FPSO軟剛臂單點系泊系統載荷數值分析

田冠楠，劉 昊，李 牧

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

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FPSO軟剛臂單點系泊系統載荷數值分析

田冠楠，劉 昊，李 牧

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

軟剛臂型單點系泊FPSO是渤海海域油田開采的主要設施。為了研究軟剛臂單點系泊系統載荷，基于設計規范假定參數，建立完整FPSO數值系泊模型，并在百年一遇環境環境條件，對滿載和壓載兩個工況進行數值模擬，同時與水池試驗進行對比研究，驗證數值模型的有效性。

FPSO;系泊載荷；數值計算；試驗

相對于陸地，海上油氣開發難度較大，海洋石油設施是獲取海洋油氣的重要技術手段[1]。FPSO是海洋油氣資源生產的主要設施和全海式油田開發的核心單元，該設施為集油氣水處理、儲存、外輸、發電等多項功能于一體，在油田的整個開發過程中，扮演著至關重要的角色。然而，FPSO在長期服役中面臨著復雜的海洋環境，因此，FPSO的系泊系統安全受到國內外學者的關注和研究[2-4]。

目前，常用的系泊系統安全研究方法為數值模擬、模型實驗，其中數值分析主要依賴于現有的理論和科學方法，對實際情況進行一定簡化，通過模擬計算得到系泊系統的性能信息；模型實驗主要依賴于實際結構，進行縮比實驗，從而得到FPSO在環境條件下的響應，系泊系統受力及狀態等參數。2種方法均有一定的不足，數值計算中需假設和簡化多個參數，而模型試驗則對模型及環境條件模擬要求較高，且需要花費大量人力物力，無法進行實時分析[5]。因此，考慮以作業于渤海區域的15萬t FPSO為研究目標，按照設計規范假定參數[6]，建立完整的FPSO系泊模型進行數值模擬，與試驗值進行對比分析，驗證該數值模型的有效性，以便通過數值方法對FPSO的系泊能力進行預測和評估。

1 理論基礎

1.1 FPSO波頻運動方程

基于三維勢流理論，計算頻域下的波浪力、附加質量和附加阻尼，進而得到單位幅值波激勵下的運動RAO值，通過傅里葉變換，得到FPSO波頻運動方程[7]。

(1)

式中：Mij， μij——質量矩陣和附加質量矩陣；

Kij(τ)——延時函數矩陣，與阻尼有關；

Cij——恢復力矩陣。

1.2 FPSO低頻運動方程

FPSO的垂蕩、橫搖和縱搖運動的固有頻率屬于高頻范圍，因此FPSO的低頻運動僅考慮橫蕩、縱蕩和艏搖運動，其運動方程為[8]

(2)

(3)

(4)

式中：m——浮體質量；

I66——慣性矩；

B11，B22，B66——靜水阻尼；

Bwdd——縱蕩波浪慢漂阻尼系數；

x(2)——低頻運動；

Fwind，Fcurrent——風載荷、流載荷；

Fwave(2)，Fmoor——波浪載荷、系泊力。

1.3 波浪載荷

作用在FPSO的波浪力基于選定的波浪譜，通過傅立葉變換得到時域的波高分布值，進而得到波浪力一階和二階波浪載荷的時域過程，其中由于作業水深較淺，考慮波浪的差頻影響。考慮不規則波浪下，作用于FPSO的波浪力為

(5)

式中：Fwave(1)，Fwave(2)——波浪的一階、二階載荷；

h(t)——一階脈沖響應函數；

η(τ)——時域的波面升高函數；

Aj，Ak——雙色波動波幅值；

ωj，ωk——雙色波的頻率；

ηj，ηk——雙色波的隨機相位；

1.4 風、流載荷

在系泊計算時，通常將風作為均勻風來處理，風載荷通過不同入射角度風對應不同的風系數，流載荷也采用該計算方式，其載荷計算方程為：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Cw，Cc——風、流系數；

ρa，ρw——空氣、水的密度；

L——力作用點到重心距離；Aa，Aw——FPSO在風和流方向上的投影面積；

Vw，Vc——相對于FPSO的風速、流速。

2 研究對象

研究對象為作業于渤海海域的15萬t級FPSO，作業水深17.8 m，船體參數見表1。

表1 FPSO主要參數表

FPSO通過軟剛臂式系泊系統進行定位，總布置見圖1。

圖1 軟剛臂單點系泊系統

采用Ariane軟件對FPSO進行數值建模，為了準確模擬FPSO單點系泊系統，對系泊系統進行簡化處理，對其中參數按照規范進行假定，得到圖2系泊模型，其中測點A、B為載荷測點，分別為系泊腿載荷及YOKE與LINK ARM連接處的載荷，系泊系統設計滿足百年一遇海洋環境狀況。

圖2 數值模型簡化系泊系統

3 水池模型試驗

為了盡量模擬FPSO在淺水中的運動特性，水池模型(見圖3)試驗中采用縮尺比42對FPSO進行縮放，對FPSO在壓載、滿載工況下百年一遇環境條件進行模擬，波浪和風分別采用Jonswap譜和NPD風譜，流為定常流，時間對應實際的3 h，工況見表2。在模型試驗前，將模擬值與給定的風浪流值進行校核，保證試驗值有效。

圖3 FPSO水池試驗模型

工況風(NPD譜)角度/(°)1h平均/(m·s-1)浪(Jonswap譜)角度/(°)γ波高/m周期/s流(連續)角度/(°)1h平均/(m·s-1)滿載1工況(Full1)24028.32701.85.410.31801.21滿載2工況(Full2)27028.32701.85.410.31801.00壓載1工況(Ballast1)27028.32701.85.410.31801.73壓載2工況(Ballast2)24028.32701.85.410.31801.00

4 結果與分析

為了保證采用數值模擬的準確性，首先通過調整質量分布、YOKE壓載等對模型剛度進行校核，結果見圖4。由圖4可見，數值模型的剛度曲線在該線性區間內誤差較小，較為準確。

圖4 系泊系統剛度

基于該模型進行時域仿真計算，由于數值計算和模型試驗采用波譜種子隨機數很難一致，所以只能比較數值計算和模型試驗在同一海況下的統計值。為了校核數值模型采用的系泊阻尼的準確性，選取2個滿載及2個壓載海況對應的工況在3 h海況下艏向角和系泊力的平均值及方差進行對比分析。見圖5、6。

從圖中由FPSO艏向和系泊力的數值計算結果與模型試驗結果對比分析可以看出，2者之間的差異較小，系泊力誤差在10%以內，數值模型基本滿足要求，計算結果較為準確。產生微小差異的原因，一是可能由于波浪種子隨機數不一樣，FPSO艏向變化會有一定的差異；二是試驗中會有一些干擾因素如相關采集設備的電纜等，也可能會影響結果。FPSO艏向及系泊力的數值計算結果與模型試驗結果的對比分析驗證了數值模型的可靠性。

圖5 FPSO試驗值與計算值艏向角對比

圖6 FPSO試驗值與計算值平均載荷對比

其中FPSO在壓載狀態下系泊力稍大于滿載狀態，這主要由于滿載狀態下FPSO質量較大，從而導致整體系泊系統剛度及相應的阻尼增大，進而引起系泊力有一定的降低。

5 結論

利用Ariane軟件對指定環境工況下的軟剛臂系泊系統的FPSO進行數值分析，與模型試驗的對比，計算誤差較小，驗證了該數值模型的有效性。同時，該方法也可用于在預報海洋環境條件下，對FPSO系泊系統的定位能力進行評估，保證其安全運營作業。

[1] 江懷友，趙文智，閆存章，等.世界海洋油氣資源與勘探模式概述[J]，海相油氣地質，2008，13(3)：5-10.

[2] 趙文華,胡志強,楊建民,等.FPSO系泊系統載荷計算與分析[J].中國海上油氣，2011，23(2)：116-121.

[3] 劉成義，唐友剛，李焱.水深對軟剛臂單點系泊FPSO動力響應的影響[J].海洋工程，2016，34(1)：25-32.

[4] DUGGAL A, LIU Y, HEYL C. Global analysis of shallowWater FPSOs[C]. Offshore technology conference，2004.

[5] 肖龍飛,楊建民.FPSO水動力研究與進展[J]海洋工程，2016，24(4)：116-123.

[6] BUREAU VERITAS. Rules for the Classification of Offshore Units[S]. March,2007.

[7] 嚴明，田冠楠，楊凱東，王連佳.惡劣海況下海洋石油116內轉塔式FPSO裝配載優化[J].船海工程，2015，44(4)：88-92.

[8] 夏華波.淺水自調節外轉塔單點系泊研究[J].海洋技術學報，2014，33(3)：99-104.

Numerical Simulation of the Mooring Load of FPSO with Soft Yoke

TIAN Guan-nan, LIU Hao, LI Mu

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

FPSO with soft yoke is the main facility of oil fields exploiting in Bohai sea. In order to analysis the mooring load of soft yoke, an integral numerical model was established with the assumptive parameter based on the design rules. The numerical analysis was carried out for the cases of full load and ballast load. The numerical results were compared with that of experiments, showing that the numerical model is effective.

FPSO; mooring load; numerical calculation; experiment

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.004

2016-07-10

中海油能源發展項目(HFXMLZ-CY201403)

田冠楠(1989—)，男，碩士，助理工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0016-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋結構物水動力性能

E-mail:tiangn@cnooc.com.cn