深水锚系更换数值模拟分析方法及其工程应用*——以流花11-1 NHSL FPSO系泊系统为例

（深圳海油工程水下技术有限公司 广东深圳 518067）

随着单点系泊技术的应用，单点系泊系统发生故障和失效事件的数量逐年上升。近年来，国内外多个专家学者对单点系泊系统的失效原因进行了研究。Brown M G等[1]通过23个单位参与的工业联合项目，研究了系泊系统性能降低的原因、锚系失效的后果、检查锚系的重点区域、因弯曲引起摩擦导致的疲劳失效、水中检查的方法、连接器设计的重要性、检测系泊腿的方法、应急计划，系统性地提出了如何改善和提高系泊系统完整性的方法。Brown M等[2]基于工业界的系泊系统运行经验，给出了系泊系统设计和完整性管理的重点关注区域和指导意见。Gordon R B等[3]研究了系泊系统完整性管理的现状，包括系泊系统失效模式、系泊构件性能降低原因、监控和检测技术以及系泊系统完整性管理。陈捷俊等[4]开展了南海某FPSO内转塔系泊系统水下锚泊设施的风险识别与风险分析，使用半定量方法进行风险评级，提出并优化了单点系泊系统的水下锚泊设施的检验策略。

单点系泊系统失效的主要原因有台风等极端天气、腐蚀、磨损、疲劳、脆性断裂等，其中单根系泊腿失效是系泊系统失效的主要表现形式[4]。自2006年至今，南海东部及西部海域至少维修和改造了10套系泊系统[5-7]。根据北海和西非海域的统计数据[8]，FPSO系泊系统系泊腿失效的频率为8.8年/次，单根系泊腿失效造成的费用约为1 700万～9 300万元人民币。以前国内大多数单点系泊系统的修复需要由国外公司提供施工方案和计算分析支持，工期长且价格昂贵，但随着国内锚系维修船舶和设备资源的布局、锚系修复工程项目经验的积累以及工程技术人员技术水平的提高，2016年我国已实现了全自主掌握中国现役最深水FPSO在位情况下的系泊系统系泊腿的更换技术。

本文以流花11-1油田NHSL FPSO系泊系统为例，从安装设计分析方面考虑，深入结合工程实践，系统性地提出了锚系更换分析的指导方法，建立了锚系更换分析模型并进行了静力和动力分析，通过分析结果和现场记录数据的对比验证了分析方法的准确性，对我国海上目前在役的单点系泊系统以及未来的深水系泊系统安装和修复项目提供了重要借鉴，从而为我国单点系泊系统运行、维护和完整性管理中快速应急解决方案的制定奠定了坚实基础。

1 NHSL FPSO系泊系统概况及相关参数

1.1 系泊系统概况及锚系修复工程面临的挑战

NHSL FPSO由一艘14万吨级的旧油轮改装而成，总长280 m，型宽44 m，型深23 m，吃水17 m。FPSO采用内转塔单点系泊系统，通过10条系泊腿固定于海底，油轮可绕单点作360°的旋转，单根系泊腿的最大系泊力为600 t。NHSL FPSO系泊系统总体布置如图1所示。

图1 NHSL FPSO系泊系统总体布置Fig.1 Mooring system general arrangement of NHSL FPSO

基于2016年的ROV调查发现，NHSL FPSO系泊系统＃2系泊腿的上钢缆出现6根断丝，下钢缆出现5根断丝、2根松弛。考虑系泊系统有备用钢缆，故计划当年10月在FPSO在位的情形下完成该系泊腿的上下钢缆更换修复工作，具体更换操作如图2所示。

图2 NHSL FPSO系泊系统2＃系泊腿更换细节Fig.2 ＃2 mooring leg replacement details of NHSL FPSO mooring system

该锚系修复工程面临的主要挑战包括：①准备周期短：1个月时间完成采办、结构设计、方案编制、计算分析、结构物预制等工作；②属于国内首次全自主实施FPSO在位不停产条件下的深水单点锚系更换作业；③系泊腿更换作业需要连续的作业天气窗口，但9月下旬施工处在台风频发期，需要妥善应对台风并积极捕捉完整施工窗口；④技术上围绕保证中水浮筒和新钢缆的绝对安全为原则，对项目总体风险方案把控、方案设计与具体实施提出了很高的要求，作业期间需要2条拖轮进行限位，同时一艘空潜支持船辅助安装船完成锚腿解脱和回接工作。

1.2 系泊系统组成及参数

10根系泊腿上部悬挂在距离内转塔中心的5.5 m处，从上到下依次是上锚链、1＃连接板、上钢缆、三角板和中水浮筒、下钢缆、2＃连接板、躺地链、连接板、躺地缆、3＃连接板、锚头链、抓力锚，具体参数见表1、2。中水浮筒的直径为4.06 m，高度为3.48 m，在空气中重量为15.72 t，净浮力为25.75 t。使用OrcaFlex建立的分析模型如图3所示，系泊腿的波浪和海流载荷主要以莫里森公式进行计算，其拖曳力和附加质量系数根据DNV RP C205进行设定。

表1 NHSL FPSO系泊系统系泊腿各组件参数Table1 Mooring line component parameters of NHSL FPSO mooring system m

表2 NHSL FPSO系泊系统系泊腿质量Table2 Mooring line component mass of NHSL FPSO mooring system

1.3 安装船舶参数

主安装船有5台锚处理绞车，包括1台500 t的锚处理绞车、2台500 t的拖带绞车、2台副绞车（图4），其中钢缆储存状态见图5。2台轨道吊位于两个舷侧，便于协助操作三角板、连接板等。250 t折臂吊位于船舶右舷，可以辅助回收中水浮筒。船尾有左右两个艉滚筒，最大可以承受750 t受力，另外还有鲨鱼钳和导向柱以便于操作锚链和钢缆。主甲板配备一台ROV，用于水下作业和监控。主安装船的主尺度参数如表3所示。在执行动力分析时，安装船舶和FPSO的运动边界条件仅考虑各自的一阶波浪运动响应。安装船舶RAO数据由AQWA软件计算提供，FPSO RAO数据由业主提供。

图3 采用OrcaFlex建立的NHSL FPSO系泊系统模型Fig.3 Model of NHSL FPSO mooring system by OrcaFlex

图4 NHSL FPSO系泊系统维修所采用的主安装船及设备Fig.4 Main installation vessel and equipment for the repairing of NHSL FPSO mooring system

图5 NHSL FPSO系泊系统维修时主安装船上的钢缆储存状态Fig.5 Storage status of wires on main installation ship during NHSL FPSO mooring system maintenance

表3 NHSL FPSO系泊系统维修采用的主安装船参数Table3 Data of main installation vessel for the repairing of NHSL FPSO mooring system

1.4 海洋环境参数

作业水深为295～310 m，分析中采用的波浪参数为：平均跨零周期5～15 s、有义波高0.5～3.0 m。海流采用一年一遇孤立波，详细参数见表4。动力分析采用规则波分析方法，采取最大波高的方式定义波浪，具体波浪定义方式参见文献[9-10]。

表4 孤立波数据Table4 Soliton wave data

1.5 维修过程技术指标及验收标准

在安装分析过程中作业控制的各项技术指标应满足表5中的要求。

表5 NHSL FPSO系泊系统维修过程技术指标及验收标准Table5 Technical indicators and acceptance standards of the repairing of NHSL FPSO mooring system

2 锚系更换分析方法

2.1 整体分析思路

锚系更换工作的安装分析是为了验证系泊系统能够完整地、不发生损坏地实现安装铺设。安装分析从理论上应囊括所有安装阶段内应考虑的计算分析问题，其分析类型包括3种：快速反应分析、静力分析、动力分析。锚系安装分析内容包括载荷、模型与边界条件的定义，求解方式的选择，分析接受标准的制定，分析结果的评价等内容，具体分析思路如图6所示。所有这些分析内容应给出明确的说明和描述，使得分析具有可重复性和可积累性。安装分析过程所需要的数据主要包括海洋环境数据、安装船舶数据、FPSO数据、系泊腿以及附属结构数据等。在获取数据之后，应针对数据进行检查和再确认。锚系安装分析结果应是明确的，安装方应根据安装分析结果和结论进一步完善安装铺设方案，从而在海上施工前最大化地预演施工过程，识别项目施工风险，为顺利施工打下坚实的技术基础。

图6 NHSL FPSO系泊系统维修过程中锚系安装分析思路Fig.6 Analysis of mooring installation during maintenance of NHSL FPSO mooring system

2.2 快速反应分析

在项目前期阶段，为了快速地判断一种锚系应急修复解决方案的可行性，根据初步的模型数据，进行合理的简化，建立有效的快速反应分析模型，从而获得初步的静力分析结果。根据分析结果，判断所提方案的可行性，如不可行则更新方案，直到新方案可行。

2.3 静力分析

静力分析流程如下：①根据所提出的锚系安装方案，划分不同分析阶段，每个分析阶段的目的是明确的；②对每个分析阶段，划分为足够多的分析步骤，建立细化模型，设定载荷和边界条件，对这些步骤进行静力分析；③提取相应静力分析结果，从而制定施工静态分析步骤表格；④根据施工静态分析步骤表格的结果判断是否满足接收标准，若不满足则细化和修改模型，重新进行静力分析；⑤根据施工静态分析步骤表格的数据获取关键参数的变化趋势，从而由关键参数识别各阶段的临界步骤；④如有必要，对某些步骤执行敏感性分析。

对于NHSL FPSO系泊系统＃2系泊腿的更换修复工作，可以划分为10个分析阶段：①＃2系泊腿从FPSO传递到主安装船；②回收上锚链和调整船舶首向；③回收上钢缆；④回收浮筒；⑤回收下钢缆；⑥铺设新下钢缆；⑦下放浮筒；⑧铺设新上钢缆；⑨铺设上锚链和调整船舶首向；⑩完成＃2系泊腿的传递和回接。其中，后5个阶段和前5个阶段正好是相反过程，不再进行分析。

2.4 动力分析

在静力分析完成后，须对临界步骤执行动力分析，动力分析工况矩阵主要考虑波高、波浪周期、浪向、流向的变化（表6），必要时对其中的临界步骤进行敏感性分析。最后对动力分析结果进行处理，针对这些大量的、批量的动力分析计算文件，认真设计提取计算结果的方式（图7），并根据计算分析接受标准进行分析结果的评价，从而为海上作业活动获取最大的容许作业海况。

表6 NHSL FPSO系泊系统锚系安装临界步骤动力分析工况矩阵Table6 Loadcase matrix for dynamic analysis of critical step of NHSL FPSO mooring system installation

图7 NHSL FPSO系泊系统锚系安装临界步骤动力分析结果提取思路Fig.7 Approach of critical step dynamic analysis results for installation of NHSL FPSO mooring system

3 分析结果与实际验证

3.1 静力分析结果

NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿的更换修复工作中5个分析阶段的静力分析结果如表7所示，各阶段的修复安装操作步骤如图8所示。

3.2 动力分析结果

根据钢缆张力、吊机张力、最小间隙等关键参数，选取各个阶段的临界步骤进行动力分析（表8），从而获得各个阶段的最大容许作业海况，并将各个阶段最大容许作业海况取最小值，汇总得到整个更换作业的最大容许作业海况见表9。考虑到汇总后所有阶段的最大容许作业海况较低，建议在施工过程中参考单独每个阶段的最大容许作业海况。

表7 NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿更换修复的静力分析结果Table7 Static analysis results of NHSL FPSO mooring system＃2 mooring leg replacement and repair work

图8 NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿更换修复操作步骤（阶段1～5）Fig.8 Replacement and repair procedure of NHSL FPSO mooring system＃2 mooring leg（Phase 1～5）

表8 NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿更换修复临界步骤Table8 Critical steps for the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg

表9 NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿更换修复所有阶段的最大容许有义波高Table9 Maximum allowable H s for all phases of the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg m

3.3 分析结果与现场记录数据对比

1）系泊腿上锚链角度对比。对于系泊腿上锚链的倾斜角度（相对于竖直方向），现场记录数据为51°，静力分析结果为52.8°，动力分析结果为35.1～55.4°，数据基本一致。

2）系泊系统关键位置信息对比。对于系泊系统关键位置信息，将作业前后调查打点获得的数据和静力分析结果对比，位置误差见表10。由表10可知，系泊系统位置存在一定的位置误差，但可以满足工程使用要求。分析认为，误差的来源首先有输入数据误差，如FPSO吃水、从导缆孔开始的上锚链长度、索接头的长度、系泊腿沿线水深的变化等；其次是分析结果为静力结果，而现场在进行记录时有一定的风浪，同时各个位置信息是单独打点进行记录的，并不是在某一瞬间同时打点记录的；此外，作业调查设备也有一定的精度误差。

表10 NHSL FPSO系泊系统关键位置分析结果与现场记录数据对比Table10 Comparison of analysis results of key positions of the NHSL FPSO mooring system with field recorded data m

3）张力数据对比。基于动力分析获得的最大容许作业海况为1～3 m，结合现场天气预报情况，选择合适的时机进行作业，成功地避开了当月台风。在作业时，前5个阶段的有义波高为1.6～2.8 m，后5个阶段的有义波高为0.9～2.1 m。锚系更换的张力分析结果和现场记录数据对比见表11。由表11可以看出：大部分计算分析结果贴近实际记录数据，验证了计算分析结果的有效性，其中静力分析结果较动力分析结果更贴近实际。整体而言，计算分析结果偏于保守，结果差异主要体现在两个方面：一是模型输入数据及记录的数据的误差；二是因为分析结果和实际记录数据并不完全处于同一情境下。在实际项目分析时，建议对可能存在的应急维修设施搜集相关资料，并建立对应的Orcaflex模型，以快速应对和满足项目要求；对于模拟分析的相关细节和实际作业流程存在差异，建议在执行过程中提高精细化建模水平，更为合理地简化和模拟实际作业过程；建议在执行动力分析之前，让其他工程师检查模型，以提高计算分析精准度。

表11 NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿更换修复时各组件张力分析结果和现场记录数据对比Table11 Comparison between tension analysis results and field recorded data of various components during the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg t

4 结论及建议

本文基于300 m水深NHSL FPSO系泊系统＃2号系泊腿应急修复工程项目实践，系统性地提出了锚系更换分析的指导方法，建立了对应的分析模型并进行了静力和动力分析，通过分析结果和现场记录数据的对比验证了分析方法的准确性，对我国目前在役的单点系泊系统以及未来的深水系泊系统安装和修复工程项目提供了重要借鉴。海洋工程领域的数据化是未来的发展趋势，为了更好地实施系泊系统完整性管理，以便在系泊系统应急维修项目开展时提出一种有效、快速、合理、安全的解决方案，从安装分析角度提出以下几点建议：

1）建议形成一套精细化建模技术，包括正确的阶段划分、合理的模型简化、充分定义模型的细节以及保证模型输入数据的准确性；

2）建议在海洋石油开发工程领域内进行联合，汇总整理相关安装船舶、南海生产平台、水下生产系统等最新数据资料，建立相关模型示范库，以便应急使用；

3）建议重视现场施工作业数据的记录和反馈，提出一套数据采集、汇总、处理、反馈的机制，改善现场施工作业数据的收集渠道和方式，最大化地通过工程实践促进安装设计分析技术水平的提升。