八角形FPSO与穿梭油轮串靠外输中碰撞风险分析

唐友刚，肖泥土，陈勃任，何 鑫，王泳辉

(1. 天津大学 建筑工程学院水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072; 2. 烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

八角形FPSO与穿梭油轮串靠外输中碰撞风险分析

唐友刚1，肖泥土1，陈勃任1，何 鑫1，王泳辉2

(1. 天津大学 建筑工程学院水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072; 2. 烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

针对300 m作业水深下的八角形FPSO，提出采用穿梭油轮串靠的外输作业方案，研究外输过程中穿梭油轮与FPSO之间由于过分纵荡运动而引起的碰撞风险发生概率。建立由八角形FPSO及其系泊系统、穿梭油轮、系泊大缆等组成的浮式多体系统分析模型，在外输海况条件下，得到穿梭油轮与FPSO间距的时历曲线，结合极值理论，对过分纵荡运动进行预报，进而对外输系统的碰撞风险进行分析；揭示海流的方向变化对于外输系统碰撞风险的影响规律。

串靠外输；八角形FPSO；极值分布；碰撞风险

Abstract: A tandem offloading scheme is proposed for octagonal FPSO in 300 m of working depth. This paper focuses on studying the collision risk probability due to extent surge motion between FPSO and shuttle tank. The floating multi-body system which consists of FPSO and its mooring system, shuttle tanker, hawser etc. is set up for analysis. Based on the calculated time history curve and extreme value theory, the collision risk prediction of the offloading system is carried out which reveals the rule of the influence caused by different current direction.

Keywords: tandem offloading; octagon FPSO; extreme value distribution; collision risk

针对浅水小型油田和边际油田的开发，范模[1]提出了八角形FPSO结构形式，其各向环境力基本相同，更有利于采用多点系泊系统，相比于船型FPSO采用的单点系统，可以大大降低系泊系统的复杂性和造价。近年来的研究工作，主要集中在八角形FPSO的外形、水动力和运动响应的研究，而对于此类结构输油方式和输油过程的碰撞风险研究较少。

国内外学者对于船型FPSO串靠外输也展开了一系列的研究。Morandini C等人提出了FPSO串靠外输过程中的设计状态和安全准则等[2]；孙海等根据最弱失效模式组理论对FPSO外输中的断缆可靠性进行了计算，得出FPSO系泊系统和大缆的可靠性指标，表明在双缆的配置下外输可靠性明显提高[3]；首尔国立大学的DONG H Lee等人针对串靠系统，进行了稳定性等研究，揭示了油轮鱼尾运动的极限环机理，发现海流与风的速度比对于鱼尾运动影响明显，而缆长对其影响不大[4]；赵文华等研究了与FPSO类似的FLNG串靠外输系统的设计问题，结果表明外输间距及FLNG与LNG船之间的连接方式都对外输操作的安全性和稳定性有显著影响[5]。

FPSO作为油气生产、加工、储存的综合系统，一旦发生碰撞、火灾甚至爆炸事故会引起严重的生命、环境、财产等方面的损失。2015年2月，巴西国油的“Cidade de Sao Mateus”号FPSO由于天然气泄漏而发生爆炸，造成至少9人死亡与失踪，另有多人受伤[6]。根据IMCA(International Marine Contractors Association)的统计数据[7]，记录的98 500次海上原油外输作业中，发生过分纵荡运动(穿梭油轮向前偏移)的事件162起，引发碰撞事故的7起。对于外输状态的FPSO，其与穿梭油轮、连接大缆等组成一个复杂的多体动态系统，如果发生碰撞事故，会造成严重的人员伤亡、环境污染和经济损失。八角形FPSO作为新的结构形式，有必要对其外输碰撞风险进行研究。本文考虑300 m作业水深的八角形FPSO，针对串靠外输方案，建立了八角形FPSO、大缆及穿梭油轮多体系统耦合的分析模型，通过耦合动力响应分析，得到穿梭油轮与FPSO的外输间距时历数据，结合极值理论对其外输过程中可能发生的碰撞风险进行评估。

1 外输系统描述

如图1所示，在八角形FPSO主甲板的一边上设置用于外输连接的系泊大缆(hawser)和输油软管(hose)的接头。大缆连接处允许其发生左右约90°的旋转，以适应不同的环境载荷方向。在穿梭油轮的尾部，辅以限位拖轮以保证外输操作的安全进行。在主外输作业区的对称位置设置副外输作业区，以保证在反向的环境条件下外输工作也能顺利实施。

图1 八角形FPSO串靠外输布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

名称数值主甲板尺度/m71×71平台尺度/m65×65型深/m29．0满载吃水/m17．0排水量/t61000压载吃水/m10．5排水量/t38300

采用ANSYS分别对八角形FPSO和穿梭油轮(tanker)建立几何模型(geometry model)，并导出用于AQWA进行水动力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的结构主要参数见表1，穿梭油轮的满载排水量为44 430 t，压载排水量为26 120 t。

八角形FPSO采用多点系泊的方式进行定位。在300 m水深，采用3组系泊缆，每组4根的多点系泊方式，每组间隔120°，组内每根系缆间隔5°。每根系泊线由三段组成，靠近FPSO的上端采用150 m长的R4级无档锚链，中间采用900 m的钢缆，下端采用550 m长的R4级无档锚链，预张力为150 t，具体系泊系统参数见表2。进行外输时，FPSO和穿梭油轮通过大缆连接，大缆的主要参数见表3。

表2 FPSO锚链系泊参数(预张力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring (pretension=150 t)

表3 大缆参数Tab. 3 Parameters of hawser

2 极值理论

设{x1,x2,…,xn}为满足独立同分布F(x)的随机变量序列，xM=max(x1,x2,…,xn)为其最大值随机变量，概率分布为F(x)n。当n→时，F(x)n趋于其渐近分布FM(x)。根据经典极值理论，FM(x)可以对应极值I型(Gumbel)、极值II型(Frechet)和极值III型(Weibull)分布[8]。

对于建立的多体耦合动力分析模型，采用不同的随机种子以生成不同的波高时域历程，模拟得到FPSO与穿梭油轮间距和连接大缆张力的时程曲线，统计其参数极值。假设浮体最小间距和大缆最大载荷服从极值I型分布。其分布函数和概率密度函数见式(1)和式(2)：

式中：μ表示位置参数(location parameter),λ表示尺度参数(scale parameter)。采用矩法[9]对其进行参数估计，极值变量的均值和方差分别为：

基于以上极值变量随机分布理论，可对油轮运动和系泊张力进行概率计算分析。

3 数值计算

通过AQWA-DRIFT模块对FPSO外输系统的输油过程进行时域系泊分析。分析中，计算两种典型装载工况：“FPSO满载-穿梭油轮压载”和“FPSO压载-穿梭油轮满载”；采用定常大小的力模拟穿梭油轮船尾限位拖轮的系柱拖力，取值20 t。时域分析模拟时长3小时，时间步长取0.2 s。确定外输操作环境条件如表5所示，取风浪流同向(-135°)进行计算分析。在FPSO满载工况下，计算得到两浮体的纵荡、横荡时程曲线及对应的大缆时程曲线，如图2所示。由于FPSO的三点分布式系泊布置关于外输时的-135°并不对称且外输导缆孔的位置也不在甲板边的正中间，导致纵荡与横荡结果有一些差距。采用10个不同的随机种子(Seed)，对得到的FPSO和穿梭油轮的运动时历数据处理得到二者间距l的时历曲线，统计出每条曲线的最小值，即得到极值样本。

连接FPSO与穿梭油轮之间的外输大缆长度为80 m，参考船型FPSO的外输安全距离以及西江油田终端规则[7]，定义过分纵荡运动为二者最小间距60 m。当达到过分纵荡距离时，由于油轮的操纵反应时间以及海上环境参数突变性等因素，FPSO与穿梭油轮可能发生碰撞事故。

表5 外输环境条件Tab. 5 Environmental condition of offloading

图2 外输时域历程曲线Fig. 2 Time series for offloading

图3 主外输方向相对纵荡运动计算结果Fig. 3 Results of excessive relative surge motion for mainly offloading direction

4 结果分析

4.1主外输稳定性

考虑风浪流环境载荷同向，并在小角度范围(±15°)内变化，计算得到的外输最小间距统计结果见图3，其中，“工况一”表示FPSO满载状态+穿梭油轮压载状态，“工况二”表示FPSO压载状态+穿梭油轮满载状态。

根据矩法，对图5中数据进行极值I型分布拟合，得到的参数估计结果以及过分纵荡运动概率如表6所示。可以看出，当穿梭油轮处于压载状态时，外输间距达到过分纵荡的概率要小于满载的穿梭油轮状态，系统相对稳定；环境载荷方向偏向-15°时，会增大过分纵荡运动出现的可能性，而±15°两个方向出现的不对称性是由于FPSO的三组系缆相对于外输方向是不对称的。整体而言，外输过程中出现过分纵荡的概率较小，系统是安全稳定的。

表6 过分纵荡运动概率Tab. 6 Probability for excessive relative surge motion

4.2海流方向影响分析

图4 海流方向影响分析示意Fig. 4 Diagram for influence of current direction

南海海域由于环境条件的复杂性，极易出现海流与风浪不同向的情况，通常称为“乱流”现象。如图4所示，本文分析海流与风浪夹角分别为0°、10°、30°和90°四种情况下外输过程中穿梭油轮出现过分纵荡运动的概率大小。从表7可以看出，对于工况一而言，海流方向的改变使过分纵荡运动出现的概率有所降低；对于工况二，海流方向的改变使过分纵荡运动出现的概率增大。由4.1的分析可以知道，外输系统在穿梭油轮压载时(工况一)是相对稳定的，从工况一到工况二对应原油从FPSO中输送到穿梭油轮上的过程，因此海流方向对于外输系统的影响体现在：输油开始时，海流方向的改变有利于系统稳定性，减小穿梭油轮过分纵荡运动的出现；而随着外输操作的进行，海流方向的变化会不利于系统稳定性，增大穿梭油轮过分纵荡运动出现的概率。该结论与Carlos H Fucatu[10]等人对船型FPSO串靠外输的海流影响结论类似。

在实际外输操作过程中，可以通过监控实时海流方向，对外输操作进行干预：调整穿梭油轮尾部辅助拖轮的拖带力大小或方向，使系统更加趋于稳定，当出现海流方向突变或者流速突变时，为防意外发生可以适时终止外输操作。

表7 随海流方向变化的概率值 %Tab. 7 Probability changes with current directions %

5 结 语

通过采用多体耦合动态时域分析法，结合极值理论对于八角形FPSO串靠外输过程中穿梭油轮的过分纵荡运动进行了合理预报。主要研究结论如下：

1)从出现过分纵荡运动的概率量级上可以看出，外输中FPSO与穿梭油轮间距小于60 m的概率是极小的，碰撞风险是极小概率事件，这也印证了串靠系统的安全性与可靠性；

2)串靠外输过程中，穿梭油轮压载状态下过分纵荡运动出现的概率要明显小于满载状态，说明随着外输的进行，由FPSO、穿梭油轮、连接大缆和辅助拖轮组成的多体系统稳定性降低，油轮出现过分纵荡运动的概率增加；

3)穿梭油轮压载时，波浪与海流同向，使得过分纵荡运动出现的可能性增加，不利于系统安全；穿梭油轮满载时，波浪与海流同向则会降低过分纵荡运动出现的概率，有利于外输作业。在流速和波浪参数不变情况，压载情况油轮质量减小所以纵荡运动增加。实际外输操作中应当关注压载外输作业。

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Risk analysis of collision for octagonal FPSO in tandem offloading operation

TANG Yougang1, XIAO Nitu1, CHEN Boren1, HE Xin1, WANG Yonghui2

(1. School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Yantai CIMC Raffles Offshore Co.Ltd, Yantai 264000, China)

1005-9865(2017)02-0007-06

U661.43

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.002

2016-01-26

国家工业与信息化部资助项目(G014614002)

唐友刚(1952-), 男, 河北保定人, 博士, 教授, 博导, 主要研究船舶与海洋工程结构风险分析。 E-mail:tangyougang_td@163.com