八角形FPSO與穿梭油輪串靠外輸中碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析

唐友剛，肖泥土，陳勃任，何 鑫，王泳輝

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072; 2. 煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

八角形FPSO與穿梭油輪串靠外輸中碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析

唐友剛1，肖泥土1，陳勃任1，何 鑫1，王泳輝2

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072; 2. 煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

針對(duì)300 m作業(yè)水深下的八角形FPSO，提出采用穿梭油輪串靠的外輸作業(yè)方案，研究外輸過(guò)程中穿梭油輪與FPSO之間由于過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)而引起的碰撞風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。建立由八角形FPSO及其系泊系統(tǒng)、穿梭油輪、系泊大纜等組成的浮式多體系統(tǒng)分析模型，在外輸海況條件下，得到穿梭油輪與FPSO間距的時(shí)歷曲線，結(jié)合極值理論，對(duì)過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，進(jìn)而對(duì)外輸系統(tǒng)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析；揭示海流的方向變化對(duì)于外輸系統(tǒng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律。

串靠外輸；八角形FPSO；極值分布；碰撞風(fēng)險(xiǎn)

Abstract: A tandem offloading scheme is proposed for octagonal FPSO in 300 m of working depth. This paper focuses on studying the collision risk probability due to extent surge motion between FPSO and shuttle tank. The floating multi-body system which consists of FPSO and its mooring system, shuttle tanker, hawser etc. is set up for analysis. Based on the calculated time history curve and extreme value theory, the collision risk prediction of the offloading system is carried out which reveals the rule of the influence caused by different current direction.

Keywords: tandem offloading; octagon FPSO; extreme value distribution; collision risk

針對(duì)淺水小型油田和邊際油田的開發(fā)，范模[1]提出了八角形FPSO結(jié)構(gòu)形式，其各向環(huán)境力基本相同，更有利于采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，相比于船型FPSO采用的單點(diǎn)系統(tǒng)，可以大大降低系泊系統(tǒng)的復(fù)雜性和造價(jià)。近年來(lái)的研究工作，主要集中在八角形FPSO的外形、水動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究，而對(duì)于此類結(jié)構(gòu)輸油方式和輸油過(guò)程的碰撞風(fēng)險(xiǎn)研究較少。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于船型FPSO串靠外輸也展開了一系列的研究。Morandini C等人提出了FPSO串靠外輸過(guò)程中的設(shè)計(jì)狀態(tài)和安全準(zhǔn)則等[2]；孫海等根據(jù)最弱失效模式組理論對(duì)FPSO外輸中的斷纜可靠性進(jìn)行了計(jì)算，得出FPSO系泊系統(tǒng)和大纜的可靠性指標(biāo)，表明在雙纜的配置下外輸可靠性明顯提高[3]；首爾國(guó)立大學(xué)的DONG H Lee等人針對(duì)串靠系統(tǒng)，進(jìn)行了穩(wěn)定性等研究，揭示了油輪魚尾運(yùn)動(dòng)的極限環(huán)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)海流與風(fēng)的速度比對(duì)于魚尾運(yùn)動(dòng)影響明顯，而纜長(zhǎng)對(duì)其影響不大[4]；趙文華等研究了與FPSO類似的FLNG串靠外輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)果表明外輸間距及FLNG與LNG船之間的連接方式都對(duì)外輸操作的安全性和穩(wěn)定性有顯著影響[5]。

FPSO作為油氣生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存的綜合系統(tǒng)，一旦發(fā)生碰撞、火災(zāi)甚至爆炸事故會(huì)引起嚴(yán)重的生命、環(huán)境、財(cái)產(chǎn)等方面的損失。2015年2月，巴西國(guó)油的“Cidade de Sao Mateus”號(hào)FPSO由于天然氣泄漏而發(fā)生爆炸，造成至少9人死亡與失蹤，另有多人受傷[6]。根據(jù)IMCA(International Marine Contractors Association)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7]，記錄的98 500次海上原油外輸作業(yè)中，發(fā)生過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)(穿梭油輪向前偏移)的事件162起，引發(fā)碰撞事故的7起。對(duì)于外輸狀態(tài)的FPSO，其與穿梭油輪、連接大纜等組成一個(gè)復(fù)雜的多體動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如果發(fā)生碰撞事故，會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡、環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。八角形FPSO作為新的結(jié)構(gòu)形式，有必要對(duì)其外輸碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。本文考慮300 m作業(yè)水深的八角形FPSO，針對(duì)串靠外輸方案，建立了八角形FPSO、大纜及穿梭油輪多體系統(tǒng)耦合的分析模型，通過(guò)耦合動(dòng)力響應(yīng)分析，得到穿梭油輪與FPSO的外輸間距時(shí)歷數(shù)據(jù)，結(jié)合極值理論對(duì)其外輸過(guò)程中可能發(fā)生的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

1 外輸系統(tǒng)描述

如圖1所示，在八角形FPSO主甲板的一邊上設(shè)置用于外輸連接的系泊大纜(hawser)和輸油軟管(hose)的接頭。大纜連接處允許其發(fā)生左右約90°的旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同的環(huán)境載荷方向。在穿梭油輪的尾部，輔以限位拖輪以保證外輸操作的安全進(jìn)行。在主外輸作業(yè)區(qū)的對(duì)稱位置設(shè)置副外輸作業(yè)區(qū)，以保證在反向的環(huán)境條件下外輸工作也能順利實(shí)施。

圖1 八角形FPSO串靠外輸布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

名稱數(shù)值主甲板尺度/m71×71平臺(tái)尺度/m65×65型深/m29．0滿載吃水/m17．0排水量/t61000壓載吃水/m10．5排水量/t38300

采用ANSYS分別對(duì)八角形FPSO和穿梭油輪(tanker)建立幾何模型(geometry model)，并導(dǎo)出用于AQWA進(jìn)行水動(dòng)力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1，穿梭油輪的滿載排水量為44 430 t，壓載排水量為26 120 t。

八角形FPSO采用多點(diǎn)系泊的方式進(jìn)行定位。在300 m水深，采用3組系泊纜，每組4根的多點(diǎn)系泊方式，每組間隔120°，組內(nèi)每根系纜間隔5°。每根系泊線由三段組成，靠近FPSO的上端采用150 m長(zhǎng)的R4級(jí)無(wú)檔錨鏈，中間采用900 m的鋼纜，下端采用550 m長(zhǎng)的R4級(jí)無(wú)檔錨鏈，預(yù)張力為150 t，具體系泊系統(tǒng)參數(shù)見表2。進(jìn)行外輸時(shí)，F(xiàn)PSO和穿梭油輪通過(guò)大纜連接，大纜的主要參數(shù)見表3。

表2 FPSO錨鏈系泊參數(shù)(預(yù)張力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring (pretension=150 t)

表3 大纜參數(shù)Tab. 3 Parameters of hawser

2 極值理論

設(shè){x1,x2,…,xn}為滿足獨(dú)立同分布F(x)的隨機(jī)變量序列，xM=max(x1,x2,…,xn)為其最大值隨機(jī)變量，概率分布為F(x)n。當(dāng)n→時(shí)，F(xiàn)(x)n趨于其漸近分布FM(x)。根據(jù)經(jīng)典極值理論，F(xiàn)M(x)可以對(duì)應(yīng)極值I型(Gumbel)、極值II型(Frechet)和極值III型(Weibull)分布[8]。

對(duì)于建立的多體耦合動(dòng)力分析模型，采用不同的隨機(jī)種子以生成不同的波高時(shí)域歷程，模擬得到FPSO與穿梭油輪間距和連接大纜張力的時(shí)程曲線，統(tǒng)計(jì)其參數(shù)極值。假設(shè)浮體最小間距和大纜最大載荷服從極值I型分布。其分布函數(shù)和概率密度函數(shù)見式(1)和式(2)：

式中：μ表示位置參數(shù)(location parameter),λ表示尺度參數(shù)(scale parameter)。采用矩法[9]對(duì)其進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，極值變量的均值和方差分別為：

基于以上極值變量隨機(jī)分布理論，可對(duì)油輪運(yùn)動(dòng)和系泊張力進(jìn)行概率計(jì)算分析。

3 數(shù)值計(jì)算

通過(guò)AQWA-DRIFT模塊對(duì)FPSO外輸系統(tǒng)的輸油過(guò)程進(jìn)行時(shí)域系泊分析。分析中，計(jì)算兩種典型裝載工況：“FPSO滿載-穿梭油輪壓載”和“FPSO壓載-穿梭油輪滿載”；采用定常大小的力模擬穿梭油輪船尾限位拖輪的系柱拖力，取值20 t。時(shí)域分析模擬時(shí)長(zhǎng)3小時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)取0.2 s。確定外輸操作環(huán)境條件如表5所示，取風(fēng)浪流同向(-135°)進(jìn)行計(jì)算分析。在FPSO滿載工況下，計(jì)算得到兩浮體的縱蕩、橫蕩時(shí)程曲線及對(duì)應(yīng)的大纜時(shí)程曲線，如圖2所示。由于FPSO的三點(diǎn)分布式系泊布置關(guān)于外輸時(shí)的-135°并不對(duì)稱且外輸導(dǎo)纜孔的位置也不在甲板邊的正中間，導(dǎo)致縱蕩與橫蕩結(jié)果有一些差距。采用10個(gè)不同的隨機(jī)種子(Seed)，對(duì)得到的FPSO和穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷數(shù)據(jù)處理得到二者間距l(xiāng)的時(shí)歷曲線，統(tǒng)計(jì)出每條曲線的最小值，即得到極值樣本。

連接FPSO與穿梭油輪之間的外輸大纜長(zhǎng)度為80 m，參考船型FPSO的外輸安全距離以及西江油田終端規(guī)則[7]，定義過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)為二者最小間距60 m。當(dāng)達(dá)到過(guò)分縱蕩距離時(shí)，由于油輪的操縱反應(yīng)時(shí)間以及海上環(huán)境參數(shù)突變性等因素，F(xiàn)PSO與穿梭油輪可能發(fā)生碰撞事故。

表5 外輸環(huán)境條件Tab. 5 Environmental condition of offloading

圖2 外輸時(shí)域歷程曲線Fig. 2 Time series for offloading

圖3 主外輸方向相對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果Fig. 3 Results of excessive relative surge motion for mainly offloading direction

4 結(jié)果分析

4.1主外輸穩(wěn)定性

考慮風(fēng)浪流環(huán)境載荷同向，并在小角度范圍(±15°)內(nèi)變化，計(jì)算得到的外輸最小間距統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3，其中，“工況一”表示FPSO滿載狀態(tài)+穿梭油輪壓載狀態(tài)，“工況二”表示FPSO壓載狀態(tài)+穿梭油輪滿載狀態(tài)。

根據(jù)矩法，對(duì)圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行極值I型分布擬合，得到的參數(shù)估計(jì)結(jié)果以及過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)概率如表6所示。可以看出，當(dāng)穿梭油輪處于壓載狀態(tài)時(shí)，外輸間距達(dá)到過(guò)分縱蕩的概率要小于滿載的穿梭油輪狀態(tài)，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定；環(huán)境載荷方向偏向-15°時(shí)，會(huì)增大過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的可能性，而±15°兩個(gè)方向出現(xiàn)的不對(duì)稱性是由于FPSO的三組系纜相對(duì)于外輸方向是不對(duì)稱的。整體而言，外輸過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)分縱蕩的概率較小，系統(tǒng)是安全穩(wěn)定的。

表6 過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)概率Tab. 6 Probability for excessive relative surge motion

4.2海流方向影響分析

圖4 海流方向影響分析示意Fig. 4 Diagram for influence of current direction

南海海域由于環(huán)境條件的復(fù)雜性，極易出現(xiàn)海流與風(fēng)浪不同向的情況，通常稱為“亂流”現(xiàn)象。如圖4所示，本文分析海流與風(fēng)浪夾角分別為0°、10°、30°和90°四種情況下外輸過(guò)程中穿梭油輪出現(xiàn)過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)的概率大小。從表7可以看出，對(duì)于工況一而言，海流方向的改變使過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的概率有所降低；對(duì)于工況二，海流方向的改變使過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的概率增大。由4.1的分析可以知道，外輸系統(tǒng)在穿梭油輪壓載時(shí)(工況一)是相對(duì)穩(wěn)定的，從工況一到工況二對(duì)應(yīng)原油從FPSO中輸送到穿梭油輪上的過(guò)程，因此海流方向?qū)τ谕廨斚到y(tǒng)的影響體現(xiàn)在：輸油開始時(shí)，海流方向的改變有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小穿梭油輪過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)；而隨著外輸操作的進(jìn)行，海流方向的變化會(huì)不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大穿梭油輪過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的概率。該結(jié)論與Carlos H Fucatu[10]等人對(duì)船型FPSO串靠外輸?shù)暮Ａ饔绊懡Y(jié)論類似。

在實(shí)際外輸操作過(guò)程中，可以通過(guò)監(jiān)控實(shí)時(shí)海流方向，對(duì)外輸操作進(jìn)行干預(yù)：調(diào)整穿梭油輪尾部輔助拖輪的拖帶力大小或方向，使系統(tǒng)更加趨于穩(wěn)定，當(dāng)出現(xiàn)海流方向突變或者流速突變時(shí)，為防意外發(fā)生可以適時(shí)終止外輸操作。

表7 隨海流方向變化的概率值 %Tab. 7 Probability changes with current directions %

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用多體耦合動(dòng)態(tài)時(shí)域分析法，結(jié)合極值理論對(duì)于八角形FPSO串靠外輸過(guò)程中穿梭油輪的過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了合理預(yù)報(bào)。主要研究結(jié)論如下：

1)從出現(xiàn)過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)的概率量級(jí)上可以看出，外輸中FPSO與穿梭油輪間距小于60 m的概率是極小的，碰撞風(fēng)險(xiǎn)是極小概率事件，這也印證了串靠系統(tǒng)的安全性與可靠性；

2)串靠外輸過(guò)程中，穿梭油輪壓載狀態(tài)下過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的概率要明顯小于滿載狀態(tài)，說(shuō)明隨著外輸?shù)倪M(jìn)行，由FPSO、穿梭油輪、連接大纜和輔助拖輪組成的多體系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，油輪出現(xiàn)過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)的概率增加；

3)穿梭油輪壓載時(shí)，波浪與海流同向，使得過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的可能性增加，不利于系統(tǒng)安全；穿梭油輪滿載時(shí)，波浪與海流同向則會(huì)降低過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的概率，有利于外輸作業(yè)。在流速和波浪參數(shù)不變情況，壓載情況油輪質(zhì)量減小所以縱蕩運(yùn)動(dòng)增加。實(shí)際外輸操作中應(yīng)當(dāng)關(guān)注壓載外輸作業(yè)。

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Risk analysis of collision for octagonal FPSO in tandem offloading operation

TANG Yougang1, XIAO Nitu1, CHEN Boren1, HE Xin1, WANG Yonghui2

(1. School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Yantai CIMC Raffles Offshore Co.Ltd, Yantai 264000, China)

1005-9865(2017)02-0007-06

U661.43

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.002

2016-01-26

國(guó)家工業(yè)與信息化部資助項(xiàng)目(G014614002)

唐友剛(1952-), 男, 河北保定人, 博士, 教授, 博導(dǎo), 主要研究船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析。 E-mail:tangyougang_td@163.com