西非海域FPSO系泊系統動力響應及設計分析

2014-06-27 06:50:16，

船海工程 2014年6期

，

(哈爾濱工程大學深海工程技術中心，哈爾濱 150001)

FPSO+自由站立式立管+浮筒式單點系泊+穿梭油船的開發模式[1]已經在西非深水油氣田開發中得到了廣泛應用，是當前西非海域油氣主要的開發方式之一。由于西非地處熱帶區域，海況較好，百年一遇主涌有義波高約為3.6 m；常年主導浪向為西南方向；基于上述特點，位于西非海域的FPSO可以采用多點系泊方式，并使主船體正對常年主導浪向，無需采用價格相對較貴的單點系泊轉塔裝置。根據西非海域某多點系泊FPSO系泊系統設計使用壽命要達到25年的要求，結合西非海域1 500 m水深及環境條件最終確定了4×4的分布式系泊設計，每根系泊線均為chain-wire-chain的結構模式，且該系泊系統滿足了西非海域百年一遇颶風海況下的設計標準及FPSO運動響應標準[2-3]。

1 理論及設計準則

1.1 時域運動方程

浮體的水動力分析采用間接時域法，采用水動力計算軟件AQWA基于三維勢流理論[4]分別對浮體的幅值響應函數、一階波浪力、波浪漂移力、附加質量和阻尼系數等水動力參數進行數值求解。得到上述水動力參數后應用傅里葉變換在全耦合分析軟件OrcaFlex中進行時域分析。浮體運動方程可表示為

(1)

式中：M——浮體質量；

Md——浮體附加質量；

K——靜水剛度；

x(t)——位移矢量；

h(t)——加速度卷積積分函數；

F(t)——總的外部力，包含波浪激勵力、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等。

系泊線的動力分析方法采用集中質量法，應用離散思想對系泊線進行分段，段與段之間通過有質量的節點進行連接，沒有質量的且被看作是剛體或者彈性體。同時假設系泊線的重力、浮力、慣性力以及流體拖曳力等都集中作用于節點上，每段系泊線的質量、附連水質量和流體拖曳力平均分配到每段兩端的節點上。

最后利用全耦合的方法分析浮體及系泊線的耦合運動，其運動方程為

(2)

K(x(t))——系統基于單元剛度的每一瞬時應力；

1.2 極限條件下系泊系統設計標準

1)FPSO偏移標準。系統完整時，FPSO的最大偏移為水深的5%(75 m)；系泊系統破損狀態為1根系泊線破斷時，FPSO的最大偏移為水深的8%(120 m)；系泊系統破損狀態為2根系泊線破斷時，FPSO的最大偏移為水深的8%(120 m)。

2)安全系數標準[5]。安全系數標準見表1。

表1 系泊線最小安全系數標準

3)系泊線上最小拉力載荷。為防止磨損，在任何裝載工況下，任何環境條件下，鋼纜都不能觸到海底地面。每個計算工況都應當統計所有系泊線上最小張力值，以檢驗鋼纜是否觸到地面。

2 幾何參數及模型建立

現給出FPSO主要參數，并對其系泊系統參數進行說明，見表2。系泊系統參數見表3。

表2 FPSO的主要參數

表3 系泊系統參數

系泊線設計使用壽命為25年，應該對最小破斷載荷進行修正，而鋼纜因為有包層保護，所以在系泊系統設計中無需校核，按照規范要求，以下校核需要考慮在內，見表4。

表4中：上部濺濕區，根據DNV OS E301規范中定義水面上5 m，水面下4 m為濺濕區域；懸鏈線部分指的是濺濕區以下，剛纜以上的部分，因為鋼纜是不需要校核的，所以鋼纜部分不考慮在內；底部錨鏈部分指的是鋪設于海底的錨鏈部分。

表4 錨鏈參數修正

3 西非環境條件

系泊系統的設計對于環境數據的選用主要參考《西非深水工程設計基礎》。環境組合的選取因情況不同而異，需要提前進行計算，提取最惡劣環境組合工況。因此在時域計算中將分別給出計算所需的環境組合。現給出涌浪和颶風、流環境參數。

圖1 主涌(main swell)Hs-Tp逆形式等值線

圖2 次涌(second swell)Hs-Tp逆形式等值線

在圖1和圖2中，100 a表示所用數據為百年一遇，1 a表示所用數據為1年一遇，95%表示所用數據為95%情況下數據。

颶風數據采用了西非海域實測環境時歷數據進行了重構。現給出百年一遇颶風時歷數據見圖3、4。

圖3 颶風風速和風向時歷(A_7)

圖4 颶風風速和風向時歷(A_13)

流速為表面速度0.9 m/s，水下3 m處流速為0.7 m/s，且在計算中各個環境方向組合時流速大小不變。

4 時域計算結果及分析

數值計算中，船體及系泊系統模型均為對稱布置。因此認為其系泊運動響應特性也對稱。則環境角度僅在較大的180°(或環境實際來向范圍)內選取。典型西非環境為主涌、次涌及風浪流混合環境，百年一遇颶風環境下系統耦合運動設計分析中，選擇Gaussian Swell波譜模擬主涌及次涌。

同時，在數值計算中存在一些簡化的處理，現進行說明：①風載荷與流載荷系數應該以模型試驗得到的數據為準，本文取OCIMF規范中船型的參數;②在系泊耦合數值計算中，外輸油管的水動力影響忽略不計，外輸油管僅僅作為水平固定載荷加到模型上，每根外輸油管水平載荷約為400 kN(共800 kN)，豎直方向固定載荷在定義靜水力平衡時作為固定載荷考慮。

考慮到FPSO壓載裝載時的受風面積比滿載裝載大，且排水量小，則對于百年一遇的颶風條件下，壓載比滿載運動響應大，系泊線受力大，故而百年一遇颶風環境，需要校核壓載工況滿足系泊要求。設計分析中，颶風分析采用颶風時歷數據。根據規范選用百年一遇1 min颶風主值數值，用記錄下來的時歷風速與方向數據去匹配該方向上的1 min風值，得到百年一遇颶風時歷數據，具體數據參見圖3、4。根據颶風方向不確定性，應該在180°內每15°一個方向角進行計算。通過分析，對于FPSO在颶風情況下，其縱向受風面積比橫向受風面積大，故主要對環境方向相對于船體90°及左右各30°范圍內進行計算，分析中將給出以下幾個方向角的計算結果：75°，90°，105°，120°及135°(與正北方向所成角度)，將其與主涌、次涌、流等環境進行組合，組合規則要根據主涌、次涌、及流主導環境下計算結果。總結出所有可能產生的最大位移，或是最大系泊力的組合，對選出的環境組合進行計算，找出導致最大位移及系泊線最大張力的環境。

根據上述方法分別得到FPSO系泊系統系泊線完整、系泊線一根破斷和系泊線兩根破斷下的百年一遇颶風環境組合，并在OrcaFlex中進行時域計算。

4.1 百年一遇颶風條件下系泊線完整

通過上述方法，得出了百年一遇颶風條件下FPSO系泊系統系泊線完整時將產生最大位移或張力的環境組合,見表5、6。

表5 颶風1 min陣風主值

表6 系泊系統完整狀態最惡劣海況組合

由OrcaFlex數值計算得到FPSO不同颶風時歷條件下偏移結果，其中最大偏移是由A_7在90°方向上造成的，具體結果見表7。

表7 颶風環境下系泊線完整FPSO最大位移

由表7可見，百年一遇颶風環境FPSO系泊系統完整狀態下，FPSO的最大偏移為74.15 m，小于標準值75 m，其運動范圍滿足規范要求。

由OrcaFlex數值計算得到多點系泊FPSO百年一遇颶風條件下系泊線完整狀態下最大張力，結果見表8。

表8 百年一遇颶風環境下FPSO系泊線上最大張力

基于上面FPSO的漂移范圍及系泊線最大張力的計算，每根線的最小張力也需要輸出，以便于保證鋼纜不會觸到海底。每根系泊線最小張力及相應的鋼纜及海底間的垂向距離見圖5。

圖5 系泊線最小張力及鋼纜垂向最小距離

圖5中每根鋼纜最小拉力載荷是取自百年一遇颶風條件系泊系統完整時所有算例，可以保證百年一遇颶風環境下，系泊系統完整時，鋼纜的底部沒有觸到海底，至少保留12.91 m的余量。

4.2 百年一遇颶風條件下一根系泊線破斷

在系泊系統完整狀態下，颶風時歷A_7環境下受力最大是S5，颶風時歷A_13環境下受力最大的線繩是S4，假設在一根系泊線破斷的情況下，當颶風為A_7時歷時S5這根系泊線破斷；當颶風為A_13時歷時S4破斷。計算中，并未考慮系泊線破斷瞬態影響，假設破斷的系泊線一直是處于破斷狀態。

對于百年一遇颶風時歷下一根系泊線斷裂情況，要結合百年一遇颶風環境下系泊系統完整時的計算結果及涌浪、流等環境下的運動響應及系泊張力情況，選出每個環境角度下有可能發生最大位移及系泊線產生最大張力的環境組合(流、主涌、次涌)。計算驗證得到最大位移及每根系泊線上最大張力。流速、颶風1 min陣風主值及計算方法與系泊線完整狀態下一樣。見表9。