“海洋石油112”号FPSO单点系泊模型试验与数值计算对比分析

詹燕民张天宇张大刚

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津300452；2.北京迪玛尔海洋技术有限公司 北京100029）

“海洋石油112”号FPSO单点系泊模型试验与数值计算对比分析

詹燕民1张天宇2张大刚2

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 天津300452；2.北京迪玛尔海洋技术有限公司 北京100029）

国内有多艘大型软刚臂系泊FPSO在浅水服役，或多或少均存在一定故障，因此浅水FPSO水动力性能和安全问题受到广泛重视。“海洋石油112”号FPSO软刚臂单点系泊系统位于渤海浅水水域。文中对该单点系泊系统进行了系泊分析数值模拟，并与水池试验结果进行对比，验证三维动力响应数值模拟在浅水中应用的准确性。

浮式生产储卸油装置；单点系泊系统；软刚臂；模型试验

引 言

“海洋石油112”号FPSO（HYSY112）是一艘15万吨级原油收集处理装置，使用由APL公司设计的水下软刚臂单点系泊（简称“112单点”）。该单点系泊系统（SPM）2004年安装完成，设计使用寿命为25年，见下页图1。单点系泊系统在投产后，自2009年开始出现了一系列故障。这些故障不仅使油田停产，造成经济损失，同时也给海洋环境和现场操作人员的安全带来一定威胁。

112单点系统出现的故障有多种，其中包括水上轴承偏磨、外转塔螺栓疲劳断裂、水下轴承偏磨、错位等等，还有一些潜在风险点，如关键点螺栓疲劳、高应力区结构的强度、疲劳等。为查找该单点已有的或潜在的风险点，需对部分APL设计分析进行复核。本文对112单点进行了系泊分析，并将计算结果与模型试验进行对比，以检验数值分析的准确性。计算所得系泊力将为单点结构强度及疲劳分析提供载荷依据。

图1 “海洋石油112”号单点系统（水上部分）

1 系泊力计算

1.1 系泊分析

软刚臂单点系泊系统总布置图见图2。

图2 “海洋石油112”号单点系泊系统示意图

该系统主要由以下部件组成：

（1）FPSO及系泊链支撑结构；

（2）带基座的内塔（固定部分）；

（3）转塔（旋转部分，与内塔通过轴承连接）；

（4）系泊软刚臂及系泊链；

（5）跨接软管；

（6）操作条件下FPSO与系泊塔之间的舷梯。

系泊分析中，需要FPSO、系泊链、软刚臂三个部分。FPSO与软刚臂视为刚体，两者之间以两根系泊链连接。112单点所在位置的平均水深为24 m。

FPSO、软刚臂及系泊链参数主要参数见表1，单点系统示意图见图2。

表1 FPSO及其系泊系统主要参数

1.1.1 FPSO水动力计算

水动力分析采用商业软件WAMIT进行计算，该软件基于三维有限水深格林函数求解。频域计算中，波浪周期从0.2 ～1.6 rad/s，取35个波浪周期。浪向从0°～180°，取9个浪向（0°，15°，30°，45°，90°，135°，150°，165°，180°）。横摇粘性阻尼由模型试验得到，由于纵摇及垂荡势流阻尼占总阻尼绝大部分，因此可忽略纵摇及垂荡粘性阻尼。水动力计算网格见图3。

图3 水动力计算网格

1.1.2 系泊系统耦合计算

整个系泊系统模型利用Orcaflex进行多体系统耦合计算。FPSO属于大尺度构件，则通过三维势流理论进行求解（WAMIT），由势流理论得到的FPSO附加质量、附加阻尼、一阶波浪激励力、二阶波漂力系数及静水力刚度等参数作为系泊耦合分析的输入参数。二阶传递函数采用全QTF法［1］（Full Quadratic Transfer Function），即通过绕射/辐射理论数值计算得到二阶波浪慢漂力的QTF矩阵。

软刚臂可作为细长体单元进行模拟，通过Morison方程求解其水动力，其中拖曳力系数CD= 1.0，附加质量系数 AM= 0.8。均布式质量加载于软刚臂上，使得整个锚链初始预张力为750 t（每条链375 t）。由于锚链较短，锚链的水动力参数没有考虑。FPSO漂移阻尼根据系泊系统自由衰减试验得到，纵荡临界阻尼比1.4%。作用于FPSO的风、流载荷系数由风、流模型试验分别得到。计算模型见图4。

图4 单点系泊数值模型

数值模型应校准系泊系统回复力刚度曲线，使其与水池试验模型的系泊系统回复力刚度曲线一致，见图5。

图5 回复力刚度曲线对比

数值计算采用耦合时域分析，每个工况选取10个不同的随机波浪种子数进行模拟计算，模拟时间3 h，并取每次模拟统计值的平均值作为此工况的计算值。

1.2 环境条件

数值计算所采用的海况条件与模型试验一致。其中，风速与流速采用与试验值相同的定常值进行模拟，海浪谱采用JONSWAP谱［2］，其定义如下：

式中：谱峰圆频率ωp= 2π/Tp，rad/s；Tp为谱峰周期；HS表示有义波高，m；γ表示谱峰升高因子，如果谱峰升高因子γ =1，则波浪谱表示P-M谱；σ表示谱峰形状参数。

2 水池模型试验

“海洋石油112”号软刚臂单点系泊系统模型试验在上海交通大学海洋工程试验室进行，见图6。模型缩尺比为1∶60，全尺度水深为24 m。

试验模拟环境条件为一年一遇海况（HS= 3.4 m）和百年一遇海况（HS= 5.0 m），采用JONSWAP谱，流速分别对应0.75 m/s和1.35 m/s，并在试验室水池的有流和无流条件下进行校波。动态风采用NPD谱进行模拟。试验的部分环境工况见表2。

图6 “海洋石油112”号水池模型试验

水池模型试验中得到的风载荷系数和流载荷系数见表3。

表2 模型试验模拟工况

表3 FPSO风载荷系数和流载荷系数

3 数值计算与模型试验结果对比分析

数值模拟与水池试验结果对比参数包括系泊锚链张力平均值、张力最大值以及张力均方差，对比图见图7 — 图9。从图7中可以看到，系泊锚链平均张力的计算值与试验值基本一致，说明稳态定常力模拟精确。图8中的锚链张力最大值除工况03、工况04，均吻合较好。图9中，系泊锚链张力均方差值除工况05、工况04（左舷锚链）外相比试验值均明显偏小。

图7 系泊锚链张力平均值

图8 系泊锚链张力最大值

图9 系泊锚链张力均方差值

工程计算中，波浪谱通常采用波浪谱JONSWAP谱、PM谱等，然而这些理论波浪谱的能量成分主要集中在ω= 0.2～2.0 rad/s的波浪频率范围内，至于ω= 0～0.2 rad/s的低频范围，一般没有波浪能量成分。然而，在近岸浅水海域，伴随着大幅度振荡的波浪时历（波群），总会出现较明显的低频波浪成分，这便是在浅水非线性波浪中出现的低频约束长波现象［3］，随着水深增加，这种低频约束长波的影响也随之逐渐减弱。同样，在水池试验得到的波浪谱中也可以观察到这种低频能量。波浪谱中，低频能量成分（即低频约束长波成分及其诱导一阶低频波浪力）的出现，使得总的低频波浪慢漂激励力有大幅度增加，最终导致单点系泊FPSO低频共振纵荡运动响应以及由此产生的系泊系统系泊力相比于数值计算有一定幅度的增加。

4 结 论

本文针对112单点系泊系统进行了数值计算与模型试验的对比分析，结果显示：绝大部分工况中系泊平均张力与系泊最大张力的计算值均与试验值较好吻合。由于低频约束长波的出现，在大部分海况中数值计算锚链张力均方差值相比试验值明显偏小，而疲劳累积损伤与均方差成正相关关系。112单点中，基座、内塔、软刚臂、系泊支撑结构、部分连接螺栓等部件的疲劳都与系泊张力相关，系泊张力均方差的低估将导致这些构件在投产运行中的实际寿命比设计寿命偏小，引起一些潜在的故障。例如，连接软刚臂的首摇轴承盖板上的36个螺栓长期承受系泊力的往复作用，2009年检测发现其中4个螺栓的螺纹出现明显损伤，随后进行更换。这种潜在的故障如果逐步扩大，将会造成严重的事故。

关于低频约束长波和海岸低频波浪在实际近岸浅水海域中的存在及其形成机理，已被许多理论研究和实际观测所证实［4］。如果忽视浅水低频长波成分的存在，采用传统研究方法，纯粹采用理论波浪谱以及线性叠加形成的不规则波浪时历，对FPSO和单点系泊系统水动力性能进行预报，将会造成预报结果偏小，给工程设计带来隐患。然而一般的商业软件无法模拟该部分低频波浪成分，且该低频波浪能量会随着水深增加而减小，这就需要进行一系列的水池模型试验以得到相应的经验修正系数或公式了。

［1］Kim M H.Yue D K P.The complete second-order diffraction solution for all axisymmetric body.Part 2.Bichromatic incident waves［J］.Journal of Fluid Mechanics，1990，211：557-593.

［2］DNV.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads［S］.2007.

［3］肖龙飞.浅水波及软刚臂系泊FPSO浅水效应研究［D］.上海：交通大学博士论文，2007.

［4］邹志利.水波理论及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

Comparative analysis of HYSY112 single point mooring system by model test and numerical simulation

ZHAN Yan-min1ZHANG Tian-yu2ZHANG Da-gang2
（1.CNOOC Ltd.（Tianjin），Tianjin 300452，China；2.Beijing DMAR Offshore Engineering，Inc.，Beijing 100029，China）

Many domestic soft yoke mooring FPSOs in large scale serve in shallow water，which more or less have a certain fault，resulting in much more attention of the hydrodynamic performance and the safety of FPSO in shallow water.HYSY112 soft yoke single point mooring（SPM）system is located in the shallow water field in the Bohai Sea.The HYSY112 SPM system is numerically simulated to validate the accuracy of the threedimensional dynamic response numerical simulation that is applied in shallow water by comparison with the basin model test results.

FPSO（floating production storage and offloading）； single point mooring system； soft yoke mooring；model test

P751

A

1001-9855（2016）05-0088-06

2016-01-21；

2016-03-17

詹燕民（1979-），男，工程师，研究方向：设备管理。张天宇（1983-），男，硕士，高级工程师，研究方向：海洋工程水动力、系泊分析。张大刚（1962-），男，博士，教授级高级工程师，研究方向：海洋工程研究、设计及工程管理。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.088