浅水恶劣环境下单点系泊系统设计

朱为全， 李　达， 高　巍， 董　璐, 王　鑫

(1. 北京高泰深海技术有限公司，北京100011；2. 中海油研究总院，北京 100027；3.中船重工经济研究中心，北京 100101； 4.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)



浅水恶劣环境下单点系泊系统设计

朱为全1， 李达2， 高巍3， 董璐1, 王鑫4

(1. 北京高泰深海技术有限公司，北京100011；2. 中海油研究总院，北京 100027；3.中船重工经济研究中心，北京 100101； 4.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

摘要：随着海洋石油资源的开发，内转塔单点系泊逐渐成为恶劣环境下FPSO定位的主流系泊方式之一。无论是可解脱系泊系统还是永久式系泊系统，内转塔单点系泊的水深适应性都得到了广泛的认可。然而，对于浅水下的内转塔单点系泊设计有着如下的挑战：恶劣的自然环境使得FPSO具有较大的低频漂移运动，系泊系统需要有足够的恢复力特性。该文针对中国南海水深为90 m左右的FPSO设计内转塔单点系泊系统，该FPSO为新建15万吨级FPSO，使用内转塔单点系泊系统定位。针对设计恶劣的环境条件(500年一遇)设计了系泊系统，进行扫略分析并进行了立管校核。计算结果表明：该系泊系统性能良好，满足规范和立管设计要求。

关键词：单点系泊；浅水；恶劣环境

0引言

一艘新建15万吨级FPSO将用于中国南海珠江口盆地的油田开发，此处水深87 m。该FPSO使用内转台单点系泊定位，设计寿命30年。一根12″的立管和一个供电脐带连接DPP平台与新建FPSO。

中国南海经常有台风过境，近年来台风的过境次数和破坏力均有所增强，带来的后果是极限环境设计条件随之增加[1]，出于安全设计考虑，系泊系统的极限设计条件也随之提高。考虑到该FPSO较长的设计寿命(30年)，采用100年一遇的环境条件作为极端设计条件会使得最终结果偏于危险。基于此，系泊系统的极端设计条件从100年一遇增加到500年一遇。

使用如此严酷的环境条件作为计算设计条件，同时水深仅有87 m，该FPSO的系泊系统设计遇到了较大的挑战。该系泊系统必须具有足够的破断强度以保证缆绳的安全性，同时还需要有足够的恢复力特性以满足500年一遇条件下立管的安全性。

该文采用时域分析方法对系泊系统进行计算分析，并进行系泊系统-立管耦合分析计算以校验所设计的系泊系统是否满足立管要求。

1基本信息

1.1环境条件

新建FPSO位置水深为87 m，环境设计条件见表1。从100年一遇到200年、500年一遇，有义波高分别增加4%和10%，相应的谱峰周期增加5%和10%，表面流速分别增加5%和10%。同一地点设计条件变化情况比较见表2。从表2中可以发现，百年一遇的极端设计条件出现了非常明显的增加。

近年，若干级别较高的台风袭击了中国南海沿岸，这导致了极端设计条件的增加。一般情况下，对于20年设计寿命的浮式设施，百年一遇的环境条件可以作为系泊系统的极端设计条件。新建FPSO有长达30年的设计寿命，相应的计算设计条件也应提高。考虑到南海极端设计条件长期的增长趋势，选择500年一遇的环境条件作为该FPSO单点系泊系统的极端设计条件。

表1　FPSO系泊系统极端环境条件比较

表2　南海同一地点环境条件变化比较

波、风、流主导下的条件极值见表3，其中500年一遇的环境条件将作为系泊设计的环境输入条件。

表3　FPSO系泊系统500年一遇条件极值

1.2FPSO主尺度信息

新建FPSO的主尺度见表4。该FPSO的升沉固有周期为11 s，横摇固有周期为15 s左右，纵摇固有周期为10 s左右。

表4　FPSO主尺度信息

1.3FPSO内转塔形式

在造价、可靠性、操作简便性及安装时间等方面比较了三种主要的内转塔形式。

(1) 快速解脱内转塔系统：投资高，安全性高，回接时间短，但是停产时间长；

(2) 永久式系泊内转塔系统，配备浮筒和快速解脱设备：投资高，安全性高，回接时间短，停产时间短；

(3) 永久式系泊内转塔系统，无浮筒和解脱系统：投资最低，安全性高，停产时间短，但是回接时间最长。

在中国南海北部的FPSO实际操作经验表明：系泊系统的回接需要两周以上的天气窗口。这项工作必须在台风季节进行，因为非台风季节会有长时间的季风环境。这就要求单点系统必须具有较短的回接时间，同时停产时间必须短。基于此，第二种单点系统选为新建FPSO的单点系统[2]。

2设计基础

2.1系泊缆安全系数

根据API-RP-2SK，对于动态分析校核需要的安全系数要求见表5，可解脱内转塔系统如图1所示。

图1　可解脱内转塔系统

系泊系统状态分析方法安全系数完整动态1.67破断动态1.25

2.2立管限制条件

开发方案中有两根立管连接DPP平台和FPSO，为一根12寸立管和一根脐带缆[3]。

对于立管：

(1) 最小弯曲半径大于4.94 m；

(2) 许用张力小于4 329 kN；

(3) 与其他海底结构物无碰撞；

(4) 与FPSO解脱后与海底基本无接触；

(5) 至少满足100年一遇环境条件。

对于脐带缆：

(1) 最小弯曲半径大于3 m ；

(2) 许用张力小于500 kN ；

(3) 与其他海底结构物无碰撞；

(4) 与FPSO解脱后与海底基本无接触；

(5) 至少满足100年一遇环境条件。

为了满足以上要求，立管需进行选型，最终确定采用陡波型立管；为了保证立管系统的安全，系泊系统必须有足够的定位能力。

3系泊设计

为了适应设计条件要求，系泊系统须有合理的回复刚度以限制FPSO的位移。87 m的水深条件下，系泊链具有非常明显的悬链线特征，回复刚度主要由系泊缆自身重量和海底卧链重量所提供，为了达到更好的定位效果，锚链需增加配重块以增加系泊系统回复能力。为了控制缆绳张力载荷和FPSO漂移运动，系泊系统的布置采用分组布置。FPSO系泊系统的分组布置通常采用3×3、3×4或者更多缆绳的组合。

3.1单根缆布置

由于水深较浅，FPSO系泊缆的悬链线形状比较固定。为了顺应FPSO的偏移，系泊缆应具有小的张力刚度，同时具有较长的长度。由于系泊缆将与海底经常接触、摩擦，因而聚酯缆不在考虑范围内。出于连接操作考虑，系泊缆连接导缆孔的上段部分应为钢链。为了减小单点垂向受力，系泊缆的中间段将选择钢缆。需注意的是，要避免钢缆出现在系泊缆与海底的接触段范围内，以防止频繁接触对钢缆造成破坏。基于以上考虑，新建FPSO的系泊缆将由钢链-钢缆-钢链以及配重块组成。

为了估算所需要的上端钢链直径，将FPSO压载工况时的导缆孔作为系泊缆上端的输入条件；出于简便考虑，将风浪流同向的波浪主导环境条件作为输入条件，将FPSO最大的风力系数和流力系数作为输入条件。通过Ariane进行试算得出初步结论：上端链使用R4K4，直径不应小于146 mm。

对无配重块和不同重量配重块对于系泊回复特性的影响进行了比较，比较结果如图2所示。系泊半径1 200 m，FPSO处于压载状态，锚链直径146 mm。当配重块重量增加时(分别为1 t/m, 1.3 t/m 和1.6 t/m)，系泊缆刚度增加明显，同时张力也相应增加。当导缆孔水平偏移22 m时，相比于无配重块系泊缆，有配重块时系泊缆上端张力分别增加8%，13%和15%。当系泊缆张力同为12 000 kN时，有配重块系泊缆连接的导缆孔偏移分别减小1.3 m，1.9 m和2.3 m。综合考虑造价和性能，躺底段配重块重量选为1.3 t/m。

图2　不同配重重量对系泊缆恢复力特性影响

3.2系泊系统

FPSO系泊系统采用分组布置，具体为每4根系泊缆一组，分为三组，整个系泊系统由12根系泊缆组成，单组中缆绳间距4°，每组缆绳间距108°，系泊布置如图3所示。

图3　系泊布置

3.3系泊系统评估

设计过程中评估了两种不同系泊半径(950 m和1 200 m)系泊系统的性能，系泊缆组成见表6。两种系泊半径下FPSO压载时水平回复刚度比较结果如图4所示。由图4可知，系泊半径1 200 m的系泊方案在In Line方向恢复刚度较小，Between Line方向两种方案恢复刚度相当。

表6　系泊缆组成比较

图4　不同系泊半径FPSO压载状态水平刚度曲线比较

3.4扫略分析

根据ABS规范对于单点系泊系统系泊分析环境角度组合建议，对两种系泊半径系泊布置进行扫略分析，环境角度组合为[4]：

(1) 同向环境条件下，计算角度(波浪，风，流)= (α, α, α), α= 0°, 15°,30°, 60°。

(2) 非同向环境条件下，计算角度(波浪，风，流)= (α, α+30°, α+90°), α =0°, 15°, 30°, 60°。

为了快速得到设计值，采用Ariane作为分析软件。扫略分析中对钢链的破断力考虑0.3 mm的年腐蚀量，总共9 mm的腐蚀量影响，对计算结果添加1.1倍的动力放大系数以近似考虑缆绳动态影响，比较结果见表7、表8，由表7、表8可以看出：当FPSO压载时，缆绳张力较大；当系泊半径为1 200 m时，缆绳张力载荷较小，FPSO位移较大。由于当前钢链直径已经较大，出于安全系数考虑，系泊半径1 200 m方案作为最终的系泊系统设计方案。

表7　两个系泊系统扫略分析结果比较(系泊系统完整工况)

表8　两个系泊系统扫略分析结果比较(系泊系统破断工况)

3.5立管-系泊系统耦合分析

为了确保设计的系泊系统能够满足立管设计要求，需进行立管-系泊系统耦合分析。在进行耦合分析前，需比较缆绳动态响应对于系泊系统的影响，选取典型工况分别使用Ariane 和Orcaflex进行分析，二者结果比较见表9、表10。由于Arian并不能考虑缆绳动态响应，在添加了1.1倍的动力放大系数进行修正后，缆绳张力结果与Orcaflex计算结果非常接近，但FPSO偏移值小于Orcaflex计算结果，因而有必要进行立管-系泊系统耦合计算来进一步的分析。

表9　Ariane 和Orcaflex在典型工况的分析结果比较(系泊系统完整)

表10　Ariane 和Orcaflex在典型工况的分析结果比较(系泊系统破断)

使用Orcaflex建立立管-系泊系统时域耦合分析模型。从立管选型分析中可以确定远端工况时立管最危险，此时环境条件为500年一遇，环境来向为风浪流同向，沿着Between Line方向指向FPSO。耦合计算分析进行了5个不同种子的时域计算，耦合分析结果见表11。分析结果表明，系泊系统能够满足立管设计要求。

表11　耦合分析结果

4结论

该文针对一艘在中国南海北部水深87 m油田工作的新建FPSO设计了单点系泊系统。针对500年一遇的极端设计进行时域动力分析。比较了两种系泊半径下系泊系统的性能情况，确定系泊半径1 200 m的系泊方案作为最终的设计方案，并进行了立管-系泊系统耦合时域分析。最终得出了如下结论：

(1) 基于南海北部FPSO系泊缆回接操作实际经验以及环境特性，新建FPSO的内转塔形式为有浮筒可解脱的永久系泊。

(2) 较浅的水深使得系泊缆悬链线特性明显，其恢复力主要靠躺底链提供。为了提高系泊缆恢复特性，对系泊缆添加1.3 t/m的配重块，效果明显。

(3) 系泊系统采用3×4的布置方式可以较为均匀的分配传递环境载荷。

(4) 当FPSO满载时系泊系统受力最大,这与较大的环境条件和较浅的水深有关。

(5) 系泊半径1 200 m的系泊方案能够满足规范对张力安全系数的要求和立管对于FPSO位移的要求。950 m系泊半径方案不能满足张力规范要求，但FPSO最大漂移小于1 200 m的方案。

(6) 单根缆破断工况不是控制工况。这主要是因为系泊系统一组缆绳由4根系泊缆组成，当单根缆破断时载荷依旧能够较为均匀的进行分配。

(7) 系泊系统能够满足规范对于缆绳张力安全系数的要求和立管的要求。在500年一遇的环境条件下立管和脐带缆在FPSO位移34 m条件下满足最小弯曲半径和许用张力的要求。

参考文献

[1]LIU Hua-xiang, LI Da, BAI Xue-ping. Research and Design on Internal Turret Mooring System of FPSO in South China Sea[C].OMAR 2014-23739.

[2]LI Da, YI Cong, XU, Zhen-hai.Scenario Research and Design of FPSO in South China Sea[C].ISOPE 2014, TPC-0512.

[3]QI Xiao-liang , YI Xie, LU Yong. Design and Optimization of Riser Configuration Based on EP24-2[C]. OTC-Aisa 24824.

[4]ABS. Floating Production Installations, 2004.

Challenge for Turret Moorings in Shallow Water and Harsh Environments Conditions

ZHU Wei-quan2, LI Da1, GAO Wei2, DONG Lu2， WANG Xin4

(1.COTEC Offshore Engineering Solutions， Beijing 100011，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027, China；3.China Shipbuilding Industry Corpsration Economic Research Center, Beijing 100101, China；4.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China)

Abstract：Quickly becoming one of the most common moorings for extreme design conditions is the internal turret mooring system. Available as either a permanent or a disconnectable system, the internal turret mooring is recognized for its versatility from shallow water to deep water depths. However, design of such mooring system meets some challenges in shallow water： 1) harsh environments in location; 2) large dynamic offset as low frequency motion; 3) enough restoring force of the mooring system. In this paper, a turret mooring system will be designed for a FPSO system in shallow water in South China Sea where the water depth of about 90 m. A newly build 150 000 DWT FPSO will be located in this field and the unit is kept by a single point mooring system of internal turret type. With response to the harsh environments (500year environments conditions), a dynamic analysis will be performed for the mooring system. It is conclude that the proposed mooring system is fully effective and functional

Keywords：single point mooring; shallow water; harsh enviroment

中图分类号:P75

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2016)02-0014-07

作者简介：朱为全(1981-)，男，工程师。

收稿日期：2015-01-23