规范及设计工况对单点系泊系统设计的影响

易丛，李达，赵晶瑞，谢波涛，白雪平

(中海石油研究中心，北京 100027)

规范及设计工况对单点系泊系统设计的影响

易丛，李达，赵晶瑞，谢波涛，白雪平

(中海石油研究中心，北京 100027)

针对南海单点系泊系统具体案例，考虑不同规范规定的多风浪流组合工况，通过水动力频域计算及系泊系统时域分析，得出不同工况下的系泊力数据，认为在波高周期相同的前提下，基于不同规范的系泊分析结果接近；与以往“采用环境条件的主极值和条件极值进行计算分析”的方法相比，采用方向极值进行单点系泊系统的设计更为科学可靠。

FPSO；单点系泊；设计工况

FPSO在海洋石油开发中应用广泛，是全海式油田开发工程中的核心单元。从油井中生产的井流经海底管线、单点被送到FPSO上油、气、水处理工艺模块，经脱水、脱气处理后达到稳定的合格商用原油储存于FPSO的原油储存舱中。FPSO是漂浮在海面上的浮体，多数系泊在单点装置上，是围绕单点转动且具有风向标效应的油气生产装置[1]。单点系泊系统是FPSO的重要组成部分，占FPSO整体投资近1/3。设计安全可靠的单点系泊系统，同时尽可能地简化单点系泊系统的设计方案，使投资降低，是单点系泊系统设计者要综合考虑和平衡的两个方面。本文针对南海某油田的新建FPSO单点系泊系统开展研究工作，探讨了设计工况和设计规范选取的不同对单点系泊系统方案的影响，以及环境条件的选取方法。

1 计算方法及物理模型主要参数

单点系泊系统分析和多点系泊系统分析的理论基础是相同的[2-3]。考虑锚泊系统与浮体的耦合，在浮体运动方程的基础上，引入系泊力对整个系统的影响，然后求解非线性时域运动方程。

式中:M为FPSO的广义质量阵；m为FPSO的附加质量矩阵；L(t-τ)为FPSO的延迟函数矩阵；C为恢复力矩阵；Fiw(t)为流体力，风力等外力矩阵；Fim(t)为系泊力矩阵。

耦合求解时首先考虑动态时域积分，求解动力平衡方程，采用Newton-Raphson法在每个时间步中进行内、外力平衡迭代，最终求得FPSO运动状态下的力学特征。

和多点系泊系统不同的是，单点系泊系统由于其风标效应，在风浪流的作用下，往往先到一个平衡位置，与波浪成一定夹角，再在外力作用下进行周期性的运动。

南海某油田水深290 m，环境条件见表1、2。FPSO的船体主尺度及装载数据见表3；系泊系统参数见表4；一共9根缆，按照3×3方式布置，系泊半径为1 300 m，系缆长度为1 371 m，分别是955 m的152 mm R3S钢缆，390 m的145 mm钢缆，

表1 风浪流条件极值

表2 风浪流方向极值

表3 FPSO主尺度及装载

26 m的152 mm R4钢链。随着环境观测手段及处理方法的进步，通过统计实际Hs-Tp样本，Hs-Tp关系曲线开始出现和应用于系泊设计中。南海某油田Hs-Tp包络线见图1。图1中，Hs为有效波高；Tp为谱峰周期，包络线体现了该海域对应Tp下出现的Hs范围。本文将基于上述基础参数进行算例分析。

表4 系泊系统参数

在工程设计中，常常借助商业软件进行系泊系统的求解。本文采用法国船级社的HYDROSTAR软件模拟FPSO船体，不考虑系泊系统影响进行水动力计算，再把RAO运动结果、船体模型导入到法国船级社的ARIANE软件中，在该软件中进行系泊系统建模，将系泊系统简化为弹簧，并导入到运动方程中，进行系泊力的计算。船体模型和系泊力分析模型见图2、图3。

2 不同规范对系泊分析的影响

2.1 不同规范对系泊分析的规定区别

系泊设计时，通常使用的规范见参考文献[4-7]。这4本规范针对系泊分析的规定见表5。BV规范要求计算浪主导、风主导和流主导3种工况，每一种工况中规定了风浪、流浪之间的角度范围，进行计算分析时，考虑在此范围内风浪流的所有组合，因此BV规范规定的需要计算的工况非常多。比如，在浪主导工况中，如每15°设置1个角度，风和浪7个间隔，流和浪5个间隔，那么1个浪向即可对应35个计算工况，360°范围内则有840个工况。考虑浪主导、风主导和流主导，一共有3 000多种计算工况。ABS和DNV对必须考虑的计算工况相对少很多。对应1个浪向，ABS只要求计算3种风浪流夹角工况，DNV只要求计算2种风浪流夹角工况。API规范没有对计算工况的具体规定，只是要求考虑导致最大的系泊力的风浪流组合。

表5 不同规范计算工况规定

表6为不同规范对腐蚀的要求。

表6 不同规范腐蚀规定

在以往的系泊设计中，常采用百年一遇环境条件下的风浪流极值进行系泊系统强度设计。随着对环境数据监测和统计能力的发展，逐渐开始采用条件极值进行设计，即风最大时浪和流数据，浪最大时的风和流数据等，见表1。同一重现期下，条件极值比风浪流极值要小一些。在近期的项目中，除了条件极值外，还出现了风浪流方向极值的统计结果。方向极值统计的风浪流因素，又要小于条件极值，如表1。API RP 2SK[6]中也规定了系泊分析时可采用风浪流条件极值。

2.2 ABS/DNV(条件极值)和BV(方向极值)的比较

API规范、ABS规范、DNV规范三者对系泊分析的规定接近。使用ABS/DNV规范进行系泊分析时，通常采用风浪流条件极值进行系泊设计。而使用BV规范，参考以往的设计案例，常采用风浪流方向极值进行系泊设计。因此，参考以往的设计惯例，同时考虑规范中要求考虑波浪周期的敏感性，且小周期为系泊分析控制工况，本节计算了根据BV规范选取的90%Tp下的风浪流工况以及根据DNV/ABS规范选取的90%Tp下的风浪流工况。BV采用的是风浪流方向极值，DNV/ABS采用的是风浪流条件极值。Tp减小为90%初始值时，Hs保持不变。DNV考虑(0,0,0)和(0,30,45)的风浪流夹角，ABS采用(0,0,0)(0,30,90)和(0,30,45)，同时，在DNV/ABS规范工况选取上，依据API RP 2SK选取了百年一遇风最大、流最大、浪最大3种风浪流组合。

本文所有计算均基于一个工况计算30个种子进行，30个种子的结果根据规范要求处理后形成一个工况下的最终结果。

计算结果见表7。由表7可见，采用DNV/ABS的计算结果小于BV计算结果，后者结果是前者的1.1～1.2倍。根据ABS/DNV规范的传统工况取法，系泊力计算结果小于BV规范规定工况的计算结果。

表7 ABS/DNV(条件极值)和BV(方向极值)的 系泊分析结果比较

2.3 ABS/DNV(方向极值)和BV(方向极值)的比较

由于2.2中ABS/DNV规范选取的工况采用的是条件极值，BV规范工况采用的方向极值，而条件极值下波浪周期为13～14 s，方向极值下波浪周期为11～14 s。本节探讨是否由于波浪周期的差别导致2.2中计算结果的差异。

为此，本节均采用90%Tp、Hs不变的方向极值环境条件(见表2)，根据3个规范规定生成风浪流计算工况，进行压载工况的系泊计算。

计算结果见表8，在都采取方向极值后，3种规范工况的系泊力计算结果相当。ABS/DNV计算工况中采取的波浪周期变小后，系泊力变大。基于ABS规范规定的计算工况下的最大的几个系泊力分析结果，发现系泊力最大时的计算工况，均为周期小的风浪流组合，说明波浪周期变小。尽管波高变小，但是仍然导致系泊力增加。ABS、DNV工况的计算结果甚至比BV计算工况的系泊力略大一些，这是由于ABS/DNV规范中虽然角度组合比BV船级社少一些，但不需要对风浪流进行折减的缘故。

表8 ABS/DNV(方向极值)和BV(方向极值)的 系泊力分析结果比较

QTF的计算结果(见图4)表明水平力11～12 s周期下的力大于13～14 s下的力，这也从一定程度上解释了周期小的波浪工况反而系泊力更大的原因。事实上，12 s对于系泊系统来说，也是一个关键的周期参数。

上述分析结果也表明，在过去的计算中，有时候从保守角度考虑，采用条件极值而不是方向极值进行计算，反而漏掉了系泊力更大的结果。方向极值是更真实精确的环境数据，尽管会导致更危险的计算工况，但它才是系泊分析时更应该采用的环境数据。

2.4 ABS/DNV(Hs,Tp包络线)和BV(Hs不变)的比较

2012年版的BV NR 493中明确规定，进行系泊设计时需要考虑波浪周期的敏感性。当使用Hs-Tp包络线进行Hs,Tp选取时，需考虑15%Tp变化范围内的Tp,Hs组合；当在10%Tp变化范围内时(90%Tp-110%Tp)，Hs不变；当在15%Tp～10%Tp变化范围内时(85%Tp-90%Tp,110%Tp～115%Tp)，Hs可以选取Hs-Tp包络线上的点。在以往系泊系统设计时，也往往直接考虑Tp的敏感性变化，Hs不变。

而最新版的DNV-OS-E301则规定：在任何Tp变化范围内，均直接在Hs、Tp包络线取Hs的值。事实上，从环境条件的角度，如Tp变化时，Hs不变，也是相当于选取了更高重现期的Tp、Hs点，是不合理的选取方法。如图3所示，在使用百年一遇环境条件进行系泊分析时，如考虑Tp敏感性变化，选取90%Tp对应的Hs时，Hs不变，那么对应的Hs、Tp实际上是属于200年一遇或者更高重现期Tp-Hs包络线下的点。如果该系泊系统要求按照百年一遇设计，采用90%Tp-Hs不变的环境条件进行设计时，该系泊系统实际是根据更高的200年一遇或者其他更高重现期的环境条件进行设计，从而导致增加系泊系统的投资，引起不必要的投资。

根据上述两种Tp、Hs取法，生成两组风浪流计算工况，均采用90%Tp的环境条件，针对压载工况进行计算。一组仍然为根据BV规范工况生成的百年一遇重现期90%Tp、Hs不变的工况，另一组为根据ABS/DNV规范规定生成的工况，Tp在85%Tp～100%Tp之间变化，Hs在Hs-Tp包络线上取值，对应的环境数据见表9。Hs和BV规范工况中的Hs相比，有所降低。

表9 Hs-Tp包络线上取值

基于上述计算工况，计算结果见表10，在Hs-Tp包络线上取不同的点进行Tp的敏感性分析，发现系泊力变化不大，均在6 000 kN左右，位移在40 m左右，小于“Tp减小，Hs不变”的计算工况。即BV的计算结果大于ABS/DNV计算结果2 000 kN。造成这种差异的原因，主要是Hs的选取方法不同。因此，鉴于Hs对系泊力结果的巨大影响，建议根据最新版的DNV-OS-E301进行Tp敏感性计算时，在Hs-Tp包络线上取点，以更精确的设计系泊系统。

表10 ABS/DNV(Hs,Tp包络线)和BV(Hs不变)的 系泊力结果比较

4 结论

1)如均采用方向极值的环境条件和相同Hs、Tp的选取方法，ABS/DNV/BV 3家规范规定的工况，会产生非常接近的系泊力计算结果。因此，3家规范规定的工况除了复杂程度有差别之外，本质上是相同的，在进行系泊系统设计时，不会带来本质差别。

2)ABS/DNV(条件极值)和BV(方向极值)的比较，ABS/DNV(Hs,Tp包络线)和BV(Hs不变)的比较均表明，ABS/DNV和BV的系泊力结果差异较大。差异的本质原因为“不同规范对考虑Tp敏感性时的Hs选取方法的规定”以及“不同规范对使用方向极值还是条件极值的习惯做法”。考虑10%Tp、Hs不变或者Hs选取CONTOUR上的点，对计算结果影响较大，10%Tp、Hs不变倾向于更保守的结果。同时，Tp变小导致更大的系泊力，方向极值和条件极值相比，会导致更大的系泊力。

3)在低油价的市场背景下，在保证海上设施安全性的前提下，降本增效是海上设施设计工作的重中之重。建议未来FPSO的单点系泊系统设计工作，采取方向极值进行设计，同时在考虑Tp敏感性时，Hs选取Hs-Tp包络线的点，实现科学安全的降低系泊系统的投资，降低海上安装对安装船舶的要求，降低海上投资。

[1] 赵晶瑞，谢彬.深水半张紧系泊系统设计研究[J].舰船科学技术，2015,37(12)：48-53.

[2] 曾丽华.单点系泊下船舶的运动科学模型[J].舰船科学技术，2015,37(2)：116-119.

[3] 蔡元浪，杨小龙，李俊汲，等.浅水塔架式单点系泊系统低频响应实验研究[J].船舶工程，2015,37(2)：81-84.

[4] BV NR493. Classification of mooring systems for permanent offshore units[S].2012.

[5] ABS. Guide for building and classing floating production installations[S].2009.

[6] API RP 2SK. Recommended practice for design and analysis of station keeping systems for floating structures[S].2005.

[7] DNV OS E301, Position mooring[S].2015.

Influence of Rules and Design Loading Conditions upon the Design of Single Mooring System

YI Cong, LI Da, ZHAO Jing-rui, XIE Bo-tao, BAI Xue-ping

(CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Taking a single mooring system of FPSO as example, considering different wind, wave and current combinations in rules, the hydrodynamic analysis in frequency domain and mooring system analysis in time domain were conducted to get the detail results of mooring forces. It could be concluded that different rules of ship classification society lead to similar results based on same Hs and Tp. It is more reliable and scientific to use the directional extreme wave value instead of the main extreme environmental value and conditional extreme environmental value.

FPSO; single mooring system; design conditions

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.022

2016-07-17

易丛(1982—)，女，硕士，高级工程师

U675.92

A

1671-7953(2017)02-0093-05

修回日期：2016-09-06

研究方向:浮托安装、FPSO浮体性能