FPSO系泊系统载荷计算与分析＊——基于南海“奋进号”FPSO运动特性实船测量结果

赵文华 胡志强 杨建民 李悦喜 谢协民

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室; 2.中海石油(中国)有限公司文昌13-1/2油田作业公司)

浮式生产储油装置(FPSO)通过单点系泊系统长期固定于海上进行作业,是海洋油气资源生产的主要设施。由于海洋环境条件复杂,FPSO在恶劣海况下的水动力性能及其系泊系统的定位能力一直是研究人员和工程人员关注的焦点。国内外研究人员对FPSO的水动力性能开展了大量的研究[1-6],研究手段多采用数值分析方法、模型实验方法或二者相结合的方法。

目前使用较为广泛的FPSO水动力性能分析方法是耦合数值分析结合水池模型试验的方法,这种方法依据水池模型试验结果对数值分析模型进行修正,然后通过数值分析预报出不同海况下FPSO的运动特性及其系泊系统的受力特性,因此对水池模型试验结果的准确性依赖度较高。但是,由于试验缩尺比的影响和水池尺度的限制,水池模型试验结果与实船的真实运动特性难免存在一定的误差,从而导致数值分析预报结果与实际情况存在一定的偏差。通过实船测量获得 FPSO船体的运动特性以及系泊系统的受力特性是研究FPSO水动力性能最为理想的方法,但在现阶段技术条件下,仅能实现对FPSO船体活动的实船测量,尚无法实现对系泊系统的实船测量,在这种情况下,通过实船测量获得 FPSO的运动特性,并通过数值分析方法获得系泊系统载荷数据,是获得较准确结果的最佳方法之一。在获得FPSO的实际运动数据的前提下,通过非耦合分析技术对系泊系统载荷进行推算,可以获得较利用数值分析与水池模型实验相结合的耦合分析技术更为准确的结果。

中国海洋石油总公司委托上海交通大学海洋工程国家重点实验室于2007年始开展了为期25个月的南海“奋进号”FPSO运动特性实测工作1),获得了大量的第一手实船测量数据。根据得到的第一手实船测量数据,对业界普遍采用的FPSO水动力性能分析数值模型进行了修正。以南海“奋进号”FPSO为研究对象,利用修正后的数值模型,将实船测量得到的单点处的船体六自由度运动数据作为输入项,开展了FPSO系泊系统载荷计算,并对其在恶劣海况下的定位能力进行了评估。

1 南海“奋进号”FPSO运动特性实测及统计分析

南海“奋进号”FPSO船体主要参数如表1所示,其系泊系统由3组锚链(每组3根)组成,相邻2组锚链间夹角为120°,同一组锚链中相邻2根锚链间夹角为 5°(图 1),每根锚链均由“链—缆—链—缆”4段组成,每根锚链的预张力为330 kN、锚链长度为900 m、水平跨距为877 m。南海“奋进号”FPSO系泊系统锚链组成及属性见表2。

表1 南海“奋进号”FPSO船体主要参数

图1 南海“奋进号”FPSO系泊系统布置俯视图

本次研究中,海洋环境条件选取2009年台风季节南海遭遇的2次典型台风,分别是8月7日的“天鹅”台风和9月10日的“彩虹”台风,这2次台风对南海“奋进号”FPSO所在的文昌13-1/2油田的影响比较显著,其中“天鹅”台风对油田影响的持续时间长,而“彩虹”台风中心距油田很近。选择台风影响过程中FPSO垂荡运动幅度最大的3 h为过境过程:“天鹅”台风为2009年8月7日21—24时;“彩虹”台风为2009年9月10日15—18时。

表2 南海“奋进号”FPSO系泊系统锚链组成及属性

在“天鹅”台风过境的3h中,文昌13-1/2油田的海洋环境条件为:有义波高3.3 m;谱峰周期13.1 s;最大风速 11.7 m/s;表面流速 0.382 m/s。后1.5 h过境过程中南海“奋进号”FPSO的六自由度运动时历曲线如图2所示(前1.5h时历曲线特征与后1.5h基本一致),过境3h内南海“奋进号”FPSO运动特性统计结果列于表3。

图2 “天鹅”台风后1.5h过境过程中实测的南海“奋进号”FPSO六自由度运动时历曲线

表3 “天鹅”台风过境过程中南海“奋进号”FPSO运动特性统计值

为了更进一步研究恶劣海况下FPSO的运动响应情况,采用谱分析技术对“天鹅”台风过境过程中南海“奋进号”FPSO的垂荡、横摇和纵摇运动进行谱分析,得到了图3所示的FPSO运动响应谱。

在“彩虹”台风过境的3h中,文昌13-1/2油田的海洋环境条件为:最大风速22.5 m/s,表面流速0.455 m/s,海洋实测过程中的波浪数据缺失(FPSO的运动时历是完整的,故不影响本研究方法的计算)。后1.5 h过境过程中南海“奋进号”FPSO的六自由度运动时历曲线如图4所示(前1.5 h时历曲线特征与后1.5 h基本一致),过境3h内南海“奋进号”FPSO运动特性统计结果列于表4。

表4 “彩虹”台风过境过程中南海“奋进号”FPSO运动特性统计值

同样,为了更进一步研究恶劣海况下FPSO的运动响应情况,采用谱分析技术对“彩虹”台风过境过程中南海“奋进号”FPSO垂荡、横摇和纵摇运动进行谱分析,得到了图5所示的运动响应谱。

从图2和图4可以看出,南海“奋进号”FPSO的纵荡、横荡和首摇运动主要受低频力的影响,而垂荡、纵摇和横摇则主要受波频力的影响;低频范围内的运动响应变化范围比波频范围内的运动响应变化范围要大。因此,南海“奋进号”FPSO在低频范围内的运动响应会严重影响其系泊系统的受力状态。从图3、图5可以看出,南海“奋进号”FPSO的横摇运动响应水平比纵摇与垂荡运动响应水平高,图5所示横摇运动响应水平甚至比纵摇与垂荡运动响应水平要大一个数量级(图3情况与图5的差别是由于二者的海洋环境强度及风、浪、流方向的差异性引起的),这一现象表明在恶劣海况下 FPSO的横摇运动较为剧烈,应重点关注。

图5 “彩虹”台风过境过程中南海“奋进号”FPSO运动响应谱函数

2 南海“奋进号”FPSO系泊系统载荷计算及分析

2.1 有限元模型及计算思路

FPSO系泊系统载荷计算与数值分析采用SESAM软件的Riflex程序完成,所建立的南海“奋进号”FPSO湿表面有限元模型如图6所示,南海“奋进号”FPSO系统非耦合分析模型如图7所示。

图6 南海“奋进号”FPSO湿表面有限元模型

图7 南海“奋进号”FPSO系统非耦合分析模型

采用非耦合分析技术对FPSO系泊系统载荷进行计算,以实测FPSO运动数据作为运动输入项,具体计算思路如下:

(1)根据 FPSO测量点六自由度运动实测数据,计算得到船首单点处的三方向线位移时历数据。

(2)采用DNV的Deep C软件建立FPSO系统模型,获得的模型直接导入Riflex软件使用。

(3)将船首单点处的三方向线位移时历数据作为输入项,计算出在台风历程中定位FPSO的9根锚链所承受载荷的时历数据,并总结其统计特性数据。

南海“奋进号”FPSO船首单点三方向线位移运动计算流程如图8所示。

图8 南海“奋进号”FPSO船首单点三方向线位移运动计算流程图

单点的垂向运动时历数据根据船中心处垂荡运动数据计算得出。实测获得的FPSO船体六自由度运动数据是针对船体中心而言的,因此将船体中心看作水动力学分析中的参考点。通常情况下,根据参考点的六自由度运动,可以推导计算出船体上任意一点的线位移[7],即

式 (1)中 :η1,η2,η3为参考点的线运动坐标 ;×表示矢量积;ω为参考点的角运动矢量;r为计算点相对于参考点的矢量位移。在数值分析和水池试验研究中,单点的运动位移可以按照下式计算

根据式(2)可以获得船体任意一点处的运动情况。船体中心处的水平运动坐标是根据 GPS测量得到的,根据船体中心处的水平坐标,结合船体首向角数据,可以计算出单点的水平运动线坐标。船首部单点处的水平运动线坐标可以表示如下:

式(3)、(4)中:x和 y是单点水平线运动坐标;η1和η2是船中参考点的水平线运动坐标;L是参考点到单点的水平距离;φ是船体首向角。

2.2 计算结果及分析

利用式(4)及实船测量得到的船中位置六自由度运动时历数据,计算船首单点位置处的横向、纵向和垂向运动时历,并以此作为输入项将数据导入Riflex软件中进行系泊系统的载荷计算。2次典型台风过程中南海“奋进号”FPSO系泊系统所受载荷计算结果的统计值分别列于表5和表6,其受力最大系泊缆所受载荷时历曲线如图9和图10所示。

表5 “天鹅”台风过境时南海“奋进号”FPSO系泊系统载荷统计值 (N)

表6 “彩虹”台风过境时南海“奋进号”FPSO的系泊系统载荷统计值 (N)

从表5和表6可以看出,在相同海洋环境条件下,FPSO不同锚链所受载荷差异较大,最大载荷与最小载荷之间相差一个数量级。分析认为,造成锚链受力差异的原因可以归结为系泊转塔系统的风标效应,由于FPSO可以绕系泊转塔旋转至船体受外力最小的浪向上,故不同位置处系泊系统受力情况会有较大差异。从图9和图10可以看出,即使同一根锚链在不同时刻所受的拉力也有很大差异,表明在这2次台风过程中,南海“奋进号”FPSO所受环境载荷变化较大。比较表5、表6及表2数据可知,南海“奋进号”FPSO系泊系统设计合理,所受载荷在2次典型台风过程中均处于安全范围之内。据此可以认为,在等级为热带风暴及热带风暴以下的热带气旋下,南海“奋进号”FPSO无须解脱避航。

3 结论

(1)通过实船测量获得的南海“奋进号”FPSO的运动响应数据,对于FPSO水动力特性研究具有重要意义。

(2)以监测到的船体运动响应数据作为数值分析模型的输入项,运用可靠性较高的Riflex软件对FPSO系泊系统开展载荷计算,可获得系泊系统在恶劣海况下的受力情况,在此基础上可对系泊系统的定位能力进行评估,进而验证系泊系统设计的合理性。

(3)根据实船测量获得的“天鹅”和“彩虹”台风过境过程中南海“奋进号”FPSO的运动响应数据,以及在此基础上对其系泊系统的载荷计算结果,可以判定在等级为热带风暴及热带风暴以下的热带气旋下,南海“奋进号”FPSO无须解脱避航。

[1] KIMMH,KOOBJ,MERCIERRM,et al.Vessel/mooring/riser coupled dynamic analysis of a turret-moored FPSO compared with OTRC experiment.Ocean Engineering,2005,32:1780-1802.

[2] ORMBERG H,LARSEN K.Coup led analysis of floater motion and mooring dynamics for a turret-moored ship[J].Applied O-cean Research,1998,20:55-67.

[3] ESPERANCAP T T,SALES J S,LIAPIS S,et al.Anexperimental investigation of roll motions of an FPSO[C].Estoril:OMAE,2008.

[4] DESOUZAJUNIORJR,MORISHITAHM.Dynamic behavior of a turret FPSO in single and tandem configuration in realistic sea environments[C].Oslo:OMAE,2002.

[5] LUO Yong,BAUDIC S.Predicting FPSO response usingmodel test and numerical analysis[C].Honolulu:OMAE,2003:167-174.

[6] LIXin,YANG Jianmin,XIAO Longfei.Hydrodynamic behavior of FPSO under various loading in survival storms in shallow water[J].Journal of Hydrodynamics:Ser.B,2004,16(4):442-448.

[7] FALTINSEN O M.Sea loads on ships and offshore structures[M].U K:Cambridge University Press,1990.