八角形FPSO串靠外輸系統耦合動力響應分析

陳勃任，唐友剛，黃 印，何 鑫

(天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

八角形FPSO串靠外輸系統耦合動力響應分析

陳勃任，唐友剛，黃 印，何 鑫

(天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

針對100 m作業水深的八角形FPSO，提出采用穿梭油輪串靠的外輸方案，研究串靠外輸在南海的適用性。建立由八角形FPSO及其系泊系統、穿梭油輪及FPSO與穿梭油輪之間的系泊大纜等組成的浮式多體動力學模型，根據多浮體動力學理論進行耦合時域模擬。在外輸海況條件下，分析了串靠連接的環境適應性及研究大纜載荷的響應特性，對連接大纜的長度、剛度等關鍵參數進行了敏感性分析。研究表明，串靠外輸的形式對于八角FPSO具有足夠的安全性和可靠性，系泊大纜受到明顯的沖擊張力，張力的幅值受大纜的長度和剛度影響較大。

串靠外輸；八角形FPSO；動力響應；浮式多體系統； 穿梭游輪； 系泊大纜

Abstract: An offloading scheme by using tandem shuttle tanker is proposed for an octagonal FPSO in 100m working depth. The adaptability of the offloading scheme in the South China Sea is also studied in this paper. The floating multi-body dynamical model is set up which consists of octagonal FPSO and its mooring system, shuttle tanker and hawser which connects the FPSO and the shuttle tanker et al. The simulation is carried out based on the floating multi-body dynamical theory in time domain. In the sea condition of offloading, the environmental adaptability of the tandem offloading scheme and the response characteristics of the hawser are analyzed. The sensitivity of the key parameters, such as the length and stiffness of the hawser are investigated. It is shown that the scheme of tandem offloading has sufficient safety and reliability to the octagonal FPSO. The hawser is forced by the impact loads obviously, and the amplitude of the tension is mainly affected by the length and stiffness of the hawser.

Keywords: tandem offloading; octagonal FPSO; dynamic response; floating multi-body system; tanker; hawser

傳統的船型FPSO為保證其具有風標效應，通常采用轉塔形式的單點系泊系統[1]，但是單點系統結構復雜，其建造、安裝和維護成本昂貴。近年來，從經濟性和適用性的角度出發，海洋工程界提出了一些新型的FPSO。由挪威的Sevan Marine公司設計的世界首座圓筒形FPSO——“Piranema Spirit”，于2007年在巴西投入使用，且無風標效應的圓筒形結構形式允許穿梭油輪在更大范圍內進行外輸操作[2]；王天英針對渤海海域邊際油田提出了圓角倒棱臺型FPSO(IQFP-FPSO)，該結構在淺水海域的水動力性能良好，且具有顯著的抗冰能力，對于渤海邊際油田的開發具有一定的優勢[3]。趙志娟等人提出的多筒式FDPSO結構，不僅具有干式儲油的優點，而且降低了原油卸載過程對結構運動性能的影響[4]。

國內外學者對于船型FPSO串靠外輸也展開了一系列的研究。Morandini等人提出了FPSO串靠外輸過程中的設計狀態和安全準則等[5]；Sun等根據最弱失效模式組理論對FPSO外輸中的斷纜可靠性進行了計算，得出FPSO系泊系統和大纜的可靠性指標，結果表明在雙纜的配置下外輸可靠性明顯提高[6]；Zhao等研究了與FPSO類似的FLNG串靠外輸系統的設計問題，結果表明外輸間距及FLNG與LNG船之間的連接方式都對外輸操作的安全性和穩定性有顯著影響[7]。FPSO串靠外輸中會存在風載荷與流載荷的遮蔽效應：巴西圣保羅大學的Fucatu和Nishimoto對于海流的遮蔽效應通過模型試驗進行了研究，結果表明由于FPSO引起的遮蔽效應，海流對于穿梭油輪的運動有一定的影響[8]；對于風載荷的影響，荷蘭學者Koop等[9]采用風洞試驗和CFD模擬手段對串靠外輸中穿梭油輪所受的風力系數進行了研究，結果表明由于FPSO的遮蔽效應，穿梭油輪所受的風力反而增大6%。

針對淺水小型油田和邊際油田的開發，范模[10]提出了八角形FPSO結構形式，其各向環境力基本相同，更有利于采用多點系泊系統，相比于船形FPSO采用的單點系統，可以大大降低系泊系統的復雜性和造價。近年來的研究工作，主要集中在圓柱形或者八角形FPSO的外形、水動力和運動響應的研究，而對于此類結構輸油方式和輸油過程的動力響應研究較少。本文針對100 m作業水深的八角形FPSO，針對串輸方案，建立了八角形FPSO、大纜及油輪浮式多體系統耦合的分析模型，研究了不同大纜參數對于耦合系統的動力響應的影響，揭示了串輸系統復雜的動力響應特性。

1 外輸系統描述

在八角形FPSO主甲板的一邊上設置用于外輸連接的系泊大纜(hawser)和輸油軟管(hose)的接頭。大纜連接處允許其發生左右約90°的旋轉，以適應不同的環境載荷方向。在穿梭油輪的尾部，輔以限位拖輪以保證外輸操作的安全進行。在主外輸作業區的對稱位置設置副外輸作業區，以保證在反向的環境條件下外輸工作也能順利實施。八角形FPSO的串靠外輸系統的總體布置和連接局部布置如圖1所示。

圖1 八角形FPSO串靠外輸布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

對八角形FPSO和穿梭油輪(tanker)在ANSYS中建模，并導出用于AQWA水動力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的結構主要參數見表1，穿梭油輪的滿載排水量為44 430 t，壓載排水量為26 120 t。

八角形FPSO采用多點系泊的方式進行定位。在100 m水深，采用3組系泊纜，每組5根的多點系泊方式，每組間隔120°，組內每根系纜間隔3°。錨鏈的系泊預張力取150 t，相關錨鏈參數見表2。進行外輸時，FPSO和穿梭油輪通過大纜連接，大纜的主要參數見表3。

表1 八角形FPSO主要參數Tab.1 Major parameters for octagonal FPSO

表2 FPSO錨鏈系泊參數(預張力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring for 100 meter depth (pretension=150 t)

表3 大纜參數Tab. 3 Parameters of hawser

2 多浮體系統動力學分析方法

2.1動力學方程

時域分析中，FPSO和穿梭油輪的運動控制方程[11]：

式中：M表示浮體的質量矩陣；A表示無限大頻率時的附加質量矩陣近似值；D表示線性阻尼系數矩陣；K表示靜水回復剛度矩陣；分別表示一階和二階波浪載荷、流載荷與風載荷；Fext表示系泊系統載荷、拖輪限位載荷、多體約束載荷等；hτ表示遲滯函數矩陣，是自由表面記憶效應的體現，可以由式(2)計算得到：

其中，aω=Aω-A，bω=Bω，Aω和Bω分別表示附加質量矩陣和輻射阻尼矩陣，由三維勢流理論計算得到。

對FPSO和穿梭油輪組成的一個多浮體系統進行分析時，根據多剛體動力學系統的牛頓-歐拉方法，考慮浮體之間的連接形式進而求解計算。在計算中，考慮了該外輸系統中拖輪拖力的方向是隨著穿梭油輪的位置改變而改變的，并非一個定常載荷。

連接FPSO和穿梭油輪的系泊大纜相當于多浮體之間的約束形式，FPSO、穿梭油輪、大纜等組成的浮式多體系統在時域模擬過程中可按照多浮體動力學理論進行計算。

2.2線性阻尼系數

對于系泊浮體在運動過程中受到的黏性阻尼、系泊纜阻尼以及系纜與海底的摩擦阻尼等采用經驗公式進行估算。參考BV NR 493規范：對于多點系泊的浮體，橫蕩和縱蕩的線性阻尼系數取臨界阻尼的3%，艏搖線性阻尼取臨界阻尼的5%；對于外輸過程中的穿梭油輪，由于其限位系纜位于水面以上，需再乘以系數0.37作為修正[12]。

2.3環境載荷

八角形FPSO的風載荷與流載荷根據CCS規范進行計算[13]。對于風載荷的計算，其形狀系數取1.0；對于流載荷的計算，海流拖曳力系數取1.0。由于八角形FPSO結構近似于圓筒形，故忽略風和流引起的艏搖力矩。

穿梭油輪的風載荷與流載荷采用OCIMF給出的計算公式和系數進行計算[14]。

根據三維勢流理論，采用源匯分布法求解出波浪的速度勢，再通過壓力積分求解波浪載荷。其中，波浪平均漂移力采用Newman近似法進行計算。

3 設計安全準則

FPSO串靠外輸中系泊大纜的強度準則參考依據為BV NR 494[15]。大纜的設計載荷計算如下：

1)對于單大纜連接的串靠外輸(single line system)

2)對于雙大纜布置的串靠外輸(twin-line system, 見圖2)

其中，ThD表示大纜的設計張力，TD表示在系泊分析中等效為單纜繩的張力。

圖2 典型的雙大纜布置示意Fig. 2 Typical arrangement of double hawsers for offloading

大纜的強度準則：

其中,SF表示安全系數，見表4；BS表示大纜的水中破斷強度，其計算如下：

其中,NWBS表示單腿式大纜的水中破斷強度；cN表示構造系數。如圖3所示，對于單腿式大纜(single leg type)，取cN=1.0；對于雙腿式大纜(double leg or grommet type)，取cN=1.7。

圖3 大纜構造示意Fig. 3 Structure of hawser

布置形式摩擦鏈等級Q3，QR3QR4大纜雙纜2．02．22．5單纜2．52．73．0

選取單腿式的大纜構造形式，串靠外輸采用單大纜連接。根據上述大纜的安全系數的選取要求和強度準則，可計算得到大纜的許用載荷為261.3 t。

4 數值模擬

通過AQWA-DRIFT模塊對FPSO的外輸系統的輸油過程進行時域系泊分析。分析中，計算兩種典型的裝載工況：FPSO滿載-穿梭油輪壓載和FPSO壓載-穿梭油輪滿載。采用定常大小的力模擬穿梭油輪船尾限位拖輪的系柱拖力，取值20 t。時域分析模擬時長3小時，時間步長取0.2 s。計算中，FPSO和穿梭油輪的局部坐標系原點分別位于其中縱剖面、中橫剖面、靜水面的交點，未連接穿梭油輪和施加環境載荷時，FPSO局部坐標系原點與全局坐標系原點重合，方向見圖4。

圖4 坐標系與環境載荷方向Fig. 4 Coodinate system and environmental loads directions

確定兩個外輸操作環境條件如表5所示，取風浪流同向(-135°)進行計算分析。在FPSO滿載工況下，計算得到的兩浮體的縱蕩、橫蕩和艏搖時程曲線及對應的大纜時程曲線如圖5所示。

表5 外輸環境條件Tab. 5 Environmental condition of offloading

圖5 外輸的時域歷程曲線Fig. 5 Time-history curves for offloading

4.1適用性分析

對各工況下大纜設計載荷和結構最小間距進行統計，結果見表6。

表6 計算結果數據統計表Tab. 6 Statistical table of result

從表6可以看出，各裝載及海況下，大纜的載荷均在許用載荷261.3 t以內。穿梭油輪與FPSO的最小間距在70 m以上。

由于八角形FPSO不具有類似于船型FPSO的風標效應，因此需對不同的環境載荷方向下，外輸的安全性進行驗證分析。現考慮圖6所示三個不同的外輸位置，分析其對于外輸耦合系統的影響。計算海況取表6中的海況。

圖6 穿梭油輪與FPSO的三個不同相對位置Fig. 6 Three different relative positions of shuttle tanker and FPSO

針對三個不同的相對位置，計算得到大纜載荷與浮體間距，結果見表7。從表中可以看出，不同位置下，大纜載荷與浮體間距變化不大。大纜載荷均在許用載荷的范圍內，穿梭油輪與FPSO的最小間距在72 m以上。說明串靠外輸形式對于不同的環境載荷方向具有較好的適應性。研究中發現，相比于位置1，在位置2和位置3的模擬中，FPSO的艏搖運動幅值有增大現象。分析其原因在于，大纜張力的作用線不再通過八角FPSO的中心，對FPSO產生艏搖力矩引起的。

表7 不同相對位置下分析結果統計Tab. 7 Results of different relative positions

為得出外輸操作的臨界環境條件，對海況等級進行搜索計算。根據蒲氏風級表中風速與有義波高的對應關系，確定表8中的6個計算海況，計算中采用JONSWAP模擬不規則波浪，譜峰周期取7.0 s，譜峰升高因子取2.0，風浪流環境載荷同向。統計得出大纜張力與有義波高的關系見圖7，各海況下大纜的安全系數見表9。

表8 外輸搜索計算海況等級列表Tab. 8 Sea state levels of searching calculation for offloading

圖7 大纜張力與有義波高關系Fig. 7 Relationship between hawser tension and significant wave height

海況編號123456安全系數18．77．64．54．13．42．1

從圖7中可以看出，隨著有義波高的增大，大纜載荷迅速增加。大纜在7級海況下的安全系數為3.4，仍滿足強度準則；在8級海況下大纜安全系數為2.1，不滿足強度準則。因此以4 m的有義波高為臨界海況條件，結合南海某海域各月份及年度的“波高-波向聯合分布”資料(圖8浪玫瑰圖所示)，對FPSO逐月的外輸時率進行統計，結果見表10。從三月份到九月份，每月外輸時率均在90%以上，氣象條件對FPSO外輸影響不大；從十月份到次年二月份，環境條件較為惡劣，每月外輸時率在90%以下，應根據氣象條件合理安排FPSO的生產和外輸工作。

圖8 浪玫瑰圖(年)Fig. 8 Wave rose diagram (year)

月份123456789101112時率/(%)87．489．996．397．899．297．896．396．396．284．076．176．4

4.2大纜響應特性分析

對圖5(c)所示的連接大纜的時程曲線做快速傅里葉變換，得到纜繩載荷的頻域特性曲線，見圖9。從圖中可以看出，纜繩的載荷主要出現在兩個頻率段：低頻部分，從0.02 rad/s到0.05 rad/s，這部分與主要受浮體的低頻運動決定；波頻部分，從0.13 rad/s到0.22 rad/s。結合圖5中大纜張力的時程曲線，分析這部分主要受到沖擊張力的影響。當穿梭油輪與FPSO出現反向運動，大纜由松弛狀態突變為張緊狀態，此時大纜受到的瞬時沖擊張力的作用。大纜松弛-張緊時產生的沖擊張力容易引起纜繩的損傷，減小疲勞壽命[16]。

圖9 大纜載荷頻率成分分析Fig. 9 Frequency components of hawser tension analysis

4.3大纜參數敏感性分析

1)長度敏感性

外輸中大纜的長度對大纜的響應特性有很大的影響。在此選取纜長從40 m到100 m、間隔10 m，共7個長度條件，對纜長的敏感性進行分析。以外輸海況一為例，大纜張力結果如圖10所示。當纜長增加時，其張力幅值明顯減小。原因在于：當纜繩長度較短時，FPSO和穿梭油輪之間的約束剛度大，浮體相對運動劇烈，大纜張力較大；反之，當纜繩長度增加時，其張力較小。

2)剛度敏感性

在系泊大纜EA=43 000 kN大小的基礎上，分別減小20%、40%和增大20%、40%。變化之后的剛度值見表11。分析中，大纜長度仍取80 m長。計算結果表明：大纜剛度的減小，會使其張力時程曲線的“尖點”減少，即張力載荷更加趨于平穩，大纜張力幅值也較小，見圖11。

圖10 大纜長度對張力幅值的影響Fig. 10 Length influence on tension amplitude of hawser

變化百分比/(%)-40-2002040剛度值/(N·m-1)3．23×1054．30×1055．38×1056．45×1057．53×105

圖11 大纜剛度對張力幅值的影響Fig. 11 Stiffness influence for tension amplitude of hawser

5 結 語

采用多浮體動力學方法，計算分析了八角形FPSO串靠外輸系統的耦合動力響應，分析了外輸方案的適用性、大纜的響應特性和參數敏感性，主要結論如下：

1)外輸過程中，如果環境載荷方向變化較大，穿梭油輪會繞導纜孔發生較大的轉動，會對FPSO產生較大的艏搖力矩，加大FPSO的艏搖運動。

2)比較不同海況外輸的計算結果可知，對作業于水深100 m的FPSO，7級海況(有義波高4.0 m)為外輸臨界海況，大于7級海況需要停止外輸。

3)外輸系泊大纜的載荷中的幅值主要是穿梭油輪遠離FPSO運動時，纜繩由松弛突變為張緊時產生的沖擊載荷，雖然纜繩的平均載荷不大，但是沖擊載荷值可高出平均張力數倍，對于纜繩的安全影響很大。

4)大纜長度的增加可以使張力幅值減小，長度達到80 m以上時，張力值趨于穩定；大纜的剛度越小，穿梭油輪與八角FPSO的連接柔性增強，故大纜張力幅值也越小。相比于大纜的剛度參數，浮式多體系統對長度參數更為敏感。

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Analysis of coupled dynamics response for octagonal FPSO in tandem offloading operation

CHEN Boren, TANG Yougang, HUANG Yin, HE Xin

(School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.003

1005-9865(2017)01-0021-10

2016-01-11

國家自然科學基金項目(51279130)

陳勃任(1991-)，男，山西運城人，碩士研究生，主要研究船舶與海洋工程結構動力響應。E-mail: chenborentju@163.com

唐友剛。E-mail: tangyougang_td@163.com