张紧式系泊深水FPSO的动力特性及系泊布置方式研究

张　婧，邵　龙，吴　洵，闫　岩

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0　引　言

随着深水勘探技术的不断发展，深海石油开发步伐日益加快，近十几年全球大型油气田勘探实践表明：陆上油气资源已日渐枯竭，60%～70%新增石油储量均源于海洋，其中又有一半是在水深500 m以上的深海区域。在海洋石油开发向深水、恶劣海况地区及边际油田进军的大趋势下，固定式平台变得不适宜生产运作，采用浮式生产储油装置(FPSO)则是最好的选择。FPSO具有机动性和运移性好、抗风浪能力强、生产和储存能力大等特点，因而适合深水采油[1]。海上结构通常采用系泊系统或动力定位等技术使平台固定于某一区域作业；考虑经济因素，目前最普遍的还是系泊系统。系泊系统定位主要有两种方式：悬链线系泊系统和张紧式系泊系统。对于深水浮式平台，恶劣的风浪流环境，传统悬链线系泊系统已无法满足工程要求[2]。近年来新型张紧式系泊系统(taut wire mooring system)在深水应用中表现出越来越多的优越性。

对张紧式系泊系统，目前工程应用并不多，究其原因为其复杂的特性，如动刚度特性、张紧-松弛特性、蠕变和应力松弛特性、疲劳破坏特性等[3-7]。目前国内涉及张紧式系泊的研究主要集中于深水半潜式海洋平台的张紧式系泊系统[8]。半潜式平台一般采用多点系泊方式定位，当遭遇强风浪流环境时，平台在有效控制自身运动的同时，张紧式系泊缆张力将会非常大，这对系泊缆材料提出较高地要求。708所近期开展了单点系泊FLNG-FPSO系泊系统设计，该系统为悬链式[9]，事实上张紧式系泊系统定位优势明显，且其张力不会特别大，因此具有很好的应用前景。

笔者基于南海海域恶劣的海况，以深水单点系泊FPSO为对象，研究了张紧式系泊系统平台运动响应及系缆张力动响应规律，并对不同张紧式系泊系统布置方案进行探讨，为南海FPSO设计和布置提供参考。

1　基本理论

对FPSO这类海上浮式结构物，主要考虑在风浪流载荷作用下，其主体结构与系泊系统的耦合运动，并建立相应的非线性运动及动力方程，其中需考虑浮式结构物及其附属系泊系统的附加质量、非线性阻尼和恢复力的相互作用。

对上述非线性运动过程进行求解分析，通常将运动分解为由1阶波浪力(波频部分)和2阶波浪力(低频部分)两部分。借助Cummins理论，根据三维势流理论[10]计算得到频域下波浪力传递函数、附加质量、附加阻尼、幅值响应算子等水动力参数，并通过傅里叶变换进行时域分析。

其波频运动方程如式(1)：

(1)

式中：K为延时函数矩阵；M为质量矩阵；μ为附加质量；C为恢复力矩阵；Fmoor为系泊力；Fwave(1)为1阶波浪力。

其低频运动方程[11]如式(2)：

(2)

2　不同系泊方式对FPSO的影响

2.1　FPSO及环境参数

笔者针对一艘2×105吨级的单点系泊FPSO在作业水深为1 500 m海域下满载工况进行时域动力响应分析。船体主尺度如表1。以南海百年一遇的风浪流参数作为环境条件，波浪采用JONSWAP谱，具体参数如表2。表2中风浪流角度通过比较计算得到，该角度下FPSO响应和系泊缆张力最大[12]。

表1　FPSO主要参数Table 1　Main parameters of FPSO

表2　环境条件Table 2　Environment condition

2.2　系泊系统模型

以水深1 500 m作为作业水深，采用悬链线和张紧式这两种不同的系泊方式，如图1。悬链线式系缆采用3段式系缆，靠近船体和靠近海底段为钢链，中间段为钢缆；张紧式系缆同样采用3段式系缆，靠近船体和靠近海底段为钢链，中间段为纤维系缆；两种系泊方式都采用3×3的组式布置，具体参数如表3[11]。

图1　两种系泊系统形式Fig. 1　Two types of mooring system

表3　张紧式和悬链式系泊系统系缆参数Table 3　Mooring parameters of taut mooring system and catenaries mooring system

2.3　两种方式对FPSO水动力性能影响

图2为两种方式下FPSO的6自由度运动响应对比。由图2可看出：在低频响应中，采用张紧式系泊系统下的FPSO纵荡响应最大值比悬链线式小26%，张紧式的艏摇响应最大值比悬链线式小36.4%，而这两种系泊方式的横荡响应相近；在波频响应中，悬链式对应的横摇响应最大值比张紧式增大了37.8%，两者的纵摇和垂荡响应较为接近。

图2　张紧式与悬链式对应FPSO六自由度运动响应对比Fig. 2　Comparison of FPSO six degree of freedom motion response of taut type and catenary type

图3为两种方式的张力对比。由图3可看出：张紧式系泊系统的系缆对应最大张力为悬链式的53%，且张紧式对船体预张力为1 160 kN，而悬链线式则为3 030 kN。这样导致的结果为：① 张紧式系泊系统对应的FPSO运动响应更小；② 张紧式系泊系统系缆长度更小，且中间段可采用质量非常轻的纤维系缆。

图3　张紧式与悬链线式对应的张力对比Fig. 3　Comparison of tension of taut type and catenary type

综上所述，采用张紧式系泊系统能更好地控制FPSO运动响应，对应的系缆张力更小。随着海洋石油开采不断走向深水，这种优势将会得到更为明显体现。所以，笔者针对深水FPSO将采用张紧式系泊方式作为其系泊系统，进一步研究系泊参数对FPSO水动力性能影响。

3　张紧式布置对水动力性能影响

3.1　系缆根数对系泊性能影响

在其他系泊参数诸如系缆长度、系泊半径、系缆材料、内转塔位置都一样的前提下，笔者探讨了系缆根数对FPSO水动力性能的影响。选取系缆根数分别为6、9根这2种情况进行研究，纵荡、横荡时历曲线如图4。由图4可看出：系缆根数对FPSO运动响应有较大影响；当系缆根数由9根减少到6根时，纵荡、横荡响应分别增加了25.1%、38.8%。由此可见：通过增加系缆根数，可很好控制船体的运动响应。

为进一步研究系缆根数对运动响应影响，笔者以纵荡为例，将纵荡响应进行低频(LF)、高频(HF)分解，如图5。从图5可看出：纵荡响应呈现强低频特性，高频部分响应相比于低频部分可以忽略不计；并且随着系缆根数变化，纵荡响应变化主要体现在低频部分，高频部分几乎不变。

图4　不同系缆根数对应的纵、横荡时历曲线Fig. 4　The time history curve of longitudinal and transverse surge with different number of mooring cable

图5　不同系缆根数对应的纵荡低频、高频分解Fig. 5　Low frequency，high frequency decomposition of longitudinal surge with different number of mooring cable

3.2　系缆组式、分式布置对系泊性能影响

在其他系泊参数诸如系缆根数、系缆长度、系泊半径、系缆材料、内转塔位置都一样的前提下，笔者采用组式、分式这2种布置方式，如图6；组式、分式对应纵荡横荡响应对比结果如表4。

图6　组式、分式对应系缆最大张力对比Fig. 6　Comparison of maximum tension of mooring in group and fraction

表4　组式、分式对应纵荡横荡响应对比Table 4　Comparison of motions in longitudinal and transverse surge of group and fraction

由图6、表4可看出：在其他系泊参数均相同前提下，分式布置系缆最大张力稍小；分式布置对应的纵荡响应值与组式布置相近，但横荡响应最大值为组式布置的69.4%。从水动力角度考虑，张紧式系泊系统采用分式布置性能更好，但从现场施工工艺而言，由于海底锚点过于分散，分式布置施工难度也大大增加。

3.3　内转塔位置对系泊性能影响

单点系泊系统对应的FPSO最大的一个特点即是风标效应，与之相关较大的是内转塔距船艏的位置。通过改变不同转塔位置(内转塔距船艏7.3%、15%、20%、25%、30%)，分析转塔位置变化对FPSO水动力性能的影响，结果如表5。不同转塔位置对应系缆最大张力如图7。

由表5可看出：随着内转塔位置不断向船中移动，艏摇响应值急剧变大，即风标效应越来越差；纵荡、横荡响应也相应增大。这是因为艏摇响应值变大，船体更多时间处于横浪、横流的受力状态下，这对船体响应控制是非常不利的。由图7可看出：由于水平响应值增大，系缆张力也不断增大；在内转塔位置往船中方向移动的初期，系缆动力响应值变化不大，与水平运动响应变化趋势保持一致。

表5　不同转塔位置对应水平运动响应统计Table 5　Statistics of horizontal motion response in different turret position

图7　不同转塔位置对应系缆最大张力Fig. 7　Maximum tension of mooring cable in different turret position

3.4　系泊缆与海底夹角对系泊性能影响

考虑到张力腿平台的张紧垂直式(与海底夹角为90°)系泊方式可有效降低平台运动，因此针对单点系泊FPSO，考虑实际情况中立管布置位置，分析了系泊缆与海底之间夹角不同时(25°、30°、35°、40°，如图8)FPSO的水动力性能，其运动响应及系缆张力如表6。

图8　系泊缆与海底夹角示意Fig. 8　Angle diagram between mooring cable and seabed

表6　不同夹角时FPSO的运动响应及张力结果Table 6　FPSO motion response and tension result with different angles

由表6可知：随着夹角增大，纵荡运动呈现减小趋势，由25°时的36.29 m变为40°时的29.80 m，降低了17.9%；相应的横荡运动降低10%。艏摇运动及张力相应呈增大变化，其中系泊缆张力增大了9%。结果表明：系泊缆与海底夹角增大，可有效控制船体的纵荡、横荡运动，但同时增大了系泊缆的张力。

4　结　论

通过对悬链式、张紧式两种系泊系统的深水FPSO水动力响应进行了分析。在此基础上，笔者研究了张紧式系泊系统的相关系泊参数，得出如下结论：

1) 通过对两种系泊系统方式比较可看出：采用张紧式系泊系统能更好控制FPSO运动响应，并且对应的系缆张力更小；

2) 系缆根数对FPSO低频运动响应有较大影响，通过增加系缆根数，可较好地控制船体运动响应；随着系缆根数变化，纵荡响应变化主要体现在低频部分，高频部分响应几乎不变；采用9根系泊缆且分布式布置可更好地控制FPSO响应并减小缆绳张力；

3) 随着内转塔位置不断向船中移动，艏摇响应值急剧变大，纵荡、横荡响应也相应增大；由于水平响应值增大，系缆张力也不断增大。因此，系泊位置定为距船艏为船长15%～20%的位置较为合适；

4) 系泊缆与海底夹角从25°增大到40°，纵荡和横荡运动分别减小20%和15.6%，但缆绳张力增大8%，因此缆绳与海底的夹角应取40°。

参考文献(References)：

[1]李伟峰，史国友，李伟，等.转塔式FPSO单点系泊系统受力计算方法[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2012，31(2)：353-356.

LI Weifeng，SHI Guoyou，LI Wei，et al.Force calculation of turret FPSO single point mooring system[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2012，31(2)：353-356.

[2]童波，杨建民，李欣.深水半潜式平台系泊系统动力特性研究[J].海洋工程，2009，27(1)：1-7.

TONG Bo，YANG Jianming，LI Xin.Comparison and analysis of dynamic effect for mooring system of semi-submerged platform in deep water[J].TheOceanEngineering，2009，27(1)：1-7.

[3]DAVIES P，FRANCOIS M，GROSJEAN F，et al.Synthetic mooring lines for depths to 3000 meters[C]//ProceedingsoftheOffshoreTechnologyConference.Houston，2002.

[4]WIBNER C，VERSAVEL T，MASETTI I.Specifying and testing polyester mooring rope for the Barracuda and Caratinga FPSO deep water mooring systems[C]//ProceedingsoftheOffshoreTechnologyConference.Houston，2003.

[5]CASEY N F，BANFIELD S J.Factors affecting the measurement of axial stiffness of polyester deep water mooring rope under sinusoidal loading[C]//ProceedingsoftheOffshoreTechnologyConference.Houston，2005.

[6]KIM M S.DynamicSimulationofPolyesterMooringLines[D].Houston：Texas A&M University，2004.

[7]DAVIES P，HUARD G，GROSJEAN F，et al.Creep and relaxation of polyester mooring lines[C] //ProceedingsoftheOffshoreTechnologyConference.Houston，2005.

[8]陈鹏，马骏，杨青松.深水半潜平台张紧式系泊系统耦合动力响应研究[J].大连海事大学学报，2013，39(1)：65-69.

CHEN Peng，MA Jun，YANG Qingsong.Coupled-dynamic response investigation of taut-wire mooring system for deep water semi-subermersible platform[J].JournalofDalianMaritimeUniversity，2013，39(1)：65-69.

[9]张鼎，时永鹏，陈忱，等.LNG-FPSO单点系泊系统设计分析研究[J].船舶工程，2016(2)：93-96.

ZHANG Ding，SHI Yongpeng，CHEN Chen，et al.Research on design of LNG-FPSO single point mooring system[J].ShipEngineering，2016(2)：93-96.

[10]ZHANG Liang，LI Hui，MA Yong，et al.A combination mooring system and mooring characteristics study[J].JournalofShipMechanics，2016，20(3)：306-314.

[11]窦培林，朱建，陈刚，等.风浪流成长全过程单点系泊FPSO运动低频响应极值研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版)，2014，28(2)：114-119.

DOU Peilin，ZHU Jian，CHEN Gang，et al.Low frequency extreme response of single-point moored FPSO during the whole process of growing of wind/wave/current[J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)，2014，28(2)：114-119.

[12]BARUSCO P.Mooring and anchoring systems developed in marlin field[C] //ProceedingsoftheOffshoreTechnologyConference.Houston，1999.