“海洋石油112”號FPSO單點系泊模型試驗與數值計算對比分析

詹燕民張天宇張大剛

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津300452；2.北京迪瑪爾海洋技術有限公司 北京100029）

“海洋石油112”號FPSO單點系泊模型試驗與數值計算對比分析

詹燕民1張天宇2張大剛2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津300452；2.北京迪瑪爾海洋技術有限公司 北京100029）

國內有多艘大型軟剛臂系泊FPSO在淺水服役，或多或少均存在一定故障，因此淺水FPSO水動力性能和安全問題受到廣泛重視。“海洋石油112”號FPSO軟剛臂單點系泊系統位于渤海淺水水域。文中對該單點系泊系統進行了系泊分析數值模擬，并與水池試驗結果進行對比，驗證三維動力響應數值模擬在淺水中應用的準確性。

浮式生產儲卸油裝置；單點系泊系統；軟剛臂；模型試驗

引 言

“海洋石油112”號FPSO（HYSY112）是一艘15萬噸級原油收集處理裝置，使用由APL公司設計的水下軟剛臂單點系泊（簡稱“112單點”）。該單點系泊系統（SPM）2004年安裝完成，設計使用壽命為25年，見下頁圖1。單點系泊系統在投產后，自2009年開始出現了一系列故障。這些故障不僅使油田停產，造成經濟損失，同時也給海洋環境和現場操作人員的安全帶來一定威脅。

112單點系統出現的故障有多種，其中包括水上軸承偏磨、外轉塔螺栓疲勞斷裂、水下軸承偏磨、錯位等等，還有一些潛在風險點，如關鍵點螺栓疲勞、高應力區結構的強度、疲勞等。為查找該單點已有的或潛在的風險點，需對部分APL設計分析進行復核。本文對112單點進行了系泊分析，并將計算結果與模型試驗進行對比，以檢驗數值分析的準確性。計算所得系泊力將為單點結構強度及疲勞分析提供載荷依據。

圖1 “海洋石油112”號單點系統（水上部分）

1 系泊力計算

1.1 系泊分析

軟剛臂單點系泊系統總布置圖見圖2。

圖2 “海洋石油112”號單點系泊系統示意圖

該系統主要由以下部件組成：

（1）FPSO及系泊鏈支撐結構；

（2）帶基座的內塔（固定部分）；

（3）轉塔（旋轉部分，與內塔通過軸承連接）；

（4）系泊軟剛臂及系泊鏈；

（5）跨接軟管；

（6）操作條件下FPSO與系泊塔之間的舷梯。

系泊分析中，需要FPSO、系泊鏈、軟剛臂三個部分。FPSO與軟剛臂視為剛體，兩者之間以兩根系泊鏈連接。112單點所在位置的平均水深為24 m。

FPSO、軟剛臂及系泊鏈參數主要參數見表1，單點系統示意圖見圖2。

表1 FPSO及其系泊系統主要參數

1.1.1 FPSO水動力計算

水動力分析采用商業軟件WAMIT進行計算，該軟件基于三維有限水深格林函數求解。頻域計算中，波浪周期從0.2 ～1.6 rad/s，取35個波浪周期。浪向從0°～180°，取9個浪向（0°，15°，30°，45°，90°，135°，150°，165°，180°）。橫搖粘性阻尼由模型試驗得到，由于縱搖及垂蕩勢流阻尼占總阻尼絕大部分，因此可忽略縱搖及垂蕩粘性阻尼。水動力計算網格見圖3。

圖3 水動力計算網格

1.1.2 系泊系統耦合計算

整個系泊系統模型利用Orcaflex進行多體系統耦合計算。FPSO屬于大尺度構件，則通過三維勢流理論進行求解（WAMIT），由勢流理論得到的FPSO附加質量、附加阻尼、一階波浪激勵力、二階波漂力系數及靜水力剛度等參數作為系泊耦合分析的輸入參數。二階傳遞函數采用全QTF法［1］（Full Quadratic Transfer Function），即通過繞射/輻射理論數值計算得到二階波浪慢漂力的QTF矩陣。

軟剛臂可作為細長體單元進行模擬，通過Morison方程求解其水動力，其中拖曳力系數CD= 1.0，附加質量系數 AM= 0.8。均布式質量加載于軟剛臂上，使得整個錨鏈初始預張力為750 t（每條鏈375 t）。由于錨鏈較短，錨鏈的水動力參數沒有考慮。FPSO漂移阻尼根據系泊系統自由衰減試驗得到，縱蕩臨界阻尼比1.4%。作用于FPSO的風、流載荷系數由風、流模型試驗分別得到。計算模型見圖4。

圖4 單點系泊數值模型

數值模型應校準系泊系統回復力剛度曲線，使其與水池試驗模型的系泊系統回復力剛度曲線一致，見圖5。

圖5 回復力剛度曲線對比

數值計算采用耦合時域分析，每個工況選取10個不同的隨機波浪種子數進行模擬計算，模擬時間3 h，并取每次模擬統計值的平均值作為此工況的計算值。

1.2 環境條件

數值計算所采用的海況條件與模型試驗一致。其中，風速與流速采用與試驗值相同的定常值進行模擬，海浪譜采用JONSWAP譜［2］，其定義如下：

式中：譜峰圓頻率ωp= 2π/Tp，rad/s；Tp為譜峰周期；HS表示有義波高，m；γ表示譜峰升高因子，如果譜峰升高因子γ =1，則波浪譜表示P-M譜；σ表示譜峰形狀參數。

2 水池模型試驗

“海洋石油112”號軟剛臂單點系泊系統模型試驗在上海交通大學海洋工程試驗室進行，見圖6。模型縮尺比為1∶60，全尺度水深為24 m。

試驗模擬環境條件為一年一遇海況（HS= 3.4 m）和百年一遇海況（HS= 5.0 m），采用JONSWAP譜，流速分別對應0.75 m/s和1.35 m/s，并在試驗室水池的有流和無流條件下進行校波。動態風采用NPD譜進行模擬。試驗的部分環境工況見表2。

圖6 “海洋石油112”號水池模型試驗

水池模型試驗中得到的風載荷系數和流載荷系數見表3。

表2 模型試驗模擬工況

表3 FPSO風載荷系數和流載荷系數

3 數值計算與模型試驗結果對比分析

數值模擬與水池試驗結果對比參數包括系泊錨鏈張力平均值、張力最大值以及張力均方差，對比圖見圖7 — 圖9。從圖7中可以看到，系泊錨鏈平均張力的計算值與試驗值基本一致，說明穩態定常力模擬精確。圖8中的錨鏈張力最大值除工況03、工況04，均吻合較好。圖9中，系泊錨鏈張力均方差值除工況05、工況04（左舷錨鏈）外相比試驗值均明顯偏小。

圖7 系泊錨鏈張力平均值

圖8 系泊錨鏈張力最大值

圖9 系泊錨鏈張力均方差值

工程計算中，波浪譜通常采用波浪譜JONSWAP譜、PM譜等，然而這些理論波浪譜的能量成分主要集中在ω= 0.2～2.0 rad/s的波浪頻率范圍內，至于ω= 0～0.2 rad/s的低頻范圍，一般沒有波浪能量成分。然而，在近岸淺水海域，伴隨著大幅度振蕩的波浪時歷（波群），總會出現較明顯的低頻波浪成分，這便是在淺水非線性波浪中出現的低頻約束長波現象［3］，隨著水深增加，這種低頻約束長波的影響也隨之逐漸減弱。同樣，在水池試驗得到的波浪譜中也可以觀察到這種低頻能量。波浪譜中，低頻能量成分（即低頻約束長波成分及其誘導一階低頻波浪力）的出現，使得總的低頻波浪慢漂激勵力有大幅度增加，最終導致單點系泊FPSO低頻共振縱蕩運動響應以及由此產生的系泊系統系泊力相比于數值計算有一定幅度的增加。

4 結 論

本文針對112單點系泊系統進行了數值計算與模型試驗的對比分析，結果顯示：絕大部分工況中系泊平均張力與系泊最大張力的計算值均與試驗值較好吻合。由于低頻約束長波的出現，在大部分海況中數值計算錨鏈張力均方差值相比試驗值明顯偏小，而疲勞累積損傷與均方差成正相關關系。112單點中，基座、內塔、軟剛臂、系泊支撐結構、部分連接螺栓等部件的疲勞都與系泊張力相關，系泊張力均方差的低估將導致這些構件在投產運行中的實際壽命比設計壽命偏小，引起一些潛在的故障。例如，連接軟剛臂的首搖軸承蓋板上的36個螺栓長期承受系泊力的往復作用，2009年檢測發現其中4個螺栓的螺紋出現明顯損傷，隨后進行更換。這種潛在的故障如果逐步擴大，將會造成嚴重的事故。

關于低頻約束長波和海岸低頻波浪在實際近岸淺水海域中的存在及其形成機理，已被許多理論研究和實際觀測所證實［4］。如果忽視淺水低頻長波成分的存在，采用傳統研究方法，純粹采用理論波浪譜以及線性疊加形成的不規則波浪時歷，對FPSO和單點系泊系統水動力性能進行預報，將會造成預報結果偏小，給工程設計帶來隱患。然而一般的商業軟件無法模擬該部分低頻波浪成分，且該低頻波浪能量會隨著水深增加而減小，這就需要進行一系列的水池模型試驗以得到相應的經驗修正系數或公式了。

［1］Kim M H.Yue D K P.The complete second-order diffraction solution for all axisymmetric body.Part 2.Bichromatic incident waves［J］.Journal of Fluid Mechanics，1990，211：557-593.

［2］DNV.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads［S］.2007.

［3］肖龍飛.淺水波及軟剛臂系泊FPSO淺水效應研究［D］.上海：交通大學博士論文，2007.

［4］鄒志利.水波理論及其應用［M］.北京：科學出版社，2005.

Comparative analysis of HYSY112 single point mooring system by model test and numerical simulation

ZHAN Yan-min1ZHANG Tian-yu2ZHANG Da-gang2
（1.CNOOC Ltd.（Tianjin），Tianjin 300452，China；2.Beijing DMAR Offshore Engineering，Inc.，Beijing 100029，China）

Many domestic soft yoke mooring FPSOs in large scale serve in shallow water，which more or less have a certain fault，resulting in much more attention of the hydrodynamic performance and the safety of FPSO in shallow water.HYSY112 soft yoke single point mooring（SPM）system is located in the shallow water field in the Bohai Sea.The HYSY112 SPM system is numerically simulated to validate the accuracy of the threedimensional dynamic response numerical simulation that is applied in shallow water by comparison with the basin model test results.

FPSO（floating production storage and offloading）； single point mooring system； soft yoke mooring；model test

P751

A

1001-9855（2016）05-0088-06

2016-01-21；

2016-03-17

詹燕民（1979-），男，工程師，研究方向：設備管理。張天宇（1983-），男，碩士，高級工程師，研究方向：海洋工程水動力、系泊分析。張大剛（1962-），男，博士，教授級高級工程師，研究方向：海洋工程研究、設計及工程管理。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.088