深水FPSO船體與系泊的時域耦合分析

施興華， 路 瑞， 杭 岑， 嵇春艷

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江212003； 2. 上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

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深水FPSO船體與系泊的時域耦合分析

施興華1， 路 瑞1， 杭 岑2， 嵇春艷1

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江212003； 2. 上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

為了得到特定海況下合理的系泊方式，基于時域耦合理論，采用SESAM軟件建立FPSO船體和系泊系統(tǒng)的耦合分析模型，從FPSO船體的運動響應和系纜張力兩個角度，分別研究了張緊式系泊和懸鏈式系泊、單點系泊和多點系泊、單點系泊組式和分式布置、張緊式系泊張緊角、單點系泊風浪流夾角，以及月池開孔等因素對FPSO動力響應的影響。結果表明，對工作于惡劣海況的FPSO采用單點張緊式系泊的組式布置更為合理。且張緊角在30°~45°之間時，F(xiàn)PSO運動位移和系纜張力均在安全范圍內，F(xiàn)PSO水平運動對風載荷較為敏感，系纜張力值對流的入射方向較為敏感。

深水FPSO；系泊；時域耦合分析；系纜張力

0 引言

FPSO具有投資小、開采風險低、施工周期短、建造質量好、建造費用對水深和海底地質條件不敏感、適應范圍廣等特點。FPSO通常被系泊系統(tǒng)定位于某一固定海域，進行長期的海上油氣開發(fā)，不同于常規(guī)的運輸船舶，F(xiàn)PSO在生產工況下，要求系泊系統(tǒng)能夠限制其運動，以確保連接在FPSO與海底管道之間的立管不致有較大的偏斜，不會導致立管破壞，保證連續(xù)的安全生產。因此，必須研究在一段時間內，深水FPSO船體和系泊系統(tǒng)之間的耦合動力響應，分析選取特定工況下合理的系泊方式。

由于海洋環(huán)境條件復雜，F(xiàn)PSO在惡劣海況下的水動力性能及其系泊系統(tǒng)的定位能力一直是研究人員和工程人員關注的焦點。Wichers等[1]發(fā)展了全耦合時域數(shù)值模型，研究了深水系泊纜索和立管阻力系數(shù)對浮體運動和系泊纜索張力的耦合影響。黃祥鹿等[2]對如何求解系泊浮體在波浪中的運動響應進行了研究，提出了一種近似求解方法。Sphaier等[3]運用簡化的船體運動方程解決了轉塔式FPSO系泊系統(tǒng)的靜力問題。朱建等[4]研究了西非海域涌浪對多點系泊FPSO水動力性能的影響。Kim等[5]采用實驗方法研究了轉塔式FPSO的船體與系泊的耦合運動。該文采用時域非線性方法對深水FPSO和船體進行了耦合計算，分析了不同系泊方式、張緊角、風浪流和月池開孔對系泊的影響。

1 系泊系統(tǒng)概述

1.1 系泊系統(tǒng)分類

單點系泊系統(tǒng)允許FPSO繞著某一個基點(FPSO中線面靠近船艏位置)產生風標效應而旋轉，使得FPSO的船艏始終指向外載荷合力最小的方向，減小系統(tǒng)所需要的總系泊力。由于單點系泊系統(tǒng)具有水深適應范圍大、可系泊超大型FPSO或油輪、抵抗海洋環(huán)境能力強等諸多優(yōu)點而被廣泛應用。當浮體長寬比約等于1，或者工作海域的海況較為緩和，或者環(huán)境力的方向性較為單一時，可以考慮使用多點系泊系統(tǒng)。

圖1 懸鏈式系泊方式示意圖

圖2 張緊式系泊方式示意圖

相對于單點系泊，多點系泊系統(tǒng)制造技術簡單且經(jīng)濟，專利技術少，在國際上沒有被壟斷。但是缺點也是明顯的：(1) 多點系泊系統(tǒng)有一個相當大的系泊線輻射范圍；(2) 外輸油輪難于直接旁靠FPSO；(3) 對于淺水海域使用多點系泊系統(tǒng)時，還應考慮系泊線對航行船舶的影響。因此，多點系泊系統(tǒng)主要用于原油外輸頻率低，環(huán)境條件溫和的海域[6]。

1.2 系泊方式

1.2.1 懸鏈式系泊

懸鏈式系泊方式中，由錨鏈、鋼纜，或兩者組合形成的單根系泊線連結在浮體和錨之間，如圖1所示。當浮體在環(huán)境載荷的影響下發(fā)生位移時，附連在其水下表面的系泊線將提升或下放海床，致使系泊線張力增加或減小，系泊系統(tǒng)通過多根系泊線組合形成的非線性回復力來實現(xiàn)平臺的定位。常規(guī)設計的系泊線與海底水平相接，此時系錨點只受水平方向的力，使得錨的抓力得到充分發(fā)揮，防止走錨。但是，該理論忽略了系泊鏈受水動力而產生的位移以及軸向拉伸對浮體的影響。

1.2.2 張緊式系泊方式

深水系泊系統(tǒng)設計的最大問題是垂向載荷增加、水平回復力降低和FPSO的漂移增大。對于懸鏈系泊系統(tǒng)而言，水越深，系泊線直徑越大，質量也就越大，而系泊線的懸鏈部分的質量全部由船體承擔，因而FPSO的載重量就會減小，因此需要降低系泊線單位長度質量。

深水FPSO常選用張緊式系泊方式，如圖2所示。采用輕質合成纖維材料的張緊式系泊線，較好地解決了鋼質系泊線的尺度和質量隨水深不斷增加的弊端，輻射范圍比懸鏈線式小很多，減小了系泊線的長度。

2 時域耦合分析

2.1 張緊式系泊和懸鏈式系泊對系泊性能的影響

圖3 耦合分析模型

懸鏈式系泊一般采用三段式或者四段式，由鋼鏈和鋼纜間隔布置而成，回復力主要來自其自身重力[7]。隨著水深的增加，懸鏈式系泊的重量也會逐漸增加，導纜孔處張力傾角減小，造成系泊系統(tǒng)的有效性降低。張緊式系泊可適用于較深水域，系泊纜以一定的角度到達海底，其回復力來自系泊纜的彈性伸長，通常采用三段式，兩端為鋼鏈，中間為合成纖維材料。這類系泊從平臺導纜孔到海底錨處，幾乎呈現(xiàn)直線型，可以有效的減少與附近其他水下設施碰撞的危險。

FPSO工作于中國南海海域，其工作水深為1 500 m。表1給出了中國南海海域百年一遇的極限海況，表2給出了懸鏈式系泊和張緊式系泊的系泊纜主要參數(shù)，圖3給出了FPSO及其系泊系統(tǒng)耦合分析模型。

表1 環(huán)境參數(shù)

表2 懸鏈式系泊纜和張緊式系泊纜主要參數(shù)

表3 張緊式、懸鏈式系泊對系泊性能的影響

由表3可知，從FPSO六個自由度的最大運動響應可看出，在1 500 m深水海域，張緊式系泊和懸鏈式系泊這兩種方式的系泊定位性能相當。然而，張緊式系泊的系泊纜張力和系泊纜濕重遠小于懸鏈式系泊，而且，隨著水深的增加，懸鏈式的系泊纜長度將逐漸增加，不利于海底管道和設備的布置，所以對于工作在深水海域的FPSO，張緊式系泊方式更加合適。

2.2 單點系泊和多點系泊對系泊性能的影響

研究多點系泊和單點系泊對南海海域FPSO系泊性能的影響，計算模型如圖4所示，單點、多點系泊對系泊性能的影響見表4。

圖4 耦合分析模型

響應單點系泊多點系泊響應單點系泊多點系泊縱蕩/m-35.236-33.793橫搖/(°)8.472-9.322橫蕩/m11.69311.762縱搖/(°)-5.1544.876垂蕩/m-4.080-4.192艏搖/(°)5.5539.262系纜張力/kN3918.543613.33

由表4可知，單點系泊和多點系泊方式下的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖以及系纜張力的最大值幾乎相等，但多點系泊下的最大艏搖角比單點系泊的大，說明當FPSO 遭遇惡劣環(huán)境時，由于單點系泊具有良好的風標效應，可及時調整船體模態(tài)，使艏搖角變小，而多點系泊無法調整船體模態(tài)，使其具有較大的艏搖角。對于工作在較為惡劣海況下的FPSO，更適合采用單點系泊進行錨泊定位。此外，給出FPSO縱蕩、橫蕩、系纜張力的時歷曲線，可以更為明確地掌握單點系泊和多點系泊的運動過程，如圖5所示。

圖5 單點系泊和多點系泊縱蕩、橫蕩、系纜最大張力時歷曲線

2.3 系纜組式、分式布置對系泊性能的影響

對于采用內轉塔式單點系泊深海作業(yè)的FPSO，系泊系統(tǒng)采用散射布置還是采用分組式布置將對空間布置產生重大影響，圖6為內轉塔式單點系泊的耦合模型，表5給出了組式、分式對應的縱蕩、橫蕩以及最大張力的響應對比。

圖6 耦合分析模型

表5 組式、分式對系泊性能的影響

圖7 四種不同夾角的系泊布置方式

由表5可知，組式布置的系泊纜的最大張力要比分式布置的小，同時組式布置對船體的縱蕩響應也略小于分式布置，這是由于在遇到惡劣海況時，組式布置的系泊方式抵抗環(huán)境載荷的系泊纜的根數(shù)較多，而分式布置的作用較分散，所造成分式布置的動力響應都偏大。因此在該文的環(huán)境工況下，建議系纜以組式布置更為合理。

2.4 張緊角對張緊式系泊性能的影響

張緊式系泊在初始時刻，系泊纜處于緊繃狀態(tài)，F(xiàn)PSO系纜作用力由系泊纜與水平面的夾角決定。為了研究系泊纜與水平面夾角對系泊性能的影響，選取30°、35°、40°、45°四種張緊角，系纜布置方式如圖7所示，四種系泊布置方式下系泊纜各分段長度見表6，計算結果見表7。

表6 四種系泊布置方式下系纜長度

表7 張緊角對系泊性能的影響

由表7可知，隨著系纜與水平面夾角的逐漸增大，F(xiàn)PSO船體的縱蕩響應具有較明顯的增大趨勢，橫蕩運動和艏搖運動具有小幅的減小趨勢，而垂蕩、橫搖和縱搖值變化較小，此外，系纜的最大張力也隨著夾角的增加而逐漸增加。FPSO六個自由度運動的最大值以及系泊纜的最大張力均在相關許用范圍內，可以安全地進行生產作業(yè)，因此，深水FPSO的張緊式系泊方式的系纜與水平面的的初始夾角可以控制在30°~45°范圍內，且較小夾角的系泊性能更優(yōu)。

2.5 風浪流不同方向對張緊式系泊性能的影響

單點系泊系統(tǒng)具有良好的風標效應，比較適用于較為惡劣的海域，比如中國的南海海域。在FPSO所采用的單點系泊系統(tǒng)中，內轉塔式系泊系統(tǒng)最為廣泛，常用于中等水深和深海區(qū)域。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，F(xiàn)PSO運動響應的最大值以及系泊張力的最大值可能出現(xiàn)在風、浪同向，流與風、浪成0°、30°、45°、90°角；浪、流同向，風與浪、流成30°、45°、90°等工況。

針對水深為1 500 m的張緊式單點系泊FPSO，按照表2設計的系泊形式和組合纜材料，對不同風、浪、流方向組合工況下的FPSO運動響應及系纜動力響應進行計算，計算工況見表8。

表8 計算工況

2.5.1 運動響應分析

假定波浪入射方向不變，當風浪同向時改變流的入射方向，當浪流同向時改變風的入射方向，得到水平位移的結果見表9。

表9 不同工況下的最大水平位移

由表9可知，當風浪同向，來流與浪的夾角從0°增大到90°，F(xiàn)PSO的縱蕩位移逐漸減小，其橫蕩位移逐漸增大且變化幅度較大。當浪流同向，隨著風與浪向的夾角從0°增大到90°，F(xiàn)PSO的縱蕩位移逐漸減小，其橫蕩位移逐漸增大。風、浪、流載荷中風載荷或者流載荷與另外兩個之間有夾角時，斜風作用下的水平位移比斜流作用下的大，說明風載荷對FPSO水平運動的影響較為明顯。

圖8描述了七種工況下的三個自由度運動的最大值和標準差。最大值是FPSO各自由度上的最大偏移，標準差可以理解為FPSO運動的穩(wěn)定性。FPSO斜風、頂流、頂浪時的偏移量比斜流、頂風、頂浪時的偏移量大。隨著風、流的入射方向與浪的入射方向之間的夾角從0°變化到90°，F(xiàn)PSO的橫蕩及艏搖位移隨之增加，其縱蕩位移隨之減小，同時斜風比斜流的橫蕩及艏搖運動的穩(wěn)定性差。隨著來風、流方向與來浪方向之間夾角的增加，F(xiàn)PSO縱蕩運動的穩(wěn)定性變化不大。

圖8 不同工況下水平方向運動

2.5.2 系泊纜張力

FPSO的系纜布置方式如圖6所示，假定位于船艏位置的系纜為A組纜，以逆時針方向旋轉，依次為B、C、D，系纜編號依次為1#、2#、3#……16#。圖9為7種工況下，A/B/C/D四組纜中受力最大的系泊纜的統(tǒng)計圖。

圖9 不同工況下系纜張力統(tǒng)計圖

圖9描述了不同工況下系纜張力的最大值、平均值及標準差。由圖9(a)可知，沿船長方向布置在x軸正方向的A組纜，隨著風、流與浪之間夾角的變化，系泊纜的受力相對較穩(wěn)定，但是標準差較大，所以系纜易疲勞破壞，斜風情況下的系纜張力要略大于斜流情況，說明對于沿船長方向布置在船艏的系纜，斜風的影響要大于斜流。由圖9(b)可知，布置在FPSO左舷的B組系纜，在流與浪夾角為45°時，系纜力突變出現(xiàn)最大值，說明45°斜流對B組纜影響較大。對于風、流與浪之間夾角的變化，B組纜的受力較敏感，具有較大的不穩(wěn)定性。由圖9(c)可知，相對于A組纜布置的C組纜，斜流影響比斜風大，同時對于風、流與浪之間夾角的變化，斜流的系纜張力穩(wěn)定性要比斜風時差，且斜流下標準差值較大，系纜更易于破壞。由圖9(d)可知，布置在右舷的D組纜，在橫流下張力突變出現(xiàn)最大值，且斜流下的系纜張力均大于斜風下的張力，對于風、流與浪之間夾角的變化，系纜受力較敏感，斜流下的張力穩(wěn)定性要明顯比斜風下的差。

2.6 月池開孔對系泊性能的影響

選取月池開孔距船中90 m和無月池開孔的FPSO船體計算模型，如圖10所示，計算結果見表10。

圖10 時域耦合模型

表10 月池對系泊性能的影響

由表10可知，F(xiàn)PSO船體含有月池開孔時，其縱蕩、垂蕩、縱搖、艏搖以及系泊纜張力相對于無月池開孔時有所增大。含月池開孔時的橫蕩和橫搖相對于無月池開孔時有所減小，月池開孔起到一定減搖的作用。這是因為，月池開孔的存在對船體的水動力系數(shù)有影響，從而對系泊性能產生一定的影響。

3 結論

該文研究了深水FPSO在中國南海海域，采用不同系泊方式的系泊性能。此外研究了不同風、流與浪之間的夾角及月池對系泊性能的影響。最后得到如下結論：

(1) 張緊式系泊比懸鏈式系泊更加適用于深水海域，在深水海域懸鏈式系泊的系纜重量和系纜張力明顯大于張緊式系泊，懸鏈式系泊的系纜頂端張力極易達到破斷強度，不適合深水海域。

(2) 對于工作在中國南海海域的FPSO，單點系泊方式要優(yōu)于多點系泊方式，在惡劣的海況下，由于單點系泊具有良好的風標效應，其艏搖角要小于多點系泊。

(3) 在所有單點系泊方式中，內轉塔式單點系泊應用較為廣泛，在相同系纜，相同環(huán)境條件下，組式單點系泊要優(yōu)于分式布置，在抵抗風浪流外環(huán)境時，組式布置的系泊中有較多系纜可以共同作用抵抗外環(huán)境。

(4) 深水FPSO采用張緊式單點系泊進行錨泊時，張緊角對整個系統(tǒng)的動力特性具有一定的影響，張緊角不宜過大也不宜過小，一般可取30°~45°。

(5) 斜風作用下的水平位移比斜流作用下的大，說明風載荷對FPSO水平運動的影響更加明顯。此外，系纜張力值對流的入射方向較為敏感。

(6) 通過對含有月池開孔的船型和無月池開孔的船型分別進行系泊計算后可知，月池開孔的存在對FPSO船體的運動響應和系纜的張力都有一定的影響。

[1] Wichers J E, Devlin P V. Effect of coupling of mooring lines and risers on the design values for a turret moored FPSO in deep water of the Gulf of Mexico[C]. Proc. of the 11th ISOPE Conf, Stavanger, Norway, 2001.

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Vessel and Mooring Coupled Analysis of Deepwater FPSO in Time-domain

SHI Xing-hua1, LU Rui1, HANG Cen2, JI Chun-yan1

(1. School of Naval Architrcture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China;2. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.， Ltd, Shanghai 200125, China)

In order to get reasonable mooring pattern in given sea condition, based on time-domain coupling theory, applying the SESAM establish the FPSO vessel and mooring coupled analysis model, From the response of t motion and tension, studying the influence of taut mooring and catenary mooring, single point and spread mooring, group and spread arrangement, angle between line and plane, angle of wind, wave, current and moonpool on mooring performance of FPSO. It is indicated that it is more reasonable to adopt point single point mooring in worse condition. The displacement and tension of FPSO are in the range of safety when the tension angle are between 30 degrees to 45 degrees. It is sensitive of horizontal movement of FPSO to wind, it is sensitive of cabin tension to incident direction of the flow.

deepwater FPSO; mooring; time domain coupled analysis; tension

2015-06-04

國家自然科學基金(51509113)，江蘇省高校自然基金項目(13KJA570001, 14KJB580005)，江蘇省重點實驗室開放基金(CJ1306，CJ1403)。

施興華(1981-)，男，副教授。

1001-4500(2016)01-0060-08

P75

A