软刚臂单点系泊系统环境参数敏感性分析

白雪平， 王忠畅， 李 达， 易 丛， 唐友刚

(1. 中海油研究总院，北京 100028； 2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072)

软刚臂单点系泊系统环境参数敏感性分析

白雪平1， 王忠畅1， 李 达1， 易 丛1， 唐友刚2

(1. 中海油研究总院，北京 100028； 2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072)

以我国渤海“海洋石油113”浮式生产储卸装置(FPSO)的软刚臂单点系泊系统为例，研究软刚臂单点系泊系统受作业海域环境参数影响的敏感性。主要从风速、流速、波高、波浪周期、谱峰因子等环境参数的变化，通过分析确定了FPSO的运动和单点系泊系统的动力响应对于环境参数的敏感程度。

单点系泊系统；软刚臂；环境参数；敏感性分析

0 引 言

浮式生产储卸装置(FPSO)是全海式油田开发的重要设施，作业应用范围可覆盖从浅水到深水。软刚臂式单点系统是浅水FPSO的重要系泊方式，目前我国渤海已有7艘FPSO采用软刚臂单点系泊定位，主要分为水上和水下两种形式。近年来，多个渤海海域单点系泊系统陆续发生一些故障问题，给油田安全生产和经济性带来很大影响。对于特定海域长期作业的FPSO，其受到的环境载荷处在不断的变化中，研究单点系泊系统的受力性能随环境条件的变化规律，确定系泊载荷受不同环境参数的影响程度，对于确定软刚臂单点系泊FPSO的设计环境条件，预测作业状态下软刚臂系泊系统可能受到的最大载荷，具有十分重要的意义。

本文建立FPSO和单点系泊系统的全耦合有限元模型，根据商业软件计算FPSO水动力结果，分析得出FPSO在风、浪、流联合作用下的运动及受力动力响应特性[1]。

1 分析基础

1.1 系泊系统及FPSO主尺度参数

“海洋石油113”号FPSO位于渤中25-1油田，载重量约为16万吨，其作业水深为17.9m，设计寿命是25年。FPSO主要参数如表1所示，其作业情况如图1所示。

图1 FPSO及单点系泊系统示意图Fig.1 FPSO and single point mooring system

项目满载时取值项目满载时取值总长LOA/m287.9型深D/m20.6垂线间长LPP/m282吃水T/m14.5型宽B/m51排水量Δ/t200783

1.2 全耦合有限元模型的建立

软刚臂系泊系统(SYMS)由软刚臂及系泊腿组成，其提供作业时所需的回复力，主尺度和坐标系统定义如图2所示。以静水面为基准，软刚臂系泊系统各参数值为： 塔架系泊点高度为27m，系泊刚架高度为37m，系泊腿长度为21m，软刚臂长度为40m，压载舱重量为1300t，整个软刚臂重量为1850t。

图2 软刚臂及系泊腿的主要尺度Fig.2 Main dimensions of the yoke and pendent

对于软刚臂单点系泊系统，一般来说简化为非线性刚度弹簧来研究FPSO的动力响应，而这种方法依然很难模拟系泊机构的实际受力特性[2—3]。本文考虑FPSO与软刚臂之间的耦合，用ANSYS GUI建立全船及系泊刚架的多体耦合有限元模型，导入AQWA DRIFT中进行水动力及时域响应计算[4]。FPSO及系泊刚架的有限元模型如图3所示。

图3 软刚臂单点系泊FPSO全耦合有限元模型Fig.3 Completely-coupled model of the FPSO and SYSM

根据对软刚臂单点系泊系统的研究及机械结构原理，在多体耦合分析模型中，FPSO及船首系泊刚架组成一个结构，左右两侧系泊腿为两个结构，上端与船首系泊刚架间的双轴铰连接，需释放横摇、纵摇两个自由度的约束；下端与软刚臂间三轴铰连接，释放3个转动自由度的约束；软刚臂与转塔连接点处释放3个转动自由度的约束[5]。

2 环境参数敏感性分析

2.1 系泊系统受力分析

系泊系统的受力分析选取两种典型的海洋环境工况(见表2)，分别考虑了风浪流不同向与同向两种工况。表中各环境参数的角度规定为： 在全局坐标系下，风、浪、流皆以x轴正向(入射方向为船尾指向船首)为0°，逆时针转动为正，y轴正向(入射方向指向右舷)所指角度为90°。

通过对FPSO和软刚臂多体耦合分析，塔架系泊点处软刚臂坐标系下三个方向的载荷(即单点主轴承受力)Fx、Fy、Fz以及两侧系泊腿轴力Pt的最大值，计算结果如表3所示。

表2 该海域作业环境条件Table 2 Ocean environment conditions

表3 软刚臂单点系泊系统动力响应结果Table 3 Dynamic responses of the SYMS t

软刚臂单点系泊系统的作用体现在通过机构将压载舱的重力转化为系泊系统的回复力。根据文中系泊系统的形式及计算结果可以看出，压载舱重力主要由系泊腿承受，小部分由塔架系泊点z方向承受，因此，Pt可作为衡量系泊系统垂向受力的主要参数。系泊机构所转化的水平回复力主要由单点处x、y的系泊载荷承受，从计算结果可以看出，由于系泊系统风标作用，x方向的载荷要远大于y方向的系泊载荷，因此，Fx可作为衡量系泊系统横向载荷的主要参数。在本文所选取的两种计算工况中，风、浪、流同向时，结构近似于纵荡方向的单自由度运动；当风浪流不同向时，更能反映其复杂海况下的耦合动力响应，是更具有代表性的环境工况。因此，仅选取工况1中Fx、Pt两项作为参考物理量对单点系泊系统各项参数进行敏感性分析。

2.2 参数敏感性分析

本文针对环境参数的影响，选取风速、流速、有义波高、谱峰周期、谱峰因子这5个环境参数分别进行敏感性分析，研究各参数变化对单点系泊FPSO受力的影响。分析原则是考虑其中一个参数变化，其他4个参数不变，且参数分别变化约为±20%、 ±10%时进行系泊系统受力分析，寻求系泊系统载荷随各参数变化的规律。

(1) 风速。根据敏感性分析原则，选取5种大小不同的风速，系泊系统载荷Fx、Pt随风速变化的曲线如图4所示。结果表明，系泊系统载荷Fx、Pt随风速的增大逐渐增大，系泊腿轴力增幅不大，而塔架系泊点处载荷Fx增幅较为明显。原因在于，随着风速的增大，FPSO的所受到的风载荷作用逐渐增大，为平衡风载荷的作用，系泊系统载荷也随之逐渐增大。

图4 Fx、 Pt随风速变化的曲线Fig.4 Behavior of Fx and Pt versus wind speed

(2) 流速。在流速敏感性分析中，选取5种不同大小的流速大小，系泊系统载荷Fx、Pt随流速变化的曲线如图5所示。结果表明，系泊系统载荷Fx、Pt随流速增大呈现缓慢增加的趋势。可见，由于流速的增大，FPSO所受流载荷作用逐渐增大，为与流载荷的作用平衡，系泊系统载荷也随之增大。

图5 Fx、 Pt随流速变化的曲线Fig.5 Behavior of Fx and Pt versus current speed

(3) 波高。在波高敏感性分析中，选取5种不同大小的有义波高，其对应的波浪能量依次为1.198、 1.486、 1.804、 2.154、 2.535，如图6所示。系泊系统载荷Fx、Pt随波高的变化曲线如图7所示，结果表明，系泊系统载荷Fx、Pt随波高增加逐渐增大，且增大趋势比较明显。

图6 不同波高对应的波浪谱密度函数Fig.6 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various wave height

图7 Fx、 Pt随有义波高变化曲线Fig.7 Behavior of Fx and Pt versus wave height

(4) 谱峰周期。在谱峰周期敏感性分析中，选取了5个不同大小的谱峰周期，其对应的波浪能量依次为1.754、 1.782、 1.804、 1.816、 1.814。各谱峰周期对应的波浪谱如图8所示，系泊系统载荷Fx、Pt随波高的变化曲线如图9所示。结果表明，随着谱峰周期的增加，系泊系统载荷Fx、Pt明显增大，且增大速率越来越快。随着谱峰周期的增加，尤其是接近FPSO固有周期，系泊系统载荷将增大。

图8 不同波浪周期对应的谱密度函数Fig.8 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various wave period

图9 Fx、 Pt随波周期的变化曲线Fig.9 Behavior of Fx and Pt versus wave period

(5) 谱峰因子。在谱峰因子敏感性分析中，依次选取5个不同因子作为分析值，各谱峰因子对应的波浪能量依次为1.792、 1.804、 1.819、 1.834、 1.846，其对应的波浪谱如图10所示，系泊系统载荷Fx、Pt随波高的变化曲线如图11所示。结果表明，系泊系统载荷Fx、Pt随谱峰因子的增加均呈现出先增大后减小的趋势；但整体变化不大。本文计算的软刚臂单点系泊FPSO，当谱峰因子介于1.3～2.3时，波浪能量的增加对系泊系统的影响较大，系泊系统载荷略有增大；当谱峰因子介于2.3～3.3时，波浪能量向谱峰周期的聚集对系泊系统载荷的影响较大，系泊系统载荷略有减小；但总体来说，谱峰因子对单点系泊系统载荷的影响不大。

图10 不同波高对应的波浪谱密度函数Fig.10 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various spectral peak factor

图11 Fx、 Pt随流速的变化曲线Fig.11 Behavior of Fx and Pt versus spectral peak factor

2.3 环境参数敏感性对比

为研究不同参数对软刚臂单点系泊系统载荷(Fx、Pt)影响程度的大小，须计算各参数在一定变化范围内的敏感度。通过对敏感度的大小进行排序，确定单点系泊系统各物理量对不同环境参数的敏感性大小。根据统计分析结果，单点系统受力对环境参数的敏感度结果如图12、图13所示。

图12 参数变化10%环境参数的敏感度Fig.12 Sensitivity of different environment parameters in range of 10%

图13 参数变化20%环境参数的敏感度Fig.13 Sensitivity of different environment parameters in range of 20%

根据敏感度分析的结果可以看出：

(1) 对于所选取的风速、流速、波高、谱峰周期、谱峰因子等5个环境参数，变化大小分别为10%和20%时，单点x方向的载荷Fx对环境参数变化的敏感性要远大于系泊腿轴力Pt对于环境参数的敏感性。

(2) 以单点载荷Fx为参考物理量，在环境参数变化大小分别为10%和20%时，Fx对各环境参数的敏感度由大到小排序为： 波高>谱峰周期>风速>流速>谱峰因子。

(3) 综合考虑Fx对不同环境参数的敏感性可知，对于软刚臂单点系泊系统而言，波高、谱峰周期的增大，既增加了系泊系统所受的定常力，又会对波频运动有所影响，导致单点载荷对波高和谱峰周期的变化最为敏感；风速、流速的增加，仅增加了系泊系统所受定常力，单点受这两个参数变化的影响次之；谱峰因子的变化仅对波浪谱和波浪能量产生很小的影响，其变化对单点统载荷的影响也是最小的。

3 结 语

本文通过建立FPSO和单点系泊系统的多体耦合模型，分析了两种作业工况下软刚臂单点系泊FPSO的受力分析，全面分析了风速、流速、有义波高、谱峰周期以及谱峰因子等环境参数变化对软刚臂单点系泊FPSO动力响应性能的影响。综合本文的分析，对软刚臂单点系泊设计提供以下几个方面的建议：

(1) 在各环境参数变化范围相同时，系泊系统载荷受波高和谱峰周期这两个参数变化的影响最大，受风速和流速变化的影响次之，受谱峰因子变化的影响最小。在软刚臂单点系泊系统设计阶段考虑FPSO所受环境载荷时，应尤其注意使FPSO的固有振动周期远离其所在海域的波浪谱峰周期。

(2) 随着风速、流速、波高的增加，单点系统载荷逐渐增大，在设计阶段选取环境载荷时，仅需对最大风速、流速、波高进行方向组合，作为单点系泊系统的设计环境载荷，即可达到安全的设计要求。

(3) 随着谱峰因子的增加，波浪谱从窄带谱向宽带谱过渡，系泊系统载荷并非单调变化，而是存在极大值；但总体来说，单点系泊系统载荷受谱峰因子变化的影响较小，在设计阶段选取环境载荷时可最后考虑该参数的影响。

[1] 刘成义，唐友刚，李焱，等.浅水单点系泊FPSO软刚臂参数敏感性分析[J].中国舰船研究,2014(5)： 69.

[2] Guo B, Xiao L, Yang J. Analysis on motions and green water of FPSOs in shallow water with non-collinear environments [C]. Proceedings of the ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2010： 419.

[3] Phadke A C, Liao S, Chen D. Assessment of SYMS survival limit for “Pengbo” FPSO during installation[C]. Proceedings of the ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2010： 541.

[4] 刘成义，唐友刚，李焱.水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响[J].海洋工程,2016,34(1)： 25.

[5] 秦尧.软刚臂单点系泊FPSO动力响应特性研究[D].天津： 天津大学，2013.

SensitivityAnalysisofEnvironmentParametersforSoftYokeMooringSystem

BAI Xue-ping1，WANG Zhong-chang1，LI Da1，YI Cong1，TANG You-gang2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China；2.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniveristy,Tianjin300072,China)

Based on the soft yoke mooring system (SYMS) of “HYSY113” operating in the Bohai Bay, the sensitivity analysis of environment conditions for SYMS is analyzed. The main environment parameters are wind speed, current speed, wave height, significant wave spectra period and wave spectra factor. With the dynamic response results of the soft yoke system, the main environment parameters are proposed for the design of SYMS.

single point mooring system; soft yoke; environment parameters; sensitivity analysis

P751

A

2095-7297(2017)02-0096-06

2017-02-06

白雪平(1986—)，女，高级工程师，主要从事浮托安装、运动性能计算和浮式生产储卸装置(FPSO)设计等方面的研究。