西非海域FPSO系泊系统动力响应及设计分析

2014-06-27，

船海工程 2014年6期

，

(哈尔滨工程大学深海工程技术中心，哈尔滨 150001)

FPSO+自由站立式立管+浮筒式单点系泊+穿梭油船的开发模式[1]已经在西非深水油气田开发中得到了广泛应用，是当前西非海域油气主要的开发方式之一。由于西非地处热带区域，海况较好，百年一遇主涌有义波高约为3.6 m；常年主导浪向为西南方向；基于上述特点，位于西非海域的FPSO可以采用多点系泊方式，并使主船体正对常年主导浪向，无需采用价格相对较贵的单点系泊转塔装置。根据西非海域某多点系泊FPSO系泊系统设计使用寿命要达到25年的要求，结合西非海域1 500 m水深及环境条件最终确定了4×4的分布式系泊设计，每根系泊线均为chain-wire-chain的结构模式，且该系泊系统满足了西非海域百年一遇飓风海况下的设计标准及FPSO运动响应标准[2-3]。

1 理论及设计准则

1.1 时域运动方程

浮体的水动力分析采用间接时域法，采用水动力计算软件AQWA基于三维势流理论[4]分别对浮体的幅值响应函数、一阶波浪力、波浪漂移力、附加质量和阻尼系数等水动力参数进行数值求解。得到上述水动力参数后应用傅里叶变换在全耦合分析软件OrcaFlex中进行时域分析。浮体运动方程可表示为

(1)

式中：M——浮体质量；

Md——浮体附加质量；

K——静水刚度；

x(t)——位移矢量；

h(t)——加速度卷积积分函数；

F(t)——总的外部力，包含波浪激励力、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等。

系泊线的动力分析方法采用集中质量法，应用离散思想对系泊线进行分段，段与段之间通过有质量的节点进行连接，没有质量的且被看作是刚体或者弹性体。同时假设系泊线的重力、浮力、惯性力以及流体拖曳力等都集中作用于节点上，每段系泊线的质量、附连水质量和流体拖曳力平均分配到每段两端的节点上。

最后利用全耦合的方法分析浮体及系泊线的耦合运动，其运动方程为

(2)

K(x(t))——系统基于单元刚度的每一瞬时应力；

1.2 极限条件下系泊系统设计标准

1)FPSO偏移标准。系统完整时，FPSO的最大偏移为水深的5%(75 m)；系泊系统破损状态为1根系泊线破断时，FPSO的最大偏移为水深的8%(120 m)；系泊系统破损状态为2根系泊线破断时，FPSO的最大偏移为水深的8%(120 m)。

2)安全系数标准[5]。安全系数标准见表1。

表1 系泊线最小安全系数标准

3)系泊线上最小拉力载荷。为防止磨损，在任何装载工况下，任何环境条件下，钢缆都不能触到海底地面。每个计算工况都应当统计所有系泊线上最小张力值，以检验钢缆是否触到地面。

2 几何参数及模型建立

现给出FPSO主要参数，并对其系泊系统参数进行说明，见表2。系泊系统参数见表3。

表2 FPSO的主要参数

表3 系泊系统参数

系泊线设计使用寿命为25年，应该对最小破断载荷进行修正，而钢缆因为有包层保护，所以在系泊系统设计中无需校核，按照规范要求，以下校核需要考虑在内，见表4。

表4中：上部溅湿区，根据DNV OS E301规范中定义水面上5 m，水面下4 m为溅湿区域；悬链线部分指的是溅湿区以下，刚缆以上的部分，因为钢缆是不需要校核的，所以钢缆部分不考虑在内；底部锚链部分指的是铺设于海底的锚链部分。

表4 锚链参数修正

3 西非环境条件

系泊系统的设计对于环境数据的选用主要参考《西非深水工程设计基础》。环境组合的选取因情况不同而异，需要提前进行计算，提取最恶劣环境组合工况。因此在时域计算中将分别给出计算所需的环境组合。现给出涌浪和飓风、流环境参数。

图1 主涌(main swell)Hs-Tp逆形式等值线

图2 次涌(second swell)Hs-Tp逆形式等值线

在图1和图2中，100 a表示所用数据为百年一遇，1 a表示所用数据为1年一遇，95%表示所用数据为95%情况下数据。

飓风数据采用了西非海域实测环境时历数据进行了重构。现给出百年一遇飓风时历数据见图3、4。

图3 飓风风速和风向时历(A_7)

图4 飓风风速和风向时历(A_13)

流速为表面速度0.9 m/s，水下3 m处流速为0.7 m/s，且在计算中各个环境方向组合时流速大小不变。

4 时域计算结果及分析

数值计算中，船体及系泊系统模型均为对称布置。因此认为其系泊运动响应特性也对称。则环境角度仅在较大的180°(或环境实际来向范围)内选取。典型西非环境为主涌、次涌及风浪流混合环境，百年一遇飓风环境下系统耦合运动设计分析中，选择Gaussian Swell波谱模拟主涌及次涌。

同时，在数值计算中存在一些简化的处理，现进行说明：①风载荷与流载荷系数应该以模型试验得到的数据为准，本文取OCIMF规范中船型的参数;②在系泊耦合数值计算中，外输油管的水动力影响忽略不计，外输油管仅仅作为水平固定载荷加到模型上，每根外输油管水平载荷约为400 kN(共800 kN)，竖直方向固定载荷在定义静水力平衡时作为固定载荷考虑。

考虑到FPSO压载装载时的受风面积比满载装载大，且排水量小，则对于百年一遇的飓风条件下，压载比满载运动响应大，系泊线受力大，故而百年一遇飓风环境，需要校核压载工况满足系泊要求。设计分析中，飓风分析采用飓风时历数据。根据规范选用百年一遇1 min飓风主值数值，用记录下来的时历风速与方向数据去匹配该方向上的1 min风值，得到百年一遇飓风时历数据，具体数据参见图3、4。根据飓风方向不确定性，应该在180°内每15°一个方向角进行计算。通过分析，对于FPSO在飓风情况下，其纵向受风面积比横向受风面积大，故主要对环境方向相对于船体90°及左右各30°范围内进行计算，分析中将给出以下几个方向角的计算结果：75°，90°，105°，120°及135°(与正北方向所成角度)，将其与主涌、次涌、流等环境进行组合，组合规则要根据主涌、次涌、及流主导环境下计算结果。总结出所有可能产生的最大位移，或是最大系泊力的组合，对选出的环境组合进行计算，找出导致最大位移及系泊线最大张力的环境。

根据上述方法分别得到FPSO系泊系统系泊线完整、系泊线一根破断和系泊线两根破断下的百年一遇飓风环境组合，并在OrcaFlex中进行时域计算。

4.1 百年一遇飓风条件下系泊线完整

通过上述方法，得出了百年一遇飓风条件下FPSO系泊系统系泊线完整时将产生最大位移或张力的环境组合,见表5、6。

表5 飓风1 min阵风主值

表6 系泊系统完整状态最恶劣海况组合

由OrcaFlex数值计算得到FPSO不同飓风时历条件下偏移结果，其中最大偏移是由A_7在90°方向上造成的，具体结果见表7。

表7 飓风环境下系泊线完整FPSO最大位移

由表7可见，百年一遇飓风环境FPSO系泊系统完整状态下，FPSO的最大偏移为74.15 m，小于标准值75 m，其运动范围满足规范要求。

由OrcaFlex数值计算得到多点系泊FPSO百年一遇飓风条件下系泊线完整状态下最大张力，结果见表8。

表8 百年一遇飓风环境下FPSO系泊线上最大张力

基于上面FPSO的漂移范围及系泊线最大张力的计算，每根线的最小张力也需要输出，以便于保证钢缆不会触到海底。每根系泊线最小张力及相应的钢缆及海底间的垂向距离见图5。

图5 系泊线最小张力及钢缆垂向最小距离

图5中每根钢缆最小拉力载荷是取自百年一遇飓风条件系泊系统完整时所有算例，可以保证百年一遇飓风环境下，系泊系统完整时，钢缆的底部没有触到海底，至少保留12.91 m的余量。

4.2 百年一遇飓风条件下一根系泊线破断

在系泊系统完整状态下，飓风时历A_7环境下受力最大是S5，飓风时历A_13环境下受力最大的线绳是S4，假设在一根系泊线破断的情况下，当飓风为A_7时历时S5这根系泊线破断；当飓风为A_13时历时S4破断。计算中，并未考虑系泊线破断瞬态影响，假设破断的系泊线一直是处于破断状态。

对于百年一遇飓风时历下一根系泊线断裂情况，要结合百年一遇飓风环境下系泊系统完整时的计算结果及涌浪、流等环境下的运动响应及系泊张力情况，选出每个环境角度下有可能发生最大位移及系泊线产生最大张力的环境组合(流、主涌、次涌)。计算验证得到最大位移及每根系泊线上最大张力。流速、飓风1 min阵风主值及计算方法与系泊线完整状态下一样。见表9。