西非海域FPSO系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)及設(shè)計(jì)分析

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(哈爾濱工程大學(xué) 深海工程技術(shù)中心，哈爾濱 150001)

FPSO+自由站立式立管+浮筒式單點(diǎn)系泊+穿梭油船的開發(fā)模式[1]已經(jīng)在西非深水油氣田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前西非海域油氣主要的開發(fā)方式之一。由于西非地處熱帶區(qū)域，海況較好，百年一遇主涌有義波高約為3.6 m；常年主導(dǎo)浪向?yàn)槲髂戏较颍换谏鲜鎏攸c(diǎn)，位于西非海域的FPSO可以采用多點(diǎn)系泊方式，并使主船體正對常年主導(dǎo)浪向，無需采用價(jià)格相對較貴的單點(diǎn)系泊轉(zhuǎn)塔裝置。根據(jù)西非海域某多點(diǎn)系泊FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用壽命要達(dá)到25年的要求，結(jié)合西非海域1 500 m水深及環(huán)境條件最終確定了4×4的分布式系泊設(shè)計(jì)，每根系泊線均為chain-wire-chain的結(jié)構(gòu)模式，且該系泊系統(tǒng)滿足了西非海域百年一遇颶風(fēng)海況下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及FPSO運(yùn)動響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。

1 理論及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 時域運(yùn)動方程

浮體的水動力分析采用間接時域法，采用水動力計(jì)算軟件AQWA基于三維勢流理論[4]分別對浮體的幅值響應(yīng)函數(shù)、一階波浪力、波浪漂移力、附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)等水動力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解。得到上述水動力參數(shù)后應(yīng)用傅里葉變換在全耦合分析軟件OrcaFlex中進(jìn)行時域分析。浮體運(yùn)動方程可表示為

(1)

式中：M——浮體質(zhì)量；

Md——浮體附加質(zhì)量；

K——靜水剛度；

x(t)——位移矢量；

h(t)——加速度卷積積分函數(shù)；

F(t)——總的外部力，包含波浪激勵力、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等。

系泊線的動力分析方法采用集中質(zhì)量法，應(yīng)用離散思想對系泊線進(jìn)行分段，段與段之間通過有質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，沒有質(zhì)量的且被看作是剛體或者彈性體。同時假設(shè)系泊線的重力、浮力、慣性力以及流體拖曳力等都集中作用于節(jié)點(diǎn)上，每段系泊線的質(zhì)量、附連水質(zhì)量和流體拖曳力平均分配到每段兩端的節(jié)點(diǎn)上。

最后利用全耦合的方法分析浮體及系泊線的耦合運(yùn)動，其運(yùn)動方程為

(2)

K(x(t))——系統(tǒng)基于單元剛度的每一瞬時應(yīng)力；

1.2 極限條件下系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1)FPSO偏移標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)完整時，F(xiàn)PSO的最大偏移為水深的5%(75 m)；系泊系統(tǒng)破損狀態(tài)為1根系泊線破斷時，F(xiàn)PSO的最大偏移為水深的8%(120 m)；系泊系統(tǒng)破損狀態(tài)為2根系泊線破斷時，F(xiàn)PSO的最大偏移為水深的8%(120 m)。

2)安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]。安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 系泊線最小安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

3)系泊線上最小拉力載荷。為防止磨損，在任何裝載工況下，任何環(huán)境條件下，鋼纜都不能觸到海底地面。每個計(jì)算工況都應(yīng)當(dāng)統(tǒng)計(jì)所有系泊線上最小張力值，以檢驗(yàn)鋼纜是否觸到地面。

2 幾何參數(shù)及模型建立

現(xiàn)給出FPSO主要參數(shù)，并對其系泊系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行說明，見表2。系泊系統(tǒng)參數(shù)見表3。

表2 FPSO的主要參數(shù)

表3 系泊系統(tǒng)參數(shù)

系泊線設(shè)計(jì)使用壽命為25年，應(yīng)該對最小破斷載荷進(jìn)行修正，而鋼纜因?yàn)橛邪鼘颖Ｗo(hù)，所以在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無需校核，按照規(guī)范要求，以下校核需要考慮在內(nèi)，見表4。

表4中：上部濺濕區(qū)，根據(jù)DNV OS E301規(guī)范中定義水面上5 m，水面下4 m為濺濕區(qū)域；懸鏈線部分指的是濺濕區(qū)以下，剛纜以上的部分，因?yàn)殇摾|是不需要校核的，所以鋼纜部分不考慮在內(nèi)；底部錨鏈部分指的是鋪設(shè)于海底的錨鏈部分。

表4 錨鏈參數(shù)修正

3 西非環(huán)境條件

系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于環(huán)境數(shù)據(jù)的選用主要參考《西非深水工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》。環(huán)境組合的選取因情況不同而異，需要提前進(jìn)行計(jì)算，提取最惡劣環(huán)境組合工況。因此在時域計(jì)算中將分別給出計(jì)算所需的環(huán)境組合?，F(xiàn)給出涌浪和颶風(fēng)、流環(huán)境參數(shù)。

圖1 主涌(main swell)Hs-Tp逆形式等值線

圖2 次涌(second swell)Hs-Tp逆形式等值線

在圖1和圖2中，100 a表示所用數(shù)據(jù)為百年一遇，1 a表示所用數(shù)據(jù)為1年一遇，95%表示所用數(shù)據(jù)為95%情況下數(shù)據(jù)。

颶風(fēng)數(shù)據(jù)采用了西非海域?qū)崪y環(huán)境時歷數(shù)據(jù)進(jìn)行了重構(gòu)?，F(xiàn)給出百年一遇颶風(fēng)時歷數(shù)據(jù)見圖3、4。

圖3 颶風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向時歷(A_7)

圖4 颶風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向時歷(A_13)

流速為表面速度0.9 m/s，水下3 m處流速為0.7 m/s，且在計(jì)算中各個環(huán)境方向組合時流速大小不變。

4 時域計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值計(jì)算中，船體及系泊系統(tǒng)模型均為對稱布置。因此認(rèn)為其系泊運(yùn)動響應(yīng)特性也對稱。則環(huán)境角度僅在較大的180°(或環(huán)境實(shí)際來向范圍)內(nèi)選取。典型西非環(huán)境為主涌、次涌及風(fēng)浪流混合環(huán)境，百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下系統(tǒng)耦合運(yùn)動設(shè)計(jì)分析中，選擇Gaussian Swell波譜模擬主涌及次涌。

同時，在數(shù)值計(jì)算中存在一些簡化的處理，現(xiàn)進(jìn)行說明：①風(fēng)載荷與流載荷系數(shù)應(yīng)該以模型試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，本文取OCIMF規(guī)范中船型的參數(shù);②在系泊耦合數(shù)值計(jì)算中，外輸油管的水動力影響忽略不計(jì)，外輸油管僅僅作為水平固定載荷加到模型上，每根外輸油管水平載荷約為400 kN(共800 kN)，豎直方向固定載荷在定義靜水力平衡時作為固定載荷考慮。

考慮到FPSO壓載裝載時的受風(fēng)面積比滿載裝載大，且排水量小，則對于百年一遇的颶風(fēng)條件下，壓載比滿載運(yùn)動響應(yīng)大，系泊線受力大，故而百年一遇颶風(fēng)環(huán)境，需要校核壓載工況滿足系泊要求。設(shè)計(jì)分析中，颶風(fēng)分析采用颶風(fēng)時歷數(shù)據(jù)。根據(jù)規(guī)范選用百年一遇1 min颶風(fēng)主值數(shù)值，用記錄下來的時歷風(fēng)速與方向數(shù)據(jù)去匹配該方向上的1 min風(fēng)值，得到百年一遇颶風(fēng)時歷數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)參見圖3、4。根據(jù)颶風(fēng)方向不確定性，應(yīng)該在180°內(nèi)每15°一個方向角進(jìn)行計(jì)算。通過分析，對于FPSO在颶風(fēng)情況下，其縱向受風(fēng)面積比橫向受風(fēng)面積大，故主要對環(huán)境方向相對于船體90°及左右各30°范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，分析中將給出以下幾個方向角的計(jì)算結(jié)果：75°，90°，105°，120°及135°(與正北方向所成角度)，將其與主涌、次涌、流等環(huán)境進(jìn)行組合，組合規(guī)則要根據(jù)主涌、次涌、及流主導(dǎo)環(huán)境下計(jì)算結(jié)果?？偨Y(jié)出所有可能產(chǎn)生的最大位移，或是最大系泊力的組合，對選出的環(huán)境組合進(jìn)行計(jì)算，找出導(dǎo)致最大位移及系泊線最大張力的環(huán)境。

根據(jù)上述方法分別得到FPSO系泊系統(tǒng)系泊線完整、系泊線一根破斷和系泊線兩根破斷下的百年一遇颶風(fēng)環(huán)境組合，并在OrcaFlex中進(jìn)行時域計(jì)算。

4.1 百年一遇颶風(fēng)條件下系泊線完整

通過上述方法，得出了百年一遇颶風(fēng)條件下FPSO系泊系統(tǒng)系泊線完整時將產(chǎn)生最大位移或張力的環(huán)境組合,見表5、6。

表5 颶風(fēng)1 min陣風(fēng)主值

表6 系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)最惡劣海況組合

由OrcaFlex數(shù)值計(jì)算得到FPSO不同颶風(fēng)時歷條件下偏移結(jié)果，其中最大偏移是由A_7在90°方向上造成的，具體結(jié)果見表7。

表7 颶風(fēng)環(huán)境下系泊線完整FPSO最大位移

由表7可見，百年一遇颶風(fēng)環(huán)境FPSO系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下，F(xiàn)PSO的最大偏移為74.15 m，小于標(biāo)準(zhǔn)值75 m，其運(yùn)動范圍滿足規(guī)范要求。

由OrcaFlex數(shù)值計(jì)算得到多點(diǎn)系泊FPSO百年一遇颶風(fēng)條件下系泊線完整狀態(tài)下最大張力，結(jié)果見表8。

表8 百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下FPSO系泊線上最大張力

基于上面FPSO的漂移范圍及系泊線最大張力的計(jì)算，每根線的最小張力也需要輸出，以便于保證鋼纜不會觸到海底。每根系泊線最小張力及相應(yīng)的鋼纜及海底間的垂向距離見圖5。

圖5 系泊線最小張力及鋼纜垂向最小距離

圖5中每根鋼纜最小拉力載荷是取自百年一遇颶風(fēng)條件系泊系統(tǒng)完整時所有算例，可以保證百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下，系泊系統(tǒng)完整時，鋼纜的底部沒有觸到海底，至少保留12.91 m的余量。

4.2 百年一遇颶風(fēng)條件下一根系泊線破斷

在系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)下，颶風(fēng)時歷A_7環(huán)境下受力最大是S5，颶風(fēng)時歷A_13環(huán)境下受力最大的線繩是S4，假設(shè)在一根系泊線破斷的情況下，當(dāng)颶風(fēng)為A_7時歷時S5這根系泊線破斷；當(dāng)颶風(fēng)為A_13時歷時S4破斷。計(jì)算中，并未考慮系泊線破斷瞬態(tài)影響，假設(shè)破斷的系泊線一直是處于破斷狀態(tài)。

對于百年一遇颶風(fēng)時歷下一根系泊線斷裂情況，要結(jié)合百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下系泊系統(tǒng)完整時的計(jì)算結(jié)果及涌浪、流等環(huán)境下的運(yùn)動響應(yīng)及系泊張力情況，選出每個環(huán)境角度下有可能發(fā)生最大位移及系泊線產(chǎn)生最大張力的環(huán)境組合(流、主涌、次涌)。計(jì)算驗(yàn)證得到最大位移及每根系泊線上最大張力。流速、颶風(fēng)1 min陣風(fēng)主值及計(jì)算方法與系泊線完整狀態(tài)下一樣。見表9。

表9 一根系泊線破斷狀態(tài)最惡劣海況組合

通過OrcaFlex軟件數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證上述極限環(huán)境組合，得到百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下一根系泊線破斷后FPSO的最大位移范圍，其計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 颶風(fēng)環(huán)境下一根系泊線破斷的FPSO最大位移

由表10可見，百年一遇颶風(fēng)條件下一根系泊線破斷，F(xiàn)PSO的最大偏移為83.25 m，小于標(biāo)準(zhǔn)值120 m，其運(yùn)動范圍滿足規(guī)范要求。

由OrcaFlex數(shù)值計(jì)算得到百年一遇颶風(fēng)時歷下系泊線上最大張力，具體結(jié)果見表11。

表11 百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下FPSO系泊線上最大張力

基于上面FPSO的偏移范圍及系泊線張力極值的計(jì)算，每根系泊線的最小張力也需要輸出，以便于保證鋼纜不會觸到海底。最小張力及相應(yīng)的鋼纜到海底的垂向距離，見圖6、7。

圖6 A_7颶風(fēng)系泊線最小張力及鋼纜垂向最小距離

圖7 A_13颶風(fēng)系泊線最小張力及鋼纜垂向最小距離

由圖6和圖7可見，在百年一遇颶風(fēng)極限條件下，一根系泊線破斷后，其余系泊線張力最小時，鋼纜底部也沒有碰觸到海底，鋼纜到海底的最小距離仍有8.96 m的余量。

4.3 百年一遇颶風(fēng)條件下兩根系泊線破斷

在一根系泊線破斷的情況下，A_7颶風(fēng)環(huán)境受力最大的系泊線是S6，A_13颶風(fēng)環(huán)境受力最大的系泊線則是S3。則如果有兩根系泊線破斷，假設(shè)A_7颶風(fēng)環(huán)境下是系泊線S5和S6破斷，A_13颶風(fēng)環(huán)境下則是系泊線S4和S3破斷，具體分析方法與系泊線完整狀態(tài)下相同。兩根系泊線破斷狀態(tài)最惡劣海況組合見表12。

表12 兩根系泊線破斷狀態(tài)最惡劣海況組合

各環(huán)境組合(流、主涌、次涌)每15°變化一次方向角計(jì)算驗(yàn)證得到最大位移及系泊線上最大張力。具體組合計(jì)算方法參考系泊線完整狀態(tài)下的計(jì)算方法。

數(shù)值軟件OrcaFlex計(jì)算得到的FPSO在百年一遇颶風(fēng)海況，兩根系泊線繩破斷時，F(xiàn)PSO的最大偏移，見表13。

表13 颶風(fēng)環(huán)境下兩根系泊線破斷FPSO最大位移

由表13可見，百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下，有兩根系泊線破斷，F(xiàn)PSO的最大偏移為89.91 m，小于標(biāo)準(zhǔn)值120 m，其運(yùn)動范圍滿足規(guī)范要求。

由OcraFlex數(shù)值計(jì)算得到百年一遇颶風(fēng)條件下系泊線最大張力，結(jié)果見表14。

表14 百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下FPSO系泊線上最大張力

由表14可見，百年一遇颶風(fēng)海況下，當(dāng)兩根系泊線破斷時，系泊線上最大載荷15 363.49 kN，其最小安全系數(shù)為1.01，稍大于標(biāo)準(zhǔn)值1，故當(dāng)兩根系泊線破斷時，系泊系統(tǒng)百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下仍滿足安全要求。

基于上面FPSO的漂移范圍及系泊線載荷的計(jì)算，每根系泊線的最小載荷也需要輸出，以便于保證鋼纜永不觸底。最小拉力及相應(yīng)的鋼纜到海底的垂向距離，見圖8、9。

圖8 A_7颶風(fēng)系泊線最小張力及鋼纜垂向最小距離

圖9 A_13颶風(fēng)系泊線最小張力及鋼纜垂向最小距離

由圖8和圖9可見，百年一遇颶風(fēng)條件下FPSO系泊系統(tǒng)兩根系泊線破斷時，鋼纜底部到海底距離仍有6.92 m余量，沒有碰觸到海底，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1)針對西非海域設(shè)計(jì)分析的FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)在所有危險(xiǎn)颶風(fēng)組合海況下均滿足運(yùn)動范圍及系泊安全要求。僅百年一遇颶風(fēng)環(huán)境下，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)兩根系泊線破斷后，系泊線的安全系數(shù)接近標(biāo)準(zhǔn)值1。總體來說，多點(diǎn)系泊方式很好地滿足了西非海域深水油氣開采的工程要求。

2)以上的工作為西非深水FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的初步研究，根據(jù)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，給出了下一步研究內(nèi)容：根據(jù)模型試驗(yàn)獲取準(zhǔn)確的風(fēng)流系數(shù)，修正相關(guān)計(jì)算參數(shù)；考慮外輸浮筒及外輸油管對FPSO運(yùn)動及系泊系統(tǒng)的影響；研究FPSO、浮筒及穿梭油船耦合作用下的FPSO運(yùn)動及系泊系統(tǒng)特性。

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