基于MOSES的海上FPSO限位分析

张栋，慕文彬，张刚宾，赵强，李石峰，吴宪

（1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461）

（2.中海油（天津）管道工程技术有限公司， 天津 300461）

FPSO液化天然气生产储卸装置（Floating Production Storage and Offloading System，简称FPSO）已经作为一种主流生产方式，广泛应用于海上油田开发中。但随着FPSO使用年限的不断增加，FPSO的维修呈增长趋势。同时考虑到FPSO的在位条件，围绕单点受波浪、流向、风向等处于旋转移动中，因此对FPSO的吊装维修作业就需要限制FPSO的运动，因此FPSO的限位工作显得尤为重要。本文利用海洋工程模拟软件MOSES对FPSO进行限位施工分析，以确定最优的限位方案。

1 模型参数确定

本文以蓬勃号FPSO作为计算船舶模型，该船位于渤海湾蓬莱19-3油田，坐标为东经245086m，北纬4253437.25m，并通过软钢臂永久系泊在单点上。

1.1 FPSO基本参数

蓬勃号FPSO的主要参数如表1所示：

表1 FPSO主要参数

1.2 FPSO装载状态

根据蓬勃号FPSO稳性手册，FPSO作业吃水范围在14m到20m之间，本项目在此吃水范围内选取了最大吃水、最小吃水和平均吃水三个装载状态进行限位分析，本报告对应FPSO吃水为最大吃水20m。

1.3 FPSO受风面积

FPSO船体受风面积可由MOSES软件根据船体模型自动计算。根据稳性手册，FPSO上部设施横向受风面积约为10400m2，FPSO上部设施纵向受风面积约为1260m2。

表2 FPSO风面积

图1 蓬勃号FPSO

2 限位分析计算工况确定

根据查阅蓬勃号FPSO工作海域水文统计环境资料，选取有义波高小于1m的概率为63.9%，有义波高小于1.5m的概率为83.9%，并综合考虑风速和流速的超越概率，选取以下海况环境条件，作为计算分析工况。

表3 作业工况

3 FPSO限位方案设定

3.1 FPSO限位布置

蓬勃号FPSO限位作业过程中，两条拖轮的布置方式如图2、图3所示。正常限位作业拖轮1、拖轮2与FPSO横向夹角30°，分居FPSO两侧，拖带缆的长度为500m。应急限位作业拖轮1与FPSO横向夹角30°，拖带缆的长度为500m；拖轮2与FPSO横向夹角40°，拖带缆的长度为500m。

图2 蓬勃号FPSO正常限位拖轮布置方案

图3 蓬勃号FPSO应急限位拖轮布置方案

3.2 FPSO限位缆绳及揽桩参数

4 建模与分析计算

4.1 计算软件

计算分析使用的软件是美国Bentley公司的MOSES（Multi-Operational Structural Engineering Simulator）软件。

4.2 单位

本报告采用公制单位，相关单位缩写如下：[N]、[kN] -牛、千牛；[t] -吨；[s] -秒；[m] -米；[°] -度；[m/s²] -米每秒方；[t*m] -吨米；[Knot] -节；[m/s] -米每秒。

本报告采用的物理常量如下：重力加速度g为9.8m/s²；海水密度为1025kg/m3。

4.3 坐标系统及FPSO建模

MOSES软件全局坐标系基于驳船坐标系，原点在海平面。驳船坐标系原点在船尾的船体基线处，X轴由船艏指向船尾为正，Y轴指向右舷为正，Z轴由基线向上为正[1,2]。

图4 建立坐标系

图5 蓬勃号FPSO船体模型

4.4 分析方法

FPSO限位分析进行了频域分析和时域分析。详细计算分析过程如下：

调整系泊缆的张紧力和系泊系统的几何位置，在环境载荷的作用下保持位置；

实际上，司马迁不仅不“先黄老而后六经”，在许多事情上，尤其是对历史人物和历史事件的评价上，“至圣”孔子的价值标准还成为司马迁的重要参考，许多时候司马迁甚至直接采用孔子的价值标准来对历史人物和历史事件进行评价。如：

计算船体运动和船体的RAO；

在时域分析中计算船体的瞬时偏移和运动；

根据驳船的RAO和相应波谱，在指定海况条件下计算系泊系统的最大张紧力；

评估系泊系统的安全系数，确定系泊缆和海底结构物间的最小安全距离；

根据计算结果对系泊系统系泊缆强度和船体运动进行校核。

5 FPSO限位静态分析结果

5.1 FPSO定常力计算

当FPSO所受风浪流均为横向，即环境荷载方向为90°或270°时，FPSO所受环境荷载最大，表4为不同海况下FPSO遭受的最大环境力。

表4 蓬勃号FPSO定常力计算结果

5.2 拖轮系柱拉力校核

FPSO上带缆桩的安全工作荷载为100t，所以拖轮能产生100t的拉力即可，考虑75%拖带效率，所需拖轮的系柱拉力：BP=100t/0.75=133t

当采用正常限位作业拖轮布置方案，两条拖轮分别布置在FPSO两侧，与FPSO船宽方向夹角为30°，故拖轮能够提供的最大旋转力矩为：100×380×cos30°=32908t.m；

当采用应急限位作业拖轮布置方案，两条拖轮布置在FPSO同侧，分别与FPSO船宽方向夹角为30°及40°，故拖轮能够提供的最大旋转力矩为：

100×380×cos30°+100×380×cos40°=6201 6t.m

根据以上计算结果，当风浪流均为横向时，需采用两条同向拖轮保持FPSO船位，可以在浪高小于1.5m海况下保持船位。

6 FPSO限位动态分析结果

依据作业海域的特点，选取Jonswap谱，谱峰因子取3.3，对应第2节确定的有义波高1.5m作业工况，采用谱分析法进行统计该作业海况下FPSO的缆绳张力[3]。

6.1 拖缆张力极值

FPSO在有义波高1.5m作业海况下，拖缆的最大张力如图6所示[3,4]。

图6 Hs=1.5m正常限位拖轮拖缆张力极值

图7 Hs=1.5m应急限位拖轮拖缆张力极值

6.2 拖缆和带缆桩校核

φ76钢丝绳最小破断力为325t，考虑2倍安全系数，缆绳上最大张力值不能大于162.5t。

蓬勃号FPSO上带缆桩安全工作荷载为100t，小于缆绳许用张力值，所以缆绳上张力极值应以带缆桩安全工作荷载为准，即100t。

从图6和图7可知，在有义波高为1.5m时：

正常限位拖轮布置方案，风浪方向为0°和180°时，拖带缆的张力极值均小于带缆桩的工作载荷，可进行限位作业。应急限位拖轮布置方案，风浪方向为0°、135°、180°时，拖带缆的张力极值均小于带缆桩的工作载荷，可进行限位作业。

7 结论

本文通过船舶计算软件MOSES，对蓬勃号FPSO进行了限位分析，给出了特定作业工况下的限位方案，对船舶选型、船舶作业安全具有很好的指导作用。

◆参考文献

[1] 马坤，李作志，杨洋. 舰船完整稳性实时计算方法研究[J].大连理工大学学报，2007，47(3)：383-386.

[2] 张平，何斌. 改善船舶完整稳性的措施[J].江苏船舶，2001，18(2)：8-11.

[3] 陈庆强，朱胜昌，郭列，等. 用整船有限元模型分析方法计算舰船的总纵强度[J].船舶力学，2004，8(1)：79-85.

[4] 张延辉. 船体结构强度直接计算中载荷平衡方法研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.