超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下“南海奮進(jìn)”號(hào)FPSO系泊能力分析

， ，

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院， 山東 青島 266580；2.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

0 引 言

FPSO作為一種長(zhǎng)期系泊、可連續(xù)作業(yè)的海洋石油裝備，受到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的約束，在復(fù)雜海洋環(huán)境中的系泊能力對(duì)油氣的正常生產(chǎn)作業(yè)起著關(guān)鍵性作用。對(duì)FPSO 水動(dòng)力性能的研究方法主要有時(shí)域分析法和頻域分析法：WICHERS[1]最早采用時(shí)域分析方法對(duì)處于風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的 FPSO 進(jìn)行水動(dòng)力性能分析；HUIJSMANS[2]采用頻域計(jì)算方法，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)對(duì)耦合作用下FPSO二階波浪力的傳遞函數(shù)進(jìn)行求解。隨著深水FPSO 的應(yīng)用愈加廣泛，必須對(duì)完全耦合的水動(dòng)力時(shí)域數(shù)值分析模型進(jìn)行發(fā)展。MAZAHERI等[3]推動(dòng)全耦合時(shí)域數(shù)值模型的發(fā)展，并對(duì)深水系泊鏈和立管阻力系數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)和系泊力的耦合影響進(jìn)行分析研究。

近年來(lái)對(duì)于FPSO系泊系統(tǒng)的研究日趨成熟，劉元丹等[4]基于水動(dòng)力學(xué)軟件AQWA模擬FPSO 在給定的風(fēng)、浪、流聯(lián)合載荷作用下的總體時(shí)域擬靜態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到各系泊線在時(shí)域內(nèi)的受力情況；于超等[5]通過(guò)水動(dòng)力軟件和專(zhuān)用系泊分析軟件計(jì)算系泊系統(tǒng)的極限張力，進(jìn)而得到系泊鋼纜的安全系數(shù)，為FPSO生產(chǎn)提供安全保障。

本文以“南海奮進(jìn)”號(hào)FPSO為研究對(duì)象，針對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下FPSO不同裝載時(shí)的系泊張力進(jìn)行分析，獲得該FPSO極限環(huán)境條件下的最佳裝載范圍。

1 FPSO水動(dòng)力分析

水動(dòng)力分析是進(jìn)行系泊張力分析的基礎(chǔ)，為系泊張力分析提供FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線。本文采用頻域分析方法，濕表面上的水動(dòng)力載荷及船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)依照三維繞射-輻射理論計(jì)算，得到不同裝載狀態(tài)下FPSO的水動(dòng)力參數(shù)，為分析FPSO不同裝載下的系泊張力提供參考。

1.1 水動(dòng)力分析理論

水動(dòng)力分析理論的基本假設(shè)為：依據(jù)三維勢(shì)流理論，將流體簡(jiǎn)化為無(wú)旋、無(wú)黏性和不可壓縮的理想流體。根據(jù)速度勢(shì)能控制方程和拉普拉斯方程進(jìn)行求解。

拉普拉斯方程為

2φ=0(V=φ)

(1)

邊界條件為不滲透的條件，即流體速度和結(jié)構(gòu)速度在法向上分量一樣：

(φ-Vs)n=0

(2)

式(2)中：Vs為流體速度；n為法向量。

當(dāng)2種流體密度差別很大時(shí)，形成自由表面：

(3)

式(3)中：Z為水深；ω為角速度；g為重力加速度。

海底邊界條件為

φ=0(Z→-∞)

(4)

(5)

不同的格林函數(shù)表達(dá)形式有所不同，為了在無(wú)窮遠(yuǎn)的地方使方程有解，需引入一個(gè)無(wú)窮遠(yuǎn)處為遠(yuǎn)場(chǎng)條件，以此來(lái)保證無(wú)限遠(yuǎn)處存在外傳波，即

(6)

式(6)中：WL為結(jié)構(gòu)表面的平均吃水；S0為平均濕平面。

1.2 水動(dòng)力分析參數(shù)

在最大允許海況系泊系統(tǒng)的分析計(jì)算中，F(xiàn)PSO大體分為4種裝載狀態(tài)，依次為壓載狀態(tài)、半載狀態(tài)、正常滿(mǎn)載狀態(tài)、極限滿(mǎn)載狀態(tài)。本文對(duì)壓載、半載、滿(mǎn)載情況下的水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，船體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船體參數(shù)

圖1 水動(dòng)力計(jì)算模型

1.3 水動(dòng)力分析計(jì)算

采用水動(dòng)力軟件HydroSTAR進(jìn)行水動(dòng)力分析計(jì)算，波頻0.05～2.00 rad/s，步長(zhǎng)間隔為0.05，響應(yīng)峰值周?chē)鷧^(qū)域是重要區(qū)域，需要對(duì)頻率進(jìn)行加密處理。船體呈幾何形狀對(duì)稱(chēng)，故將角度設(shè)在0°～180°，步長(zhǎng)為15°，計(jì)算參考點(diǎn)取重心位置。計(jì)算模型如圖1所示。

2 系泊張力分析

2.1 系泊張力分析方法

系泊系統(tǒng)評(píng)估分析利用國(guó)際專(zhuān)業(yè)的系泊軟件Ariane7分析計(jì)算，并利用時(shí)域分析法對(duì)系泊系統(tǒng)中的低頻及波頻響應(yīng)進(jìn)行研究分析。設(shè)計(jì)安全系數(shù)的大小可依照BV船級(jí)社的定位系泊規(guī)范[6]和美國(guó)石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute, API)規(guī)范[7]，其數(shù)值詳見(jiàn)表2。

圖2 系泊系統(tǒng)布置

表2 設(shè)計(jì)安全系數(shù)

設(shè)計(jì)張力為

TD=TM-αTS

(7)

式(7)中：TM為最大平均張力；α為比例系數(shù)；TS為最大張力標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2 系泊系統(tǒng)的布置

該FPSO的系泊方式為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式，其本身是不可解脫的。這里使用3組系泊纜，每組3根，每根均包含錨鏈和鋼纜，其具體方位如下(以N順時(shí)針為基準(zhǔn))。

第1組：第1根系泊纜線310°，第2根系泊纜線315°，第3根系泊纜線320°。第2組：第4根系泊纜線70°，第5根系泊纜線75°，第6根系泊纜線80°。第3組：第7根系泊纜線190°，第8根系泊纜線195°，第9根系泊纜線200°。系泊布置圖如圖2所示。

2.3 環(huán)境參數(shù)

允許環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 允許環(huán)境參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 最大允許工況下的系泊系統(tǒng)分析

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中系泊張力受FPSO的船體位移影響較大，而船體位移又與吃水深度有關(guān)。吃水過(guò)深會(huì)加大船體受到的波浪力及海流力，此情況不利于船舶運(yùn)動(dòng)；吃水過(guò)會(huì)造成船體的受風(fēng)面積過(guò)大，船體運(yùn)動(dòng)隨之增加。為此，需要分析多種不同吃水深度下的船舶運(yùn)動(dòng)，且找出對(duì)于系泊系統(tǒng)最為有益的情況(即系泊張力最小處)。

“南海奮進(jìn)”號(hào)的吃水深度可由設(shè)計(jì)及操船手冊(cè)查知為11～17 m，再把相應(yīng)吃水裝載狀態(tài)下的橫搖阻尼與慣性半徑計(jì)算出來(lái)，具體各狀態(tài)下船體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 “南海奮進(jìn)”號(hào)各種吃水深度下船體參數(shù)

通過(guò)上述對(duì)各種裝載下系泊力的計(jì)算，得出不同吃水狀態(tài)下最大系泊力的時(shí)程曲線，如圖3～圖7所示。

圖3 “南海奮進(jìn)”號(hào)吃水深度11 m系泊力時(shí)程曲線

圖4 “南海奮進(jìn)”號(hào)吃水深度12 m系泊力時(shí)程曲線

圖5 “南海奮進(jìn)”號(hào)吃水深度13 m系泊力時(shí)程曲線

圖6 “南海奮進(jìn)”號(hào)吃水深度15 m系泊力時(shí)程曲線

圖7 “南海奮進(jìn)”號(hào)吃水深度17 m系泊力時(shí)程曲線

為深入分析最大系泊張力的變化，將各不同吃水下系泊張力的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表5。

表5 “南海奮進(jìn)”號(hào)各種裝載狀態(tài)下系泊張力值

圖8 “南海奮進(jìn)”號(hào)各種裝載狀態(tài)下系泊張力變化圖

各種裝載下系泊力的變化曲線如圖8所示。

由圖8可知：FPSO系泊張力在半載狀態(tài)下有極小值，在此系泊系統(tǒng)受力最低。對(duì)該吃水范圍深入分析，加密細(xì)分13.5～ 14.5 m內(nèi)的吃水。選取吃水13.5 m、14.0 m、14.3 m、14.5 m進(jìn)行系泊力的研究。加密后不同裝載條件下系泊張力變化如圖9所示。

圖9 “南海奮進(jìn)”號(hào)加密后各種裝載條件下系泊張力變化圖

綜合圖8和圖9可以看出：“南海奮進(jìn)”號(hào)FPSO在吃水為14.0～14.5 m內(nèi)系泊系統(tǒng)的受力最小，系泊力降低約9%～12%。

3.2 系泊系統(tǒng)抗風(fēng)能力研究

選取14.0 m、14.3 m和14.5 m對(duì)系泊系統(tǒng)極限抗風(fēng)能力進(jìn)行研究，控制裝載狀況需要依據(jù)操船的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)?？刂瞥运疃仍?4.0～14.5 m通過(guò)對(duì)油艙和壓載水艙的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合FPSO實(shí)際的工作和裝載情況進(jìn)行配載。

“南海奮進(jìn)”號(hào)臨界工況的確定，需在特定裝載條件下，風(fēng)力大于最大允許工況時(shí)，令風(fēng)速及海況條件逐漸增加，直至系泊系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，該工況即為FPSO的臨界工況。對(duì)每種工況計(jì)算分析系泊力，從而得出最大系泊張力，見(jiàn)表6。

由表6可知：在吃水深度為14.0 m和14.3 m裝載狀態(tài)下，取最小安全系數(shù)1.67，系泊系統(tǒng)的抗風(fēng)能力為1 min內(nèi)的平均風(fēng)速，約為57 m/s；在吃水深度為14.5 m裝載狀態(tài)下，系泊系統(tǒng)的抗風(fēng)能力為1 min內(nèi)的平均風(fēng)速，約為56 m/s。在特定裝載條件(吃水為14.0～14.5 m)時(shí)，“南海奮進(jìn)”號(hào)臨界工況為16級(jí)。

4 結(jié) 論

(1) “南海奮進(jìn)”號(hào)FPSO 在壓載、半載、滿(mǎn)載狀態(tài)下，最大系泊張力為8 131 kN，相應(yīng)的安全系數(shù)為2.09，滿(mǎn)足BV船級(jí)社及API規(guī)范的要求。

(2) “南海奮進(jìn)”號(hào)FPSO在吃水為14.0～14.5 m時(shí)系泊系統(tǒng)受力最小，系泊力降低了約9%到12%，且在此裝載條件范圍內(nèi)抗臺(tái)風(fēng)的能力也是最強(qiáng)的，當(dāng)FPSO處于特定裝載狀態(tài)(吃水為14.0～14.5 m)時(shí)的臨界工況是16級(jí)。

(3) 在將來(lái)的研究中，可在最為有利的裝載狀態(tài)下，研究此時(shí)系泊系統(tǒng)的極限抗風(fēng)能力，保證在此條件下FPSO船體的安全，并對(duì)極限風(fēng)暴狀態(tài)下的船體強(qiáng)度、穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算。

[1] WICHERS J E. A Simulation Model for a Single Point Moored Tanker [D].Delft：Delft University of Technology,1988.

[2] HUIJSMANS R H M. Mathematically Modeling of the Mean Wave Drift Force in Current: A Numerical and Experimental Study[D]. Delft：Delft University of Technology, 1996.

[3] MAZAHERI S, DOWNIE M J. Response-Based Method for Determining the Extreme Behavior of Floating Offshore Platforms[J] .Ocean Engineering , 2005 (32):363-393.

[4] 劉元丹, 劉敬喜, 譚安全. 單點(diǎn)系泊 FPSO風(fēng)浪流載荷下運(yùn)動(dòng)及其系泊力研究[J]. 船海工程, 2011, 40(06): 146-149.

[5] 于超, 鄭曉濤, 謝小波, 等. FPSO 單點(diǎn)系泊鋼纜剩余強(qiáng)度評(píng)估方法[J]. 船海工程, 2015, 44(05): 12-14.

[6] Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units: NI 493 DTM R00 E [S]. 2012.

[7] Design and Analysis of Station-Keeping System for Floating Structures: API.RP 2SK [S]. 2005.