单点系泊系统的模拟建模

段立志 梁光强 石锦坤 方 霖 张人公

（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518054；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

南海某油田水深117 m。在浮式生产储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）单点系泊系统的常规年检过程中发现，其9条系泊钢缆均有不同程度的断丝（如图1所示），并且个别配重链与四角板的连接断开（如图2所示）。为了保证生产的安全，业主决定先解脱FPSO，然后再更换系泊系统的锚腿。

图1 系泊钢缆断丝

图2 配重链与四角板连接断开

该系泊系统及其油田设施由FPSO、STP单点转塔、9条系泊锚腿、2条柔性立管和2条电缆组成。其中，STP的东北方向和西南方向各有1条柔性立管和1条电缆。该立管和电缆先跨过中水浮桥（Mid Water Arch，MWA），再铺设到海床，最后分别与东北方向和西南方向的平台进行连接；立管将各自平台所产的原油输送到FPSO，并用电缆给FPSO输送电力。立管、电缆和9条系泊锚腿与STP单点的中心对称，9条锚腿中每3条锚腿组成1簇，簇与簇之间间隔120 °，每簇内的锚腿之间相隔5 °。整个系泊系统的模型布置图如图3所示。

单条系泊锚腿的组成图如图4所示，其具体组成和尺寸见表1。

在系泊更换施工期间，FPSO进坞维修，FPSO不在位。该系泊系统更换项目的主要工作包括以下4个：1） 对该系泊系统的9条锚腿进行更换。2） 对吸力桩和STP的上阳极进行修复。3） 弃置8条旧锚腿（将8条旧锚腿丢弃至油田区域海底的指定区域）。4） 对1条锚腿进行回收并检测其断丝和腐蚀情况。其中，不更换下锚链，也就是不更换与吸力桩连接的桩链，对其进行重复利用。为了缩短项目工期，让油田尽快复产，在该项目中采用3条船在系泊系统的3个扇区进行同步作业。系泊系统是开采海洋石油的常见方式之一，与系泊系统有关的海油工程项目较多。，张人公等人[1]给出了西江油田BTM及其软管回收弃置的方案，邹佳星等人[2]评估了某系泊系统的剩余强度。该文将基于系泊系统的相关设计文件和标准规范，完成对系泊系统的建模，同时还要完成对系泊系统极端海况的在位分析和钢缆的铺设分析，进而为设计系泊系统的更换程序提供参考。

图3 系泊系统计算模型

图4 单条系泊锚腿组成图

1 系泊系统建模

1.1 系泊系统软件建模方法

在该系泊系统的更换作业过程中，FPSO处于解脱状态；其完整的系泊系统OrcaFlex模型如图3所示。STP单点为圆锥体（如图4所示），采用正浮力的六自由度Spar Buoy（Spar Buoy是OrcaFlex软件的六自由度浮体单元，形状为直立圆柱体）进行模拟；系泊锚腿由钢缆、上锚链（包括配重锚链和调整链）和下锚链首尾连接组成，各段的单位长度，重量、外径、弯曲刚度、拖拽力系数以及附加质量系数等都不相同，采用不同“line_type”来模拟锚腿各部分不同的物理属性和水动力属性，将锚腿整体模拟成1根“line”；采用正浮力的六自由度lumped Buoy（lumped Buoy是OrcaFlex软件的六自由度浮体单元，可以自定义它的形状）模拟支撑电缆和柔性立管的中水浮桥，电缆和柔性立管搭在中水浮桥上的U型槽中，并对其进行轴向固定。

表1 单条锚腿的组成及尺寸（单位：mm）

1.2 环境载荷

系泊系统承受的基本环境载荷主要有风、浪和流。其中，相对于波浪载荷和流载荷来说，风载可以忽略不计，其原因包括以下2点：1） 空气密度约是海水的1‰，其结构在空气中受到的拖拽力和附加质量的惯性力也是海水的1‰。2） 除了在个别工况情况下STP单点会有小部露出水面，其余时间整个系泊系统都位于海平面以下。

系泊系统的更换作业还需要考虑极端风暴工况。这是为了应对施工作业时可能会遇到台风等恶劣天气，详细情况如下：1） 极端风暴工况的海况考虑具有50年重现期的波浪和流，具体见表2。2） 将极端风暴工况中系泊系统的状态考虑为不完整的系泊系统，分别考虑9条系泊腿（分为3条在位、6条已移除和6条在位、3条已移除2种情况）。这样就可以论证在9条系泊腿中的部分旧系泊腿已经移除并且新的系泊腿还没有连接到位的不完整系泊系统在极端风暴工况下的完整性。如果不完整的系泊系统在极端风暴工况下的完整性没问题，则可以验证对应系泊腿的更换施工作业也是安全的。

表2 油田水文数据

1.3 系泊腿的建模

系泊腿由钢缆和锚链组成，锚链又分为单根的锚链和3根并联的配重链。在建模过程中，将配重链等效模拟成1根锚链。参考项目设计文件、相关文献和OrcaFlex软件的资料库，设置钢缆和锚链的主要物理属性参数和水动力参数，见表3 。锚腿的部件，例如钢缆索接头、钢缆和锚链之间的连接卸扣和四角板，其重量大约为1 t，为了保证模型的准确性，锚腿部件不可忽略；建模时，将部件模拟成为锚腿（line）的附件。

表3 锚链和钢缆的水动力参数

1.4 STP的建模

该项目STP的3D图及其模型图如图5所示。STP是通过六自由度浮体（Spar Buoy）来进行模拟的，其实体为圆锥体，软件模型是5个首尾相连的圆柱。已有文献设置了STP的水动力参数，见表4。经验证，STP模型的浮心和重心与现实STP的浮心和重心是一致的。按该方法在高度方向对STP进行有限元划分，可以精确模拟STP质量、体积、拖拽力参数、附加质量参数及其水动力载荷的分布。特别是当系泊系统移除6条锚腿（只剩3条锚腿悬挂在STP上）时，STP将会随波浪升沉而穿刺水面，STP在高度方向上的有限元划分，可以更精确地模拟STP穿刺水面的现象。

图5 某项目STP 3D图及其分析模型

表4 STP水动力参数

当STP穿刺水面时，在波浪的作用下，STP会产生横摇和纵摇。为了得到准确的锚腿、电缆、柔性立管顶部张力以及运动动态，需要在软件模型中精确地捕捉 STP的横摇和纵摇，并准确地设置STP的拖拽转动面积距。如图6所示，可以计算得到矩形的拖拽转动面积距AM，相关推算如下。

图6 圆柱轴截面拖拽力计算示意图

记拖拽转动力矩为Md，ρ为密度，Cd为拖拽力系数，AM拖拽转动面积矩，可得表达式，如公式（1）所示。

设Md的表达式，如公式（2）所示。

根据公式（2）可得新表达式，如公式（3）所示。

2 系泊系统的极端工况分析

在分析之前要验证计算分析模型的正确性。对完整的系泊系统执行静态分析，得到STP的底部位于水下46.84 m，与系泊系统设计文件中的47 m基本吻合。

如1.2节所述，为了保证系泊系统在施工周期内的安全，选取50年一遇的极端风暴对系泊系统进行在位的动态分析，参考DNV规范，并考虑相同方向的波浪和来流工况以及不同方向的波浪和来流工况，从而更好地捕捉恶劣工况。其具体的波浪与流的参数见表2。同时考虑系泊系统本身6条锚腿在位（9条锚腿中的3条已经移除）和3条锚腿在位（9条锚腿中的6条已经移除）2种系泊状态，可以得出相关数据，见表5。根据表5可知，锚腿、立管和电缆在极端风暴情况下所承受的张力都在允许的范围内，立管和电缆的MBR也在可接受的范围内，没有出现过弯现象。综上所述，6条腿和3条腿的系泊系统在极端风暴下是安全的。

表5 极端风暴计算结果

3 系泊钢缆的铺设分析

对于下钢缆的铺设，项目将采用DP2等级的作业船舶来完成该工作。施加2.5 m有效浪高和1年一遇的流的环境荷载。其铺设分析工况矩阵见表6；其铺设作业分析如图7所示。

表6 下钢缆铺设的计算工况

图7 下钢缆的铺设

下钢缆铺设计算结果，见表7。由表7可知，船舶在进行下钢缆的铺设时，应该将作业船的艏向控制在±30 °首浪或尾浪范围内；并推荐采用50 m～70 m的Layback来对钢缆进行铺设；铺设过程中应采用安全工作载荷为25 t以上的张紧器夹持钢缆进行钢缆的铺设。

表7 下钢缆铺设计算结果

4 结语

在海洋工程的建设中，基于系泊系统的FPSO原油生产和储卸方式使用普遍。该文对系泊系统的建模方法、模型参数设置和参数求解等做了初步介绍，并对系泊系统展开极端风暴工况下的分析和铺设系泊钢缆的分析，其分析结果对系泊系统的工程实践具有指导意义。可以为类似系泊系统的更换和安装以及钢缆、海管和海缆的铺设提供参考。