明珠号在西非海域多点系泊系统可行性分析

2019-10-23

船海工程 2019年5期

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452)

浮式生产储油装置(FPSO)是集油气生产、储存、外输于一体的海洋工程浮体装备，考虑到我国海域环境条件比较恶劣，目前在国内服役的FPSO的系泊系统均为单点系泊系统[1]。单点系泊系统具有风向标效应，FPSO可随着单点系泊系统进行旋转，使系泊系统受力最小。对于国外一些没有飓风的海域，可采用多点系泊系统，且能有效降低投资成本、维护成本。

将闲置FPSO-明珠号作为目标船体，分析其在几内亚湾OKPOHO油田采用多点系泊系统的进行系泊的可行性，对多点系泊设计的FPSO、穿梭油轮、环境条件以及控制因素进行分析，该油田属于浅水油田，位于尼日尔三角洲(Niger Delta)东南部，离岸5 km。其附近海域水深较小，平均水深约110 m。

1 设计基础

1.1 明珠号介绍

明珠号FPSO于1991年建造，并先后服役于SZ36-1，PL19-3和BZ25-1，是一艘软钢臂系泊FPSO。主尺度信息见表1。

表1 渤海明珠号FPSO主尺度信息

满载、中等装载和压载工况下FPSO的相关信息见表2。

表2 满载、中等装载和压载工况下的相关信息

1.2 穿梭油轮数据

作业海域OKPOHO油田日产油能力为15 000～20 000桶，改造之后的明珠号储油能力为300 000桶。按照每10～15 d进行一次外输设计，选取满载排水量48 000 t的小型油轮作为穿梭油轮，其主尺度等信息见表3、4。

表3 穿梭油轮主尺度

表4 满载工况下重心及回转半径

1.3 西非海域环境条件

西非海域OKPOHO油田海况、船体设计寿命以及一些附加信息见表5。

表5 系泊系统设计参数

1.4 控制因素

针对外输工况，常见的控制因素。

1)受立管影响的偏移量(Offset)限制。

2)锚链、系船缆(Hawser)的最大张力安全系数限制[2]。

3)两船间距限制(受作业区域海况和穿梭油轮大小限制)。

4)锚链的最大张力安全系数应满足表6的要求。

表6 张力极限与安全系数

2 计算理论

2.1 计算方法

1)非耦合或传统的准静态分析，假设系泊系统和立管静态地影响平台的运动，仅提供回复力刚度。

2)耦合分析，将平台，系泊系统和立管作为一个整体，评估其相互作用，平台运动分析中考虑系泊系统的阻尼和惯性效应。两者的主要区别在于求解方程(组)的维数，耦合分析协同考虑船体与系泊系统的相互作用[3]。

2.2 时域控制方程

从时域控制方程的角度出发，对于谐振运动，浮体的运动方程为

M=m+A(ω)

A(ω)=A∞+a(ω)

A∞=A(ω=∞)

C(ω)=C∞+c(ω)

C∞=C(ω=∞)=0

式中：M为频域质量矩阵；m为浮体的质量矩阵；A为频域附加质量矩阵与浮体运动的频率有直接关系，质量矩阵m可以通过对浮体做重量统计得到，A利用水动力软件进行频域求解；C为频域势流阻尼矩阵，同样需要水动力软件进行频域求解；D1为线性阻尼矩阵，D2为二阶阻尼矩阵，两者均需要通过模型实验获得；K为静水力刚度矩阵，对于有系泊的浮体，K为静水刚度矩阵和系泊刚度矩阵的组合，K可以通过频域分析软件进行求解；x为位移矢量；q为激励矢量矩阵，由风荷载、流荷载和一阶、二阶波浪力组成[4]。

3 模型建立

3.1 水动力模型

明珠号的水动力参数计算工作经由AQWA软件完成，水动力模型文件通过ANSYS Mechanical APDL建立。ANSYS中建立湿表面模型之后，经过ANSTOAQWA命令可以导入AQWA频域分析所需的文件，在修改相应的重量重心位置、转动惯量数据以及粘性阻尼信息之后便可以由AQWA-Line模块进行FPSO的水动力计算工作[5]。明珠号水动力模型见图1。

图1 明珠号水动力模型

3.2 时域模型

系泊设计所采用的软件为Orcaflex，Orcaflex。由于现阶段的Orcaflex并不能单独计算船型浮体的水动力信息，因此本模型的水动力数据(RAOs、QTFs、静水刚度、附加质量、辐射阻尼等)需要经其他频域分析软件计算并且导入到Orcaflex模型当中。明珠号FPSO的风流力系数计算参照API以及OCIMF相关规范进行，结果见图2、3。

图2 风载系数

图3 流载系数

3.3 坐标系定义

考虑到OKPOHO区域常年受到大西洋传来的涌浪影响，且涌浪方向较为固定，因此，考虑采油FPSO采用艏向迎浪的系泊方式。具体方式为船尾朝向北偏东20°的方向，见图4。

图4 FPSO布置示意

环境方向以及系泊线布置均采用Orcaflex全局坐标系，即以静水面为Z坐标0点的右手坐标系，X和Y轴的坐标原点位于波浪场建模的中心位置[6]。浮体的局部坐标系以浮体的型心为坐标原点，计算中船体的型心位于中线面与中站面交线且距基平面1/2船高处。

4 系泊配置及计算结果

4.1 锚链选取

系泊系统的设计寿命为5年，属于永久系泊，为了避免有档锚链的疲劳问题，本文设计采用了无档锚链的方案。为了优化系泊线的线型，在获得足够系泊刚度的条件下减小系泊线的预张力，经过循环优化最终选取2段式纯锚链作为最终系泊线方案。其中上部锚链采用R4 70无档锚链，破断张力5 156 kN，长度为163 m。卧底锚链采用R4 120无档锚链，破断张力13 573 kN，长度为470 m。

4.2 系泊线布置

OKPOHO油田长期受到南偏西20°方向的涌浪影响，系泊系统设计考虑FPSO艏向迎浪以减小FPSO受到的环境载荷。针对系泊线的布置，确定了60°的最佳方案。为了保证悬链线系泊的末端在单根破断工况下不会对锚产生上拔力，经计算，确定锚点和系缆点之间的间距为600 m，单根锚链的预张力为360 kN。

4.3 分析工况与计算结果

从作业过程考虑，总的分析工况应该分为单独系泊和外输作业两大类，对于浮体的装载情况，选取压载和满载两个极端状态，所有的外输工况均在穿梭油轮尾部布置一艘可提供300 kN拉力的拖轮进行串靠外输。通过计算，其在完整工况条件下，最小安全系数为2.28，满足API-RP-2SK的要求(1.67)，在单根锚链破断状态下的最小安全系数为1.57，满足规范的要求(1.25)[7]。因此，明珠号采用多点系泊系统能够满足在OKPOHO区域自存及串靠外输时的系泊要求。