深水FPSO船體、系泊與立管的時域耦合分析

施興華，徐爍碩，杭　岑，章　柯

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003； 2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

深水FPSO船體、系泊與立管的時域耦合分析

施興華1，徐爍碩1，杭岑2，章柯1

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003； 2.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

摘要：基于時域耦合理論，應用SESAM/DeepC模塊，采用時域非線性方法對深水FPSO船體、系泊與立管進行耦合計算，分析考慮立管和不考慮立管影響下的系泊性能，研究立管的單位長度質量、立管的軸向剛度，以及立管上安裝浮力塊的位置、質量和體積對FPSO系泊性能的影響，探討了由于浮力塊設置形成不同形式的立管對FPSO動力響應的影響。結果表明，立管可減小深水FPSO的系泊纜張力和運動響應，簡單懸鏈線立管的頂端張力均較大，安裝浮力塊后可有效減小張力。

關鍵詞：深水FPSO；立管；系泊；耦合分析

海洋立管是深海浮式結構物的關鍵組成部分，不僅是海面與海底的連接通道，也是連接水下井口與水上浮體的紐帶。風、浪、流等環境載荷作用下，系泊狀態下FPSO水動力性能的數值預報一直是學者們研究的熱點問題。很多學者在進行FPSO系統時域耦合計算[1]時，通常忽略立管系統的影響，實際上立管系統也會對整個系泊系統的剛度產生影響，而且在耦合分析中，作用在立管上的環境載荷會對整個分析產生影響。近年來有學者，考慮船體-系泊-立管的耦合作用，將立管作用視為船體的拉力，Arcandra[2]研究了平臺、系泊纜索、立管系統的水動力特性，M. H. Kim[3]建立了轉塔系泊FPSO的船體、錨泊、立管系統耦合水動力模型，對其進行了時域分析。同時單獨針對立管開展其動力特性研究，孫麗萍[4]和丁鵬龍[5]分別研究了立管參數及浮力塊對緩波型和陡波型布置的柔性立管動力響應的影響規律。但是FPSO和系泊系統、立管系統耦合之后會顯著地表現出非線性特性，需要用時域耦合方法進行精確模擬，馮愛春[6]用耦合分析方法研究了SCR和TTR兩種立管對張緊式半潛平臺運動響應和系泊張力特性的影響。本文采用時域非線性方法對深水FPSO船體、系泊與立管進行耦合計算，分析立管參數和浮力塊對深水FPSO運動響應和系纜張力特性的影響。

1時域耦合理論

浮體在風浪中的運動經過攝動分析后，可以分為一階小幅運動響應和二階大幅運動響應，即浮體的響應可以分為高頻響應和低頻響應兩部分，并且兩者互不影響。低頻運動指大幅的慢漂振蕩運動，高頻運動可以理解為低頻運動基礎上的微幅振動，即高頻運動的平均值為低頻的運動位置。因此在求解時域運動方程時，分為低頻響應和高頻響應兩部分來求解[7]。因為主要研究FPSO的低頻運動，因此給出低頻運動方程。

(1)

式中：x(2)——低頻運動；

B11,B22,B66——阻尼系數；

Bwdd——縱蕩方向的線性波浪慢漂阻尼系數；

Fcurrenti——流引起的動力載荷；

Fwindi——風引起的動力載荷；

Fmoori——系泊力；

Fwave(2)i——二階波浪漂移力。

2立管形式

海洋立管通常分為剛性立管和柔性立管，剛性立管又分為鋼懸鏈式立管(steel catenary riser，SCR)和頂張緊式立管(top tensioned riser，TTR)。如果采用剛性立管和柔性立管的組合，將其稱為復合立管(hybrid riser)。

頂張緊式立管適用于采用張力腿(TLP)平臺或深水浮筒(SPAR)平臺結構形式的開發方案，用于將水下井口垂直回接到TLP或SPAR的干式采油樹上。

鋼懸鏈式立管和柔性立管適用于采用TLP、SPAR、半潛式浮式結構或FPSO的開發方案，用于將水下采油樹回接到浮式平臺上，但因柔性立管的特殊結構形式，其適應水深遠較鋼懸鏈式立管小。為了適應不同水深的需要，鋼懸鏈線立管的概念被不斷的發展和延伸，通過浮力塊的設置，已經出現了5種形式的鋼懸鏈線立管：簡單懸鏈線立管、浮力波或緩波懸鏈線立管、陡波懸鏈線立管和L形立管。柔性立管是一種多層復合套管，每層采用不同的材料和結構以滿足不同的需求，可以實現較大曲率的彎曲，能較好地順應浮體的漂移和升沉運動，在惡劣的海域環境中尤為適用。

復合式立管適用于與半潛式浮式結構或FPSO的開發方案。目前國外應用的最大水深為安哥拉Girassol項目，水深為1 350 m[8]。

FPSO的運動性能對海洋立管系統的影響很大，盡管有不同的立管可以選擇，但是影響立管工程設計的因素卻很多。從技術可行性上來講，所選擇的FPSO立管應該具備較好的順應性，盡量減少船體運動影響的傳遞，這樣可以改善立管的動力響應。

3計算模型

3.1深水FPSO模型

以某工作于中國南海海域30萬t的FPSO為研究對象，其主尺度參數見表1，計算模型見圖1。

3.2系泊和立管系統模型

該FPSO由4組16根相同的張緊式系泊纜和由4根輸油管道組成。系泊纜的主要參數見表2。

表1　FPSO主尺度參數

圖1　FPSO船體面元模型

長度/m直徑/m濕重/(kg·m-1)剛度/N破斷強度/kN船鏈1000.146386.91.221×10918520聚酯纜28780.1757.773.180×10812790

FPSO船體、系泊和立管的耦合模型見圖2。

圖2　船體、系泊、立管耦合模型

4立管對FPSO動力響應影響的分析

4.1立管的影響

分析具有相同系泊方式、相同系泊材料、相同環境條件，深水FPSO系統有無立管時的系統動力特性,見圖3。

可看出，如果同時將立管、系泊和船體進行耦合計算時，得到的縱蕩響應譜和系纜張力響應譜的峰值要小于忽略立管的情況，而橫蕩響應譜和艏搖響應譜峰值略大于無立管的情況。因此，立管系統影響FPSO整個系統的的水平運動和系纜張力。以下的研究僅對縱蕩、系泊纜張力等開展研究。

圖3　運動和張力響應譜

4.2立管單位長度質量的影響

分析給定立管軸向剛度為2×1010N，不同單位長度質量時FPSO船體的運動性能、系泊纜張力和立管張力特性見圖4。

圖4　運動和張力隨立管單位長度質量的變化

從圖4可看出，船體縱蕩運動、系泊纜張力，隨立管單位長度質量增加而逐漸減小。同時，立管張力隨立管單位長度質量增加而逐漸增加，當立管單位長度質量為500 kg/m時，立管張力較大，達到3×104kN。因此，必須安裝可以減小立管頂端張力的結構，使得立管張力在安全范圍內。

4.3立管軸向剛度的影響

分析在給定立管單位長度質量為100 kg/m，不同立管軸向剛度時FPSO船體的運動性能、系泊纜張力和立管張力特性，見圖5。

圖5　運動和張力隨立管軸向剛度的變化

從圖5可以看出，船體縱蕩運動和系纜張力隨立管軸向剛度的增加，先后呈現增加、減小、增加、減小的趨勢。同時，立管張力隨立管軸向剛度的增加而逐漸增加，而且立管張力都較大。

5浮力塊對FPSO系統動力響應的影響

由上述的分析可知，進行船體、系泊和立管系統的耦合數值計算時，立管的頂端張力都較大，因此，必須在立管上安裝浮力塊，利用浮力塊提供的浮力，使得立管彎曲成波形，具有更好的順應性，減小立管的頂端張力。

5.1浮力塊位置的影響

選取單位長度質量為100 kg/m，軸向剛度為3×1010N的立管進行計算，該立管總長3 600 m，管內流體密度為880 kg/m3，立管外徑為0.4 m，內徑為0.3 m。計算了浮力塊質量為20 t時，浮力塊距立管頂端不同距離情況下浮力塊對FPSO動力特性的影響，見圖6。

從圖6可看出，安裝浮力塊的縱蕩運動和系纜張力比未安裝浮力塊的值大，且縱蕩運動和系纜張力隨浮力塊距立管頂端距離的增加而逐漸減小。安裝浮力塊的橫蕩、艏搖，以及立管張力比未安裝浮力塊的值小，且橫蕩運動、艏搖運動和立管張力隨浮力塊距立管頂端距離的增加而逐漸增加。

圖6　運動和張力隨浮力塊安裝位置的變化

5.2浮力塊質量的影響

選取上述立管，分別計算浮力塊距立管頂端1 800 m、浮力塊體積為50 m3時，不同浮力塊質量情況下浮力塊對FPSO動力特性的影響，見圖7。

從圖7可以看出，安裝浮力塊的縱蕩運動和系纜張力比未安裝浮力塊的值大，且縱蕩運動和系纜張力隨浮力塊質量的增加而逐漸減小。安裝浮力塊的立管張力比未安裝浮力塊的值小，立管張力隨浮力塊質量的增加逐漸增加。同時，由圖7c)可見，立管上安裝浮力塊可以有效的減小立管的頂端張力。

圖7　運動和張力隨浮力塊質量的變化

5.3浮力塊體積的影響

選取上述立管，分別計算浮力塊距立管頂端1 800 m、浮力塊質量為20 t時，不同浮力塊體積情況下浮力塊對FPSO動力特性的影響，見圖8。

圖8　運動和張力隨浮力塊體積的變化

從圖8可看出，安裝浮力塊的縱蕩運動和系纜張力比未安裝浮力塊的值大，且縱蕩運動和系纜張力隨浮力塊體積的增加而逐漸增加。安裝浮力塊的立管張力比未安裝浮力塊的值小，立管張力隨浮力塊體積的增加逐漸減小。同時，圖8表明，立管上安裝浮力塊可以有效減小立管的頂端張力。

5.4不同形式立管對FPSO系統動力特性的影響

通過調整浮力塊的位置以及浮力塊的質量和體積，立管的形式已經不再單一化，出現了簡單懸鏈線型、緩波型、陡波型等多種形式的立管。不同形式的立管計算模型見圖9。FPSO的響應結果見表3。

圖9　不同形式的立管模型

簡單懸鏈線型緩波型陡波型縱蕩/m-34.990-36.685-36.615橫蕩/m12.67112.77912.817垂蕩/m-4.169-4.144-4.150橫搖/(°)8.6718.3608.365縱搖/(°)5.0885.1425.138艏搖/(°)5.5415.5225.515系泊纜張力/kN3881.584044.874038.98立管張力/kN22356.91147.991587.37

由表3可見，不同形式立管對應的FPSO 6個自由度運動及系纜張力最大值的變化量均小于5%，說明立管形式對FPSO運動響應的影響較小。但不同形式立管對應的立管張力變化較大，尤其是安裝浮力塊的緩波型和陡波型立管的頂端張力，相對于未安裝浮力塊的簡單懸鏈線立管的張力有明顯減小。此外，陡波型立管幾乎與海底沒有接觸，可避免立管與井口的摩擦。

6結論

1) 立管系統對FPSO的運動響應和系泊纜張力產生一定的影響。船體縱蕩和橫蕩運動，以及系泊纜張力，隨立管單位長度質量增加而逐漸減小。立管張力隨立管單位長度質量增加而逐漸增加。立管軸向剛度對FPSO系統水動力性能的影響比較顯著，且立管張力隨立管軸向剛度的增加而逐漸增加。

2) 通過分析浮力塊的位置、質量和體積的對于FPSO水動力性能的影響，表明在立管上設置浮力塊對FPSO運動響應的影響較小，但是立管張力卻明顯減小。

參考文獻

[1] 劉元丹，劉敬喜，譚安全.單點系泊FPSO風浪流載荷下運動及其系泊力研究[J].船海工程，2011，40(6)：146-149.

[2] Arcandra. Hull/Mooring/Riser coupled dynamic analysis of a deepwater floating platform with polyester lines [D]. Texas: Texas A&M University. 2001.

[3] KIM M H. Vessel/mooring/riser coupled dynamic analysis of a turret-moored FPSO compared with OTRC experiment[J]. Ocean engineering. 2005(32)：1780-1802.

[4] 孫麗萍，周佳，王佳琦.深水柔性立管的緩波型布置及參數敏感性分析[J].中國海洋平臺，2011,26(3):37-42.

[5] 丁鵬龍，李英，劉志龍.陡波型柔性立管浮力塊參數化及應用[J].海洋工程，2014,32(4):19-23.

[6] 馮愛春.深海平臺及系泊與立管系統動力特性分析[D].上海：上海交通大學，2010.

[7] 戴遺山.艦船在波浪中運動的頻域與時域勢流理論[M].北京：國防工業出版社，1998.

Vessel, Mooring and Riser Coupled Analysis of Deepwater FPSO in Time-domain

SHI Xing-hua1, XU Shuo-shuo1, HANG Cen2, ZHANG Ke1

(1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China;2 Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract:To study the effect of the riser systems to the deepwater FPSO system, based on time-domain coupling theory, the SESAM-DeepC is applied to conduct the coupling analysis of the FPSO hull, mooring and riser by nonlinear method in rime domain. The mooring performance of system is analyzed considering riser and without riser, besides, the influence of the mass per unit length of the riser, the axial stiffness of the riser, the location, mass, volume of the buoyancy to FPSO is studied. The effects of different forms of rises on the response of FPSO are discussed. The results indicate that the riser can reduce the mooring force and motion responses of the deepwater FPSO. The top tension of simple catenary riser is larger and installing the buoyancy block can effectively reduce tension.

Key words:deepwater FPSO; riser; mooring; coupled analysis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.031

收稿日期：2015-11-07

基金項目：國家自然科學基金(51509113)，江蘇省高校自然基金(13KJA570001,14KJB580005)，江蘇省重點實驗室開放基金(CJ1306，CJ1403)

第一作者簡介：施興華(1981—),男,博士,副教授 E-mail:shixinghua9@163.com

中圖分類號：U674.38

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0135-06

修回日期：2015-12-24

研究方向:海洋工程結構水動力分析