FPSO系泊系統載荷計算與分析＊——基于南海“奮進號”FPSO運動特性實船測量結果

趙文華 胡志強 楊建民 李悅喜 謝協民

(1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室; 2.中海石油(中國)有限公司文昌13-1/2油田作業公司)

浮式生產儲油裝置(FPSO)通過單點系泊系統長期固定于海上進行作業,是海洋油氣資源生產的主要設施。由于海洋環境條件復雜,FPSO在惡劣海況下的水動力性能及其系泊系統的定位能力一直是研究人員和工程人員關注的焦點。國內外研究人員對FPSO的水動力性能開展了大量的研究[1-6],研究手段多采用數值分析方法、模型實驗方法或二者相結合的方法。

目前使用較為廣泛的FPSO水動力性能分析方法是耦合數值分析結合水池模型試驗的方法,這種方法依據水池模型試驗結果對數值分析模型進行修正,然后通過數值分析預報出不同海況下FPSO的運動特性及其系泊系統的受力特性,因此對水池模型試驗結果的準確性依賴度較高。但是,由于試驗縮尺比的影響和水池尺度的限制,水池模型試驗結果與實船的真實運動特性難免存在一定的誤差,從而導致數值分析預報結果與實際情況存在一定的偏差。通過實船測量獲得 FPSO船體的運動特性以及系泊系統的受力特性是研究FPSO水動力性能最為理想的方法,但在現階段技術條件下,僅能實現對FPSO船體活動的實船測量,尚無法實現對系泊系統的實船測量,在這種情況下,通過實船測量獲得 FPSO的運動特性,并通過數值分析方法獲得系泊系統載荷數據,是獲得較準確結果的最佳方法之一。在獲得FPSO的實際運動數據的前提下,通過非耦合分析技術對系泊系統載荷進行推算,可以獲得較利用數值分析與水池模型實驗相結合的耦合分析技術更為準確的結果。

中國海洋石油總公司委托上海交通大學海洋工程國家重點實驗室于2007年始開展了為期25個月的南海“奮進號”FPSO運動特性實測工作1),獲得了大量的第一手實船測量數據。根據得到的第一手實船測量數據,對業界普遍采用的FPSO水動力性能分析數值模型進行了修正。以南海“奮進號”FPSO為研究對象,利用修正后的數值模型,將實船測量得到的單點處的船體六自由度運動數據作為輸入項,開展了FPSO系泊系統載荷計算,并對其在惡劣海況下的定位能力進行了評估。

1 南海“奮進號”FPSO運動特性實測及統計分析

南海“奮進號”FPSO船體主要參數如表1所示,其系泊系統由3組錨鏈(每組3根)組成,相鄰2組錨鏈間夾角為120°,同一組錨鏈中相鄰2根錨鏈間夾角為 5°(圖 1),每根錨鏈均由“鏈—纜—鏈—纜”4段組成,每根錨鏈的預張力為330 kN、錨鏈長度為900 m、水平跨距為877 m。南海“奮進號”FPSO系泊系統錨鏈組成及屬性見表2。

表1 南海“奮進號”FPSO船體主要參數

圖1 南海“奮進號”FPSO系泊系統布置俯視圖

本次研究中,海洋環境條件選取2009年臺風季節南海遭遇的2次典型臺風,分別是8月7日的“天鵝”臺風和9月10日的“彩虹”臺風,這2次臺風對南海“奮進號”FPSO所在的文昌13-1/2油田的影響比較顯著,其中“天鵝”臺風對油田影響的持續時間長,而“彩虹”臺風中心距油田很近。選擇臺風影響過程中FPSO垂蕩運動幅度最大的3 h為過境過程:“天鵝”臺風為2009年8月7日21—24時;“彩虹”臺風為2009年9月10日15—18時。

表2 南海“奮進號”FPSO系泊系統錨鏈組成及屬性

在“天鵝”臺風過境的3h中,文昌13-1/2油田的海洋環境條件為:有義波高3.3 m;譜峰周期13.1 s;最大風速 11.7 m/s;表面流速 0.382 m/s。后1.5 h過境過程中南海“奮進號”FPSO的六自由度運動時歷曲線如圖2所示(前1.5h時歷曲線特征與后1.5h基本一致),過境3h內南海“奮進號”FPSO運動特性統計結果列于表3。

圖2 “天鵝”臺風后1.5h過境過程中實測的南海“奮進號”FPSO六自由度運動時歷曲線

表3 “天鵝”臺風過境過程中南海“奮進號”FPSO運動特性統計值

為了更進一步研究惡劣海況下FPSO的運動響應情況,采用譜分析技術對“天鵝”臺風過境過程中南海“奮進號”FPSO的垂蕩、橫搖和縱搖運動進行譜分析,得到了圖3所示的FPSO運動響應譜。

在“彩虹”臺風過境的3h中,文昌13-1/2油田的海洋環境條件為:最大風速22.5 m/s,表面流速0.455 m/s,海洋實測過程中的波浪數據缺失(FPSO的運動時歷是完整的,故不影響本研究方法的計算)。后1.5 h過境過程中南海“奮進號”FPSO的六自由度運動時歷曲線如圖4所示(前1.5 h時歷曲線特征與后1.5 h基本一致),過境3h內南海“奮進號”FPSO運動特性統計結果列于表4。

表4 “彩虹”臺風過境過程中南海“奮進號”FPSO運動特性統計值

同樣,為了更進一步研究惡劣海況下FPSO的運動響應情況,采用譜分析技術對“彩虹”臺風過境過程中南海“奮進號”FPSO垂蕩、橫搖和縱搖運動進行譜分析,得到了圖5所示的運動響應譜。

從圖2和圖4可以看出,南海“奮進號”FPSO的縱蕩、橫蕩和首搖運動主要受低頻力的影響,而垂蕩、縱搖和橫搖則主要受波頻力的影響;低頻范圍內的運動響應變化范圍比波頻范圍內的運動響應變化范圍要大。因此,南海“奮進號”FPSO在低頻范圍內的運動響應會嚴重影響其系泊系統的受力狀態。從圖3、圖5可以看出,南海“奮進號”FPSO的橫搖運動響應水平比縱搖與垂蕩運動響應水平高,圖5所示橫搖運動響應水平甚至比縱搖與垂蕩運動響應水平要大一個數量級(圖3情況與圖5的差別是由于二者的海洋環境強度及風、浪、流方向的差異性引起的),這一現象表明在惡劣海況下 FPSO的橫搖運動較為劇烈,應重點關注。

圖5 “彩虹”臺風過境過程中南海“奮進號”FPSO運動響應譜函數

2 南海“奮進號”FPSO系泊系統載荷計算及分析

2.1 有限元模型及計算思路

FPSO系泊系統載荷計算與數值分析采用SESAM軟件的Riflex程序完成,所建立的南海“奮進號”FPSO濕表面有限元模型如圖6所示,南海“奮進號”FPSO系統非耦合分析模型如圖7所示。

圖6 南海“奮進號”FPSO濕表面有限元模型

圖7 南海“奮進號”FPSO系統非耦合分析模型

采用非耦合分析技術對FPSO系泊系統載荷進行計算,以實測FPSO運動數據作為運動輸入項,具體計算思路如下:

(1)根據 FPSO測量點六自由度運動實測數據,計算得到船首單點處的三方向線位移時歷數據。

(2)采用DNV的Deep C軟件建立FPSO系統模型,獲得的模型直接導入Riflex軟件使用。

(3)將船首單點處的三方向線位移時歷數據作為輸入項,計算出在臺風歷程中定位FPSO的9根錨鏈所承受載荷的時歷數據,并總結其統計特性數據。

南海“奮進號”FPSO船首單點三方向線位移運動計算流程如圖8所示。

圖8 南海“奮進號”FPSO船首單點三方向線位移運動計算流程圖

單點的垂向運動時歷數據根據船中心處垂蕩運動數據計算得出。實測獲得的FPSO船體六自由度運動數據是針對船體中心而言的,因此將船體中心看作水動力學分析中的參考點。通常情況下,根據參考點的六自由度運動,可以推導計算出船體上任意一點的線位移[7],即

式 (1)中 :η1,η2,η3為參考點的線運動坐標 ;×表示矢量積;ω為參考點的角運動矢量;r為計算點相對于參考點的矢量位移。在數值分析和水池試驗研究中,單點的運動位移可以按照下式計算

根據式(2)可以獲得船體任意一點處的運動情況。船體中心處的水平運動坐標是根據 GPS測量得到的,根據船體中心處的水平坐標,結合船體首向角數據,可以計算出單點的水平運動線坐標。船首部單點處的水平運動線坐標可以表示如下:

式(3)、(4)中:x和 y是單點水平線運動坐標;η1和η2是船中參考點的水平線運動坐標;L是參考點到單點的水平距離;φ是船體首向角。

2.2 計算結果及分析

利用式(4)及實船測量得到的船中位置六自由度運動時歷數據,計算船首單點位置處的橫向、縱向和垂向運動時歷,并以此作為輸入項將數據導入Riflex軟件中進行系泊系統的載荷計算。2次典型臺風過程中南海“奮進號”FPSO系泊系統所受載荷計算結果的統計值分別列于表5和表6,其受力最大系泊纜所受載荷時歷曲線如圖9和圖10所示。

表5 “天鵝”臺風過境時南海“奮進號”FPSO系泊系統載荷統計值 (N)

表6 “彩虹”臺風過境時南海“奮進號”FPSO的系泊系統載荷統計值 (N)

從表5和表6可以看出,在相同海洋環境條件下,FPSO不同錨鏈所受載荷差異較大,最大載荷與最小載荷之間相差一個數量級。分析認為,造成錨鏈受力差異的原因可以歸結為系泊轉塔系統的風標效應,由于FPSO可以繞系泊轉塔旋轉至船體受外力最小的浪向上,故不同位置處系泊系統受力情況會有較大差異。從圖9和圖10可以看出,即使同一根錨鏈在不同時刻所受的拉力也有很大差異,表明在這2次臺風過程中,南海“奮進號”FPSO所受環境載荷變化較大。比較表5、表6及表2數據可知,南海“奮進號”FPSO系泊系統設計合理,所受載荷在2次典型臺風過程中均處于安全范圍之內。據此可以認為,在等級為熱帶風暴及熱帶風暴以下的熱帶氣旋下,南海“奮進號”FPSO無須解脫避航。

3 結論

(1)通過實船測量獲得的南海“奮進號”FPSO的運動響應數據,對于FPSO水動力特性研究具有重要意義。

(2)以監測到的船體運動響應數據作為數值分析模型的輸入項,運用可靠性較高的Riflex軟件對FPSO系泊系統開展載荷計算,可獲得系泊系統在惡劣海況下的受力情況,在此基礎上可對系泊系統的定位能力進行評估,進而驗證系泊系統設計的合理性。

(3)根據實船測量獲得的“天鵝”和“彩虹”臺風過境過程中南海“奮進號”FPSO的運動響應數據,以及在此基礎上對其系泊系統的載荷計算結果,可以判定在等級為熱帶風暴及熱帶風暴以下的熱帶氣旋下,南海“奮進號”FPSO無須解脫避航。

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