軟鋼臂單點系泊系統的最優配載工況研究

楊 碩

(必維船級社(中國)有限公司,上海 200011)

0 引 言

軟鋼臂單點系泊是渤海淺水浮式生產儲油(FPSO)的主要系泊方式，其系泊系統主要分為水上軟鋼臂式單點系泊和水下軟鋼臂式單點系泊，主要部件包括單點系泊塔筒、軟鋼臂、系泊腿、旋轉接頭以及由上部組塊立管跨接軟管等組成的輸送系統，但是隨著單點系泊系統運營年限的增加，會出現軸承磨損以及系泊鏈疲勞等問題，該一系列問題會對單點系泊系統的安全產生很大影響。一些學者嘗試研究優化配載以提高單點系泊的安全性，且能夠以更安全的狀態抵抗極限海況[1-2]。

針對軟鋼臂系泊系統，國內很多學者展開了一些學術研究，所涉及的大都是常規的穩定風浪流環境條件對系泊系統的影響[3-4]。其中對于軟鋼臂系泊的安全性問題研究得比較少，所涉及的一般是故障分析和安全預警[5-6]等問題。目前的工程經驗表明，軟鋼臂系泊塔的軸承壽命對于整體結構的安全和壽命有重要影響，為減小單點系統運營年限中的安全隱患且延長系泊塔壽命，需在保證FPSO穩性和強度的前提下進行合理配載，使單點受到的系泊力減小以改善作業期間系泊塔軸承的應力分布，同時須限制FPSO與系泊塔之間的距離極值，以減小FPSO運動對軟管及上部模塊的受力影響，綜上所述在不同海況下對FPSO進行合理配載具有重要意義。

如圖1所示，本文研究目標為渤海某水下軟鋼臂單點，根據海域環境條件以及FPSO配載參數，以改善水下軸承應力分布，減少軟鋼臂(yoke)回轉行程及上部組塊和軟管受力等目的，通過時域內耦合分析在環境載荷作用下，不同配載工況對FPSO-水下軟鋼臂單點系泊系統的多體運動特性的影響，最終根據分析結果推薦不同水深、不同環境條件下的最優配載作業工況表。

圖1 FPSO-系泊纜-軟鋼臂系統模型

1 最優配載作用工況計算和評估流程

1.1 計算方法

本文利用AQWA軟件中的AQWA-LINE和AQWA-DRIFT對FPSO-軟鋼臂系泊系統進行仿真分析，其中AQWA-LINE模塊主要用于計算浮體水動力系數，包括由于波浪入射、輻射和衍射作用而產生的波浪力，同時還求解浮體的附加質量和附加阻尼[7-8]等，并考慮平均漂移力和慢漂力對浮體的影響。AQWA-DRIFT模塊則通過調用AQWA-LINE所計算的幅值響應算子、附加質量和附加阻尼等，計算在隨機風浪流條件下的運動響應及受力隨時間變化的曲線，AQWA可以通過后處理AGS讀取結果。

1.2 最優配載作業工況評估流程

為了分析FPSO-軟鋼臂多體系統的運動特性，本文基于三維波浪勢流理論計算FPSO的水動力參數，再根據時域耦合分析[9]浮體運動以及軟鋼臂受力隨時間的變化情況。FPSO會根據儲油情況的不同進行配載作業，不同的配載工況則對單點系統轉塔軸承和軟鋼臂旋轉行程等產生影響，而本文最優配載作業工況篩選流程如圖2所示，篩選過程中需要優先考慮的是對水下軸承磨損的影響，所以須選擇較佳的配載工況以改善水下軸承的應力分布，從而降低磨損量以延長使用壽命，本文使用AQWA軟件輸出的是轉臺傳遞給軸承的載荷，軸承載荷與軸承應力成正比。其次需要考慮的是選擇較佳的配載工況降低軟鋼臂的首搖行程及幅度，降低對軸承的磨損行程以達到降低磨損量延長系泊塔使用壽命的效果。最后考慮的篩選參數為上部模塊及外輸軟管的受力情況，盡可能選擇較佳的配載工況以改善浮體的縱蕩極值，減少上部模塊和外輸軟管受到極大拉力的可能性。

圖2 最優配載作業工況篩選流程

2 軟鋼臂單點系泊水動力分析

2.1 FPSO-軟鋼臂單點系泊水動力模型

渤海海某軟鋼臂系泊系統水下部分主要包括FPSO主船體、系泊纜、yoke臂、轉塔的下部連接軸承和外塔筒。其中，轉塔和外塔筒為貼近海底的扁平狀和細長圓柱結構，對FPSO運動性能的影響不大，可以忽略不計。因此，建立FPSO-系泊纜-軟鋼臂系統水動力模型如圖3所示，本文將FPSO和軟鋼臂分別建立成兩個6自由度的獨立結構。目標FPSO相關參數如下[10-11]： FPSO總長為276.8 m、垂線間長為262 m、型深為23.6 m、型寬為51 m、平均吃水為15.5 m、排水體積為199 435.0 m3等。

表1所示為FPSO的配載工況表，該表的工況是基于FPSO的穩性和強度合格的基礎上進行的合理配載，本文將基于圖2的篩選流程選擇最優配載作業工況。

表1 目標FPSO配載工況

(續 表)

AQWA軟件輸出本文目前FPSO在滿載狀態下的迎浪縱蕩RAO曲線圖和斜浪首搖RAO曲線圖如圖4和圖5所示。

圖4 FPSO滿載狀態迎浪縱蕩RAO曲線

圖5 FPSO滿載狀態斜浪首搖RAO曲線

2.2 環境參數

本文依據表2中的海況對FPSO-軟鋼臂系泊系統的受力和運動情況進行分析，需考慮百年一遇海況、一年一遇海況、50%遭遇概率海況以及30%遭遇概率海況。計算水深為分別為22.54 m、 23.8 m和28.17 m，環境方向分別為風浪流同向和風浪流異向。

表2 渤海該海域環境參數

3 最優配載作業工況篩選結果討論

根據前面圖2所討論的流程，最優配載作業工況篩選過程主要是優先篩選轉臺受力(水平和垂向)較小的載況，其次在剩余工況中優先選擇首搖幅值較小的，最終在剩余工況中優先選擇縱蕩幅度較小的載況，從而挑選出該海況下的最優作業工況。

如圖6所示，以23.8 m水深條件、百年一遇海況計算結果為例，LC1作業工況下單點系泊塔水下軸承受到的水平力最大，而LC5作業工況下水下軸承所受的垂向力最大，因而在該海況條件下應避免將FPSO配載至LC1和LC5工況。從圖6中還可以看出，LC6至LC11載況下的計算結果差別不大，而LC3載況下水下軸承所受到水平力和垂向力相對較小，因此LC3載況是該海況下的最優選擇。

如圖7所示，LC1作業工況以及LC6～LC10作業工況下FPSO縱蕩運動極值較大，同樣LC1作業工況以及LC6～LC10作業工況下軟鋼臂首搖幅度較大，因而LC1作業工況和LC6～LC10作業工況都不予推薦，根據計算結果，LC3作業工況下FPSO縱蕩極值和軟鋼臂首搖幅值都相對比較小，因此在該海況下推薦LC3作業工況。

綜上所述，根據篩選流程，同時依據表3配載作業工況計算結果統計，水深23.8 m及百年一遇海況下以LC3配載作業工況為最優選擇。

圖6 百年一遇單點系泊轉臺受力(水平和垂向)結果

圖7 百年一遇海況下軟鋼臂首搖幅度和FPSO縱蕩極值結果

表3 渤海目標單點百年一遇海況下所有配載工況計算結果統計(23.8 m水深)

以上述23.8 m水深、百年一遇海況下的最優配載作業工況篩選過程為例，對其他水深及海況條件進行最優配載作業工況的篩選，分別為22.54 m、 23.8 m和28.17 m等條件。最終篩選結果如表4所示，從結果可以看出：

(1) LC1(滿載)工況轉臺水平力和垂向力值最大，其對于水下軸承磨損的影響較大，因此在所有海況中都應避免該工況。

(2) FPSO半載工況(LC3工況)下，單點系泊塔轉臺力相對較小，可以改善對水下軸承應力分布，且軟鋼臂首搖幅值較小，因此半載工況對軸承的磨損影響最小，同時半載工況下FPSO的縱蕩幅值也較小，所以其對上部模塊及軟管受力影響也比較小。

表4 水下軟鋼臂單點系泊最優配載作業工況推薦

4 結 語

本文利用AQWA軟件建立FPSO-軟鋼臂系統水動力模型，將FPSO和軟鋼臂分別模擬為兩個6自由度的獨立結構，進行FPSO-軟鋼臂系統的多體運動分析。本文重點討論了從不同配載作業工況篩選出最優配載工況的過程，考慮的環境條件有百年一遇、一年一遇等。篩選過程考慮的因素主要包括系泊塔水下軸承分布、軟鋼臂首搖行程和FPSO縱蕩極值等。從最優配載工況篩選過程可以得出以下結論：

(1) FPSO滿載工況時，系泊塔轉臺所受到的水平力和垂向力最大，所以滿載工況對于系泊塔水下軸承磨損的影響較大。同時FPSO在滿載時其縱蕩運動也相對比較明顯，軟鋼臂首搖幅值也比較大，所以應在作業時盡量避免FPSO滿載工況。

(2) FPSO半載工況時，轉臺所受到的水平力和垂向力最小，且該工況下其FPSO縱蕩極值和首搖幅度也比較小，所以FPSO半載對于降低水下軸承磨損和減少上部模塊軟管的受力有很大的作用。

(3) 在某些環境條件下，應避免75%載況和壓載工況。

綜上所述，極限海況下推薦FPSO吃水為12～13 m更利于軟鋼臂單點的安全。且為降低對于水下軸承的磨損，延長軟鋼臂單點的使用壽命，在作業過程中應避免使FPSO處于滿載工況。