

5)非接觸式光學(xué)6自由度運動測量系統(tǒng)。如圖8所示，本系統(tǒng)為丹麥的非接觸式運動測量器，至少4個光感球裝在船上，接收器安裝在拖車上，至少2個傳感器固定在水池岸邊，接收隨船運動的光感球的紅外感應(yīng)，當(dāng)運動系統(tǒng)采零后，本系統(tǒng)用于測量模型在風(fēng)浪流作用下6自由度的運動，其中縱蕩、橫蕩和垂蕩的測量精度為1 mm，縱搖、橫搖和艏搖的測量精度為0.1°。

圖8 運動測量系統(tǒng)

3.2 試驗儀器及測量參數(shù)

試驗儀器及測量參數(shù)見表5。

表5 試驗主要儀器

3.3 參數(shù)模擬、調(diào)節(jié)及標(biāo)定

3.3.1 剛度模擬

錨泊線剛度模擬普遍采用彈簧，但應(yīng)注意兩點：①模型系泊鏈加上彈簧后長度要與實物錨泊線的長度幾何相似；②彈簧在試驗范圍內(nèi)受力后的變形伸長必須在彈性恢復(fù)的范圍之內(nèi)，不允許出現(xiàn)永久變形。試驗中立管模擬需滿足形狀的幾何相似及拉伸剛度的相似。

3.3.2 預(yù)張力調(diào)節(jié)

剛度是由結(jié)構(gòu)水上和水下的固有特性決定的，本系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)錨鏈的長度和固錨點來微調(diào)系統(tǒng)剛度。首先，傳感器清零，即把錨鏈放松調(diào)節(jié)傳感器使顯示數(shù)據(jù)為零。然后，保證配重塊基本在船艏的正下方?jīng)]有橫向力作用，由于上段3根鏈兩端的連接是固定不可調(diào)節(jié)的，故預(yù)張力的改變是調(diào)節(jié)下段6根鏈的固錨點和鏈長。

3.3.3 儀器標(biāo)定

傳感器標(biāo)定都是通過電信號轉(zhuǎn)化實現(xiàn)的。例如測力傳感器標(biāo)定是用掛砝碼的方法確定拉力或壓力與輸出電壓方向和數(shù)據(jù)的關(guān)系。需注意的是，運動測量系統(tǒng)儀器精密，只要稍微觸碰或受到大地震動的影響，都會使測量誤差增大。因此，標(biāo)定好以后，不能觸碰感應(yīng)鏡頭，周圍最好不要有人走動，對于本系統(tǒng)，用L型架桿標(biāo)定法。L形光感球架球間距是固定的，利用測得的L形架光感球間距與實際L形架光感球間距的比值確定運動的縮尺比。標(biāo)定時，手持T形架在L形架的上方緩慢移動，移動范圍盡可能覆蓋所能達(dá)到的測量區(qū)域，即船運動的范圍，直至標(biāo)定成功。

4 試驗結(jié)果

模型的不規(guī)則波試驗包括外輸(一年一遇)工況和風(fēng)暴自存(百年一遇)工況，表6和表7給出了外輸和風(fēng)暴自存工況的計算結(jié)果的極值，包括下段6根系泊鏈在各環(huán)境工況中的最大受力以及FPSO在水平方向的最大運動幅度(本文旨在考查系泊系統(tǒng)，而與系泊系統(tǒng)有關(guān)的主要船舶運動為水平面運動，即縱蕩、橫蕩和艏搖)。

試驗過程中水下攝像機(jī)分別從不同角度始終監(jiān)測著配重塊的運動，結(jié)果表明，配重塊在運動中始終沒有碰撞船艏底部，運動狀態(tài)良好。

表6 FPSO滿載(壓載)，shuttle壓載(滿載)，外輸工況

注：(1)F.moor1～F.moor3為上段系泊鏈力，F(xiàn).moor4～F.moor9為下段系泊鏈力，F(xiàn)表示PFSO，下同；(2)Ff&Sb：FPSO滿載Shuttle壓載；Fb&Sf：FPSO壓載Shuttle滿載；(3)FPSO的6個自由度運動以圖3所示的船舶在靜水中的初始重心處坐標(biāo)作為參考。

表7 百年一遇時，F(xiàn)PSO滿載(壓載)工況

為了檢驗TUMSES方案試驗結(jié)果的實用性，引入另一種相同F(xiàn)PSO相同作業(yè)海域的系泊系統(tǒng)的研究結(jié)果作為對比，采用聚酯纖維纜的多點系泊技術(shù)，方案簡圖見圖9。

圖9 采用聚酯纖維纜的多點系泊

聚酯纖維纜是一種較為新型的材料，相比于錨鏈具有較低的剛度系數(shù)和較大的破斷拉力。用聚酯纖維纜代替系泊錨鏈，能夠降低配重鏈預(yù)張力，改善系泊系統(tǒng)的受力，滿足FPSO的定位要求。圖9所示的兩種系泊方案在滿足與本文環(huán)境載荷和FPSO等相同的條件下，百年一遇工況時有：3組6纜系統(tǒng)，環(huán)境載荷90°時，錨纜有最大系泊力，其值為5 767 kN；3組9纜系統(tǒng)，環(huán)境載荷90°時，錨纜有最大系泊力，其值為4 187 kN?？梢?，相同條件下，TUMSES單點系泊系統(tǒng)有著更為良好的受力狀況(多點系泊對FPSO的運動約束比較大，故此處不進(jìn)行水平面運動位移的比較)。

5 結(jié)論

從試驗結(jié)果可知，實驗數(shù)據(jù)基本上在理論計算的范圍內(nèi)，結(jié)果比較一致，個別數(shù)據(jù)的偏差，應(yīng)該是試驗中環(huán)境和人為影響的結(jié)果，這說明設(shè)計本身是正確的。試驗結(jié)果表明：外輸工況中，F(xiàn)PSO滿載Shuttle壓載(F滿S壓)比FPSO壓載Shuttle滿載(F壓S滿)錨鏈?zhǔn)芰Ω?，其最大值? 279.2 kN，與風(fēng)暴自存相比，其值相對是比較小的，系泊系統(tǒng)是安全的，而FPSO的水平面運動也滿足相同的規(guī)律，即F滿S壓比F壓S滿運動幅度大。值得一提的是，在YOKE系泊系統(tǒng)中，受力滿足相同規(guī)律，而FPSO的水平面運動則剛好相反，此差異可能是系泊系統(tǒng)的剛度不同造成的。在百年一遇工況中，F(xiàn)PSO滿載比壓載系泊鏈?zhǔn)芰Ω?，最大瞬時值為3 636.2 kN，與上文聚酯纖維纜系泊張力相比，其值較小，在工程中是可接受的。相應(yīng)的FPSO的水平面運動也是滿載比壓載更大，百年一遇的TUMSES系統(tǒng)特性與YOKE系統(tǒng)是相同的。理論和試驗都表明：TUMSES系統(tǒng)受力較小，能較好地滿足工程要求。值得注意的是，由于該系統(tǒng)系泊鏈布置得比較長，柔性較大，故運動幅度較大，尤其在外輸作業(yè)時由于系泊系統(tǒng)的質(zhì)量更大，導(dǎo)致其水平面運動幅度比風(fēng)暴自存更大。

渤海海域已投入開發(fā)的油田所采用的系泊形式有水上塔式Y(jié)OKE和錨鏈?zhǔn)剿耏OKE系統(tǒng)。這兩種系泊形式的系泊機(jī)理是相同的，造價都為幾千萬美元，系統(tǒng)剛性大，都缺少彈性位移的空間，在極淺水系泊中存在很大的局限性。而本文所研究的TUMSES單點系泊系統(tǒng)剛性小，系統(tǒng)受力良好，且可根據(jù)水深調(diào)節(jié)錨鏈的分布和配重塊的大小，能滿足渤海水域不同水深要求，同時免去了水上系泊架，節(jié)約了成本。當(dāng)然，該方案缺點很明顯，即系統(tǒng)柔性較大，導(dǎo)致FPSO運動幅度加大，考驗著立管系統(tǒng)的設(shè)計。如果能夠進(jìn)一步研究，更好地統(tǒng)籌系統(tǒng)的剛度和立管的運動，則能夠早日實現(xiàn)該方案的工程應(yīng)用。要強調(diào)的是：這是首次在渤海灣應(yīng)用外轉(zhuǎn)塔型式系泊，且方案為國內(nèi)設(shè)計，所以，TUMSES系統(tǒng)方案及其系泊試驗對系泊系統(tǒng)的國產(chǎn)化有著重要的意義。

[1] 肖龍飛，楊建民，李 欣.淺水區(qū)FPSO波頻運動與觸底時域分析[J].中國海洋平臺，2009,24(2):33-36.

[2] 王春升.渤海曹妃甸11/渤中25-1油田FPSO新型單點介紹[J].中國造船，2006,47(S):9-13.

[3] 陳 光．FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)運動分析及減振研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[4] 張相木，李維揚.單點系泊系統(tǒng)在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的運動和系泊載荷[J].海洋工程，1988,6(3):18-20.

[5] LU HAINING ,YANG JIANMIN,PENG TAO.Characteristics of current generation in deepwater offshore basin[C]∥Proceeding of the 25th International Conference on offshore Mechanics and Arctic Engineering.2006.

[6] 楊建民，肖龍飛，葛春花.船舶與海洋工程環(huán)境載荷[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

[7] 楊建民.海洋工程水動力學(xué)試驗研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.