内转塔式单点系泊系统浮筒下沉脱落概率计算

刘 骄， 唐友刚， 何 鑫， 孙丽萍2， 付礼鹏

(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．哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引 言

FPSO是对开采的石油进行油气分离、含油污水处理、动力发电和供热以及集原油产品的储存和外输为一体的大型海洋工程装备。随着中国海洋资源开发的不断发展，以及对安全生产和环境保护重视程度的不断提高，对FPSO的风险研究提出了很高要求，系统掌握FPSO风险评估技术和基于风险的设计方法成为了风险研究的目标。

近年来，由于内转塔锚链系泊的通用性，对于内转塔式FPSO的风险研究主要集中在系泊系统：景勇[1]对比转塔式与散射式两种系泊方式，定性地给出各自的风险因素；李鹏[2]介绍内转塔系泊系统失效模式及相关技术内容；刘树晓等[3]通过数值模拟研究吃水、锚链、配重等因素对内转塔系泊刚度的影响，提出安全性设计方案；SII等[4]基于近似推理的方法，讨论风险接受准则，并对转塔系泊进行安全评价；朱为全等[5]用数值模拟的方法分析内转塔单点浮筒静密封失效的原因，提出设计上的改进意见。

内转塔浮筒是连接船体与系泊线的重要装置，承受3种载荷的作用：径向、水平和垂直载荷。这些载荷主要由内转塔系泊系统导缆孔的系泊力引起，系泊力通过底部轴承传到系泊浮筒上。一旦垂直方向的载荷接近或等于锁紧装置提供的预紧力，浮筒与船体上下接合处作用力将很小，二者间静摩擦力亦将变小，此时船体极易发生不绕内转塔轴承的转动，从而产生圆周切向力，破坏锁紧装置，导致浮筒下沉甚至脱落[6]。

针对内转塔式单点系泊系统，建立FPSO与系泊系统耦合的分析模型，对模型进行时域分析，得到系泊缆张力时间历程数据，计算浮筒垂直方向所受载荷的时间历程曲线，以浮筒垂直方向所受载荷接近或等于锁紧装置提供的预紧力作为浮筒下沉的临界状态，结合统计学知识及可靠性知识，计算浮筒下沉脱落发生的概率，同时考虑不同预紧力以及系缆孔位置对浮筒下沉脱落的影响。

1 内转塔式单点系泊系统介绍

内转塔式单点系泊系统包括：FPSO、滑环堆栈、浮筒和水下跨接系统。FPSO船体通过浮筒与系泊系统连接。浮筒内部塔结构起到连接系泊与立管系统的作用，浮筒外壳与船体保持相对静止，一起绕浮筒转塔做旋转运动。通过滑环堆栈，实现FPSO与井口平台之间的液体、气体、动力和信号传输。

图1 内转塔系统及浮筒结构

浮筒为圆锥形浮筒。筒的上部设有一套轴承总成，筒的下部通过眼板与系泊缆相连传递系泊张力。通过特定的液压锁紧装置将浮筒上部与船体固定。FPSO通过浮筒上的轴承，在风、浪、流等环境载荷作用下，绕系泊中心漂移或转动。内转塔系统及浮筒结构如图1所示。

选取某内转塔式单点系泊系统，采用SESAM软件DeepC模块进行时域耦合分析[7]。FPSO在满载工况下主要参数如表1所示。

表1 满载工况下FPSO参数

系泊系统选取3×3形式布置，每组3根缆绳，间距为5°，各组间夹角为120°，系泊缆长度为894 m，两端点水平距离为873.9 m。

2 系泊系统水动力分析方法

时域耦合分析采用的运动控制方程[8]为

在FPSO满载工况下，环境参数如表2所示。风载荷和流载荷参考OCIMF[9]给出的计算公式计算。

表2 环境参数

3 数值模拟

通过SESAM软件DeepC模块对内转塔式单点系泊系统进行时域耦合分析。DeepC采用HydroD的水动力计算结果作为输入项，其他如风流载荷因数、黏性阻尼系数等船舶参数可在DeepC界面内直接定义。时域分析模型如图2所示。选取FPSO满载工况，时域分析模拟时长为3 h，时间步长取0.2 s，通过计算获取FPSO船首系泊位置在y方向上的运动历程如图3所示。

图2 时域耦合分析模型 图3 船首系泊位置运动历程

系泊缆在水中与垂直方向成58°，分别计算各缆在水平和垂直方向的作用力，得到水平和垂直方向系缆合力的时间历程如图4所示。

图4 水平方向和垂直方向合力的时间历程曲线

图5 失效概率计算流程

4 失效概率计算

失效概率计算建立在结构可靠性分析的基础上，流程如图5所示：首先选取合适的环境参数，计算结构对环境载荷的响应；然后结合结构自身抗力，通过可靠性安全裕度方程计算结构失效概率。安全裕度方程[10]为

图6 浮筒几何参数

式中：Z为安全裕度；R为结构自身抗力，式(2)中为最大预紧力；S为结构所受载荷，式(2)中为浮筒垂直方向受力。

失效概率Pf可定义为

Pf=P{Z≤0}(3)

浮筒在垂直方向受力V计算公式[11]为

(4)

式中：Fx、Fz为系泊缆在水平、垂直方向上的合力，各参数意义如图6所示。

选取内转塔浮筒几何参数：a=5.175 m，b=3 m，h1=11.185 m，h2=2.175 m，φ=17.19°。代入式(4)有

V=0.323 2Fx+0.927 4Fz(5)

考虑系泊缆张力的不确定性因素，选取每一个时间步上的系泊缆在水平和垂直方向合力，代入式(5)进行计算，得到浮筒垂直方向所受载荷V随时间变化曲线，如图7所示。

统计载荷V的极值并进行拟合，如图8所示，发现其符合极值I型分布[12]，即符合耿贝尔分布。

图7 垂直方向载荷时间历程 图8 极值拟合情况

该内转塔一般有11个锁紧装置，每个锁紧装置提供2 000 kN预紧力[6]，最大预紧力取2.2×104kN。计算浮筒下沉脱落概率为1.83×10-5，分别计算不同预紧力下浮筒下沉脱落概率如表3所示。

表3 浮筒下沉脱落概率

按照风险接受准则[13]，概率达到10-3时为不可接受风险区域，从表3可知，此时对应预紧力介于最大预紧力的90%与95%之间，经计算对应预紧力为最大预紧力的92.2%。

从图6可知，系缆孔位置由参数h2和b确定，在保持浮筒整体几何尺寸不变的条件下，研究系缆孔位置对浮筒下沉脱落概率的影响，结果如图9所示。

图9 系缆孔位置对浮筒下沉脱落概率影响

从图9可知：随着参数h2减小、b增大，浮筒下沉脱落概率减小；参数b对概率的影响更大，即系缆孔距浮筒中轴线的距离越大，浮筒下沉脱落概率越小。

计算结果说明，浮筒的设计对未来单点系泊系统在服役过程中的浮筒下沉脱落风险具有一定的影响。因此，在设计阶段需充分考虑单点系泊将要服役海域的情况，合理调整系缆孔位置，有利于系统适应更恶劣的海况，增加单点系泊系统的安全性。

5 结 论

对内转塔式单点系泊系统进行耦合时域分析，得到了系泊缆张力在水平和垂直方向合力的时间历程；通过极值理论，分别计算了在不同预紧力下浮筒下沉脱落的失效概率，同时讨论了系缆孔位置对浮筒下沉脱落失效概率的影响，给出了降低浮筒下沉脱落概率的相应措施。

(1) 通过计算在不同预紧力下浮筒下沉脱落概率发现，随着锁紧装置预紧力的下降，浮筒下沉脱落概率迅速增大，预紧力下降10%可引起浮筒下沉脱落概率增加大约87倍，因此在实际工作使用中，必须严格保持给定的预紧力。

(2) 研究表明，在实际海况下系泊浮筒存在发生脱落的风险，因此在应用中，应加强对浮筒脱落的风险评估，并采取相应措施，防止浮筒脱落发生。

(3) 系缆孔位置对浮筒下沉脱落概率具有一定影响，针对不同海域的使用要求，在不改变浮筒形状条件下，选取合适的系缆孔位置可降低浮筒下沉脱落风险。