渤海单点系泊装置设计环境工况研究

2015-02-07刘雪宜于常宝董坤

石油工程建设 2015年1期

关键词：单点系泊海流外输

刘雪宜，于常宝，董坤

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461

2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452

渤海单点系泊装置设计环境工况研究

刘雪宜1，于常宝1，董坤2

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461

2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452

环境工况决定了单点系泊装置系泊力的大小，进而影响到系泊装置的规模。文章介绍了渤海海域单点系泊装置设计过程中需要考虑的自存、操作、外输三种工作工况，将环境载荷分为风、波浪、海流和风、海冰、海流两类组合方法，进行了单点系泊系统的设计环境工况分析，对今后类似单点系泊装置的设计具有参考意义。

FPSO；单点系泊；设计环境工况；重现期

0 引言

系泊装置是FPSO定位的关键系统，用于将FPSO固定在某个油田以进行油田的生产和开发。中国海洋石油总公司目前共有7条FPSO在渤海服役，其中6艘采用了水上软刚臂单点系泊装置（Single Point Mooring），其典型构成部件如图1所示[1]，系泊力大小由环境工况决定。由于渤海海域水深较浅，冬季有冰，因此其环境工况选取有其独特的特点[2]。

本文结合设计规范与经验，论述渤海浅水型单点系泊FPSO设计环境工况的选取。

1 海洋环境

典型的海洋环境包括风、波浪、海流、潮汐、气温、海水温度、盐度、海生物、地震等因素。对于浮式装置，风、波浪、海流、冰载荷决定了其系泊力。

（1）风。由于FPSO上有庞大的原油加工处理设施，受风面积较大，因而风载荷作用显著。风的基本要素包括风速和风向，其设计值包括1、5、10、25、50、100 a重现期特征值。

（2）波浪，包括风成浪和涌浪[3]。FPSO漂浮在海面上，波浪载荷作用显著。渤海海域具有半封闭的特征，通常涌浪要比风成浪小，因此设计时以风成浪为主要考虑因素。波浪的基本要素包括波高、周期和波向，其设计值包括1、5、10、25、50、100 a重现期特征值。

（3）海流，包括表层流、中层流和底层流。表层流最大，中层流次之，底层流最小，FPSO受表层流的影响较大。海流的基本要素包括流速和流向，其设计值包括1、5、10、25、50、100 a重现期特征值。

（4）冰，包括单层冰、重叠冰、堆积冰。单层冰是指整个冬季连续增长，相对未受到扰动的平坦海冰；重叠冰是指在外力作用下，一层冰叠置到另一层冰上形成的1至2层、或更多层冰，但冰面仍较平坦的海冰；堆积冰是指在外力作用下，冰块杂乱无章地堆积在一起形成的冰。冰的基本要素为压缩强度和弯曲强度，其设计值包括1、25、50、100 a重现期特征值。

图1 渤海海域典型单点系泊装置示意

2 海洋环境方向组合

海洋环境各要素有其各自的方向性，组合起来有几十甚至上百种。对于具风标效应的FPSO，DNV规范明确要求要结合具体的海域进行环境方向组合。若无海域的具体记录，则其环境方向组合至少包含以下两种[4]：

（1）同向。风、波浪、海流皆指向艏部。

（2）不同向。波浪指向艏部，风与波浪成30°角，海流与波浪成45°角，如图2所示。

图2 风浪流不同向

渤海海域水深较浅，海流较大。由于经常出现横流工况，即使风、波浪较小，FPSO的横摇也比较明显。因此，在实际设计工作中，采用了以下的风、波浪、海流环境方向组合模式，如图3所示。

图3 海洋环境方向组合模式

（1）风、波浪指向艏部，海流与风成90°角。

（2）波浪指向艏部，风与海流在波浪的同侧，风与波浪成30°角，流与波浪成90°角。

（3）波浪指向艏部，风与海流在波浪的两侧，风与波浪成30°角，流与波浪成90°角。

（4）波浪指向艏部，风与海流在波浪的同侧，风与波浪成30°角，流与波浪成45°角。

（5）风、波浪、海流皆指向艏部。

（6）风、波浪指向艏部，没有海流。

对于渤海海域的风、冰、海流环境工况方向组合，海冰、海流的方向是一致的，而风与海冰、海流的相对方向需要结合渤海冬季季风的特点进行具体分析。

3 单点系泊装置设计工况

单点系泊装置为FPSO提供系泊力，长年受到风、波浪、海流、冰等环境载荷的作用。通常情况下，单点系泊装置的设计需要考虑以下典型工作工况：

（1）自存工况。指单点系泊装置能够承受的最恶劣工况。在此工况下，油气田可以停产，但是整个系泊装置仍然是安全而可靠的。通常选择百年一遇的环境条件作为自存工况[5]。

（2）操作工况。指单点系泊装置能够正常生产的允许工况。在此工况下，油气田能维持正常生产，整个系泊装置是安全而可靠的。通常选择一年一遇的环境条件作为操作工况。

（3）外输工况。指单点系泊装置进行外输作业的最大允许工况。在此工况下，油田仍然能维持正常生产，同时，外输油轮利用外输缆绳系固在FPSO上，一起围绕单点系泊装置做风标运动，整个系泊装置是安全而可靠的。外输工况的选择要考虑到外输装置和可操作性的要求。

将海洋环境重现期特征值与环境方向组合模式进行搭配，即可得到单点系泊装置的设计环境工况。自存工况的环境要素与方向组合模式搭配，即为单点系泊装置的自存设计工况；操作工况的环境要素与方向组合模式搭配，即为单点系泊装置的操作设计工况；外输工况的环境要素与方向组合模式搭配，即为单点系泊装置的外输设计工况。以海洋石油113 FPSO的新建单点系泊系统为例，介绍设计工况的具体选择。

3.1 风、波浪、海流设计工况（见表1）

表1 风浪流设计工况

对于自存工况，环境方向组合模式（1）～（6）均采用重现期为100 a的风和波浪。对于海流，环境方向组合模式（1）～（3）属于横流工况，如采用重现期为100 a的流速，将导致系泊系统异常庞大，因此采用了不超越概率大于99%的流速1.0 m/s，这与重现期为100 a的风和波浪同时发生，相当于重现期为10 000 a的极端工况，能够满足设计规范的要求；对于模式（2），增加谱峰周期敏感性分析，选择谱峰周期Tp+1、Tp-1两种状态，以确认谱峰周期对系泊力的影响大小；模式（4）～（6）为非横流工况，仍然采用重现期为100 a的流速。

对于操作工况，由于环境方向组合模式（2）和（5）需要的系泊力最大，因此可选择（2）和（5）作为设计工况，采用重现期为1 a的风和浪。横流模式（2）选用了流速0.7 m/s，其不超越概率同样大于99%。顺流模式（5）采用重现期为1 a的海流，速度1.34 m/s。

对于外输工况，同样选择（2）和（5）作为设计工况，依据渤海海域的外输操作经验，外输设计有效波高为3.1 m，周期为9.1 s，设计风速为18 m/s，设计流速为0.7 m/s。

据此，得到风、波浪、海流的设计环境工况，选用Jonswap波浪谱，NPD风谱，水深17.8～20.5 m。

3.2 风、海冰、海流设计工况（见表2）

渤海海域冬季有冰，因此单点系泊装置需具备抵御冰载荷的能力，冰载荷在海流和风的联合作用下运动对系泊装置产生影响。海洋石油113 FPSO所在海域，海冰、海流的方向一致，而风与海冰、海流的常见相对方向为0°和67.5°。

表1 风浪流设计工况（续）

表2 风冰流设计工况

对于自存工况，一般情况，渤海海域如果遇到了重现期为25 a以上的重冰年，就需要有破冰船进行破冰，因此自存设计工况中冰载荷的重现期选择25 a，风载荷重现期为10 a，海流载荷取1.0 m/s。如果遇到重现期为50 a的冰载荷，FPSO会解脱，仅需要考虑冰对单点系泊装置的影响，这种自存工况下采用重现期为10 a的风和海流。

对于外输工况，可选择重现期为1 a的海冰和风，海流速度取为0.7 m/s。由于有外输油轮的影响，所需要的系泊力总是大于操作冰工况，因此，设计过程中考虑冰外输工况就足够，不需要考虑冰操作工况。

根据以上说明，得到风、海冰、海流的设计环境工况，选用NPD风谱，水深17.8～20.5 m。

4 结束语

单点系泊装置在渤海地区得到了广泛应用，其设计环境工况与多种海洋环境因素相关，风、波浪、海流和风、海冰、海流构成了两种不同类型的环境载荷组合，在确定设计工况时需要结合特定的海域环境进行具体分析。设计过程中要对其进行合理搭配，以确保单点系泊装置的经济、安全和可靠。特别是近年来由于气候异常，渤海海域出现了多起单点系泊装置失效的事件，这就要求在设计之初，对于新建或者重新利用的单点系泊装置的海洋环境设计工况进行深入分析和研究，适当提高设计裕量，以应对气候异常带来的影响。

[1]刘雪宜.FPSO在YOKE损坏时的应急解脱[J].石油工程建设，2013，39（3）：26-30.

[2]Q/HSn 3000-2002，中国海海冰条件及应用规定[S].

[3]董胜，孔令双.海洋环境工程概论[M].青岛：中国海洋大学出版社，2005.

[4]DNV-OS-E301，Position Mooring[S].

[5]俞聿修.随机波浪及其工程应用[M].大连：大连理工大学出版社，2011.

Design EnvironmentalConditions Research ofSingle Point Mooring System in BohaiBay

Liu Xueyi1，Yu Changbao1，Dong Kun2
1.China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300461，China
2.China NationalOffshore OilCo.，Ltd.Tianjin Branch，Tianjin 300452，China

The mooring force of single point mooring（SPM）system depends on design environmental conditions which have large effect on the size of mooring system.This paper summarizes three working conditions of SPM in Bohai Bay，i.e.survival，operating and offloading，which should be considered in the SPM design process.Then the environmental loads are divided into two group types i.e.the wind plus wave plus current and the wind plus ice plus current.Based on the combined working cases，the analyses on SPM are carried out and the results can be used as reference for similar SPM desins.

FPSO；single point mooring；design environmentalconditions；return period