深水錨系更換數值模擬分析方法及其工程應用*
——以流花11-1 NHSL FPSO系泊系統為例

（深圳海油工程水下技術有限公司 廣東深圳 518067）

隨著單點系泊技術的應用，單點系泊系統發生故障和失效事件的數量逐年上升。近年來，國內外多個專家學者對單點系泊系統的失效原因進行了研究。Brown M G等[1]通過23個單位參與的工業聯合項目，研究了系泊系統性能降低的原因、錨系失效的后果、檢查錨系的重點區域、因彎曲引起摩擦導致的疲勞失效、水中檢查的方法、連接器設計的重要性、檢測系泊腿的方法、應急計劃，系統性地提出了如何改善和提高系泊系統完整性的方法。Brown M等[2]基于工業界的系泊系統運行經驗，給出了系泊系統設計和完整性管理的重點關注區域和指導意見。Gordon R B等[3]研究了系泊系統完整性管理的現狀，包括系泊系統失效模式、系泊構件性能降低原因、監控和檢測技術以及系泊系統完整性管理。陳捷俊等[4]開展了南海某FPSO內轉塔系泊系統水下錨泊設施的風險識別與風險分析，使用半定量方法進行風險評級，提出并優化了單點系泊系統的水下錨泊設施的檢驗策略。

單點系泊系統失效的主要原因有臺風等極端天氣、腐蝕、磨損、疲勞、脆性斷裂等，其中單根系泊腿失效是系泊系統失效的主要表現形式[4]。自2006年至今，南海東部及西部海域至少維修和改造了10套系泊系統[5-7]。根據北海和西非海域的統計數據[8]，FPSO系泊系統系泊腿失效的頻率為8.8年/次，單根系泊腿失效造成的費用約為1 700萬～9 300萬元人民幣。以前國內大多數單點系泊系統的修復需要由國外公司提供施工方案和計算分析支持，工期長且價格昂貴，但隨著國內錨系維修船舶和設備資源的布局、錨系修復工程項目經驗的積累以及工程技術人員技術水平的提高，2016年我國已實現了全自主掌握中國現役最深水FPSO在位情況下的系泊系統系泊腿的更換技術。

本文以流花11-1油田NHSL FPSO系泊系統為例，從安裝設計分析方面考慮，深入結合工程實踐，系統性地提出了錨系更換分析的指導方法，建立了錨系更換分析模型并進行了靜力和動力分析，通過分析結果和現場記錄數據的對比驗證了分析方法的準確性，對我國海上目前在役的單點系泊系統以及未來的深水系泊系統安裝和修復項目提供了重要借鑒，從而為我國單點系泊系統運行、維護和完整性管理中快速應急解決方案的制定奠定了堅實基礎。

1 NHSL FPSO系泊系統概況及相關參數

1.1 系泊系統概況及錨系修復工程面臨的挑戰

NHSL FPSO由一艘14萬噸級的舊油輪改裝而成，總長280 m，型寬44 m，型深23 m，吃水17 m。FPSO采用內轉塔單點系泊系統，通過10條系泊腿固定于海底，油輪可繞單點作360°的旋轉，單根系泊腿的最大系泊力為600 t。NHSL FPSO系泊系統總體布置如圖1所示。

圖1 NHSL FPSO系泊系統總體布置Fig.1 Mooring system general arrangement of NHSL FPSO

基于2016年的ROV調查發現，NHSL FPSO系泊系統＃2系泊腿的上鋼纜出現6根斷絲，下鋼纜出現5根斷絲、2根松弛。考慮系泊系統有備用鋼纜，故計劃當年10月在FPSO在位的情形下完成該系泊腿的上下鋼纜更換修復工作，具體更換操作如圖2所示。

圖2 NHSL FPSO系泊系統2＃系泊腿更換細節Fig.2 ＃2 mooring leg replacement details of NHSL FPSO mooring system

該錨系修復工程面臨的主要挑戰包括：①準備周期短：1個月時間完成采辦、結構設計、方案編制、計算分析、結構物預制等工作；②屬于國內首次全自主實施FPSO在位不停產條件下的深水單點錨系更換作業；③系泊腿更換作業需要連續的作業天氣窗口，但9月下旬施工處在臺風頻發期，需要妥善應對臺風并積極捕捉完整施工窗口；④技術上圍繞保證中水浮筒和新鋼纜的絕對安全為原則，對項目總體風險方案把控、方案設計與具體實施提出了很高的要求，作業期間需要2條拖輪進行限位，同時一艘空潛支持船輔助安裝船完成錨腿解脫和回接工作。

1.2 系泊系統組成及參數

10根系泊腿上部懸掛在距離內轉塔中心的5.5 m處，從上到下依次是上錨鏈、1＃連接板、上鋼纜、三角板和中水浮筒、下鋼纜、2＃連接板、躺地鏈、連接板、躺地纜、3＃連接板、錨頭鏈、抓力錨，具體參數見表1、2。中水浮筒的直徑為4.06 m，高度為3.48 m，在空氣中重量為15.72 t，凈浮力為25.75 t。使用OrcaFlex建立的分析模型如圖3所示，系泊腿的波浪和海流載荷主要以莫里森公式進行計算，其拖曳力和附加質量系數根據DNV RP C205進行設定。

表1 NHSL FPSO系泊系統系泊腿各組件參數Table1 Mooring line component parameters of NHSL FPSO mooring system m

表2 NHSL FPSO系泊系統系泊腿質量Table2 Mooring line component mass of NHSL FPSO mooring system

1.3 安裝船舶參數

主安裝船有5臺錨處理絞車，包括1臺500 t的錨處理絞車、2臺500 t的拖帶絞車、2臺副絞車（圖4），其中鋼纜儲存狀態見圖5。2臺軌道吊位于兩個舷側，便于協助操作三角板、連接板等。250 t折臂吊位于船舶右舷，可以輔助回收中水浮筒。船尾有左右兩個艉滾筒，最大可以承受750 t受力，另外還有鯊魚鉗和導向柱以便于操作錨鏈和鋼纜。主甲板配備一臺ROV，用于水下作業和監控。主安裝船的主尺度參數如表3所示。在執行動力分析時，安裝船舶和FPSO的運動邊界條件僅考慮各自的一階波浪運動響應。安裝船舶RAO數據由AQWA軟件計算提供，FPSO RAO數據由業主提供。

圖3 采用OrcaFlex建立的NHSL FPSO系泊系統模型Fig.3 Model of NHSL FPSO mooring system by OrcaFlex

圖4 NHSL FPSO系泊系統維修所采用的主安裝船及設備Fig.4 Main installation vessel and equipment for the repairing of NHSL FPSO mooring system

圖5 NHSL FPSO系泊系統維修時主安裝船上的鋼纜儲存狀態Fig.5 Storage status of wires on main installation ship during NHSL FPSO mooring system maintenance

表3 NHSL FPSO系泊系統維修采用的主安裝船參數Table3 Data of main installation vessel for the repairing of NHSL FPSO mooring system

1.4 海洋環境參數

作業水深為295～310 m，分析中采用的波浪參數為：平均跨零周期5～15 s、有義波高0.5～3.0 m。海流采用一年一遇孤立波，詳細參數見表4。動力分析采用規則波分析方法，采取最大波高的方式定義波浪，具體波浪定義方式參見文獻[9-10]。

表4 孤立波數據Table4 Soliton wave data

1.5 維修過程技術指標及驗收標準

在安裝分析過程中作業控制的各項技術指標應滿足表5中的要求。

表5 NHSL FPSO系泊系統維修過程技術指標及驗收標準Table5 Technical indicators and acceptance standards of the repairing of NHSL FPSO mooring system

2 錨系更換分析方法

2.1 整體分析思路

錨系更換工作的安裝分析是為了驗證系泊系統能夠完整地、不發生損壞地實現安裝鋪設。安裝分析從理論上應囊括所有安裝階段內應考慮的計算分析問題，其分析類型包括3種：快速反應分析、靜力分析、動力分析。錨系安裝分析內容包括載荷、模型與邊界條件的定義，求解方式的選擇，分析接受標準的制定，分析結果的評價等內容，具體分析思路如圖6所示。所有這些分析內容應給出明確的說明和描述，使得分析具有可重復性和可積累性。安裝分析過程所需要的數據主要包括海洋環境數據、安裝船舶數據、FPSO數據、系泊腿以及附屬結構數據等。在獲取數據之后，應針對數據進行檢查和再確認。錨系安裝分析結果應是明確的，安裝方應根據安裝分析結果和結論進一步完善安裝鋪設方案，從而在海上施工前最大化地預演施工過程，識別項目施工風險，為順利施工打下堅實的技術基礎。

圖6 NHSL FPSO系泊系統維修過程中錨系安裝分析思路Fig.6 Analysis of mooring installation during maintenance of NHSL FPSO mooring system

2.2 快速反應分析

在項目前期階段，為了快速地判斷一種錨系應急修復解決方案的可行性，根據初步的模型數據，進行合理的簡化，建立有效的快速反應分析模型，從而獲得初步的靜力分析結果。根據分析結果，判斷所提方案的可行性，如不可行則更新方案，直到新方案可行。

2.3 靜力分析

靜力分析流程如下：①根據所提出的錨系安裝方案，劃分不同分析階段，每個分析階段的目的是明確的；②對每個分析階段，劃分為足夠多的分析步驟，建立細化模型，設定載荷和邊界條件，對這些步驟進行靜力分析；③提取相應靜力分析結果，從而制定施工靜態分析步驟表格；④根據施工靜態分析步驟表格的結果判斷是否滿足接收標準，若不滿足則細化和修改模型，重新進行靜力分析；⑤根據施工靜態分析步驟表格的數據獲取關鍵參數的變化趨勢，從而由關鍵參數識別各階段的臨界步驟；④如有必要，對某些步驟執行敏感性分析。

對于NHSL FPSO系泊系統＃2系泊腿的更換修復工作，可以劃分為10個分析階段：①＃2系泊腿從FPSO傳遞到主安裝船；②回收上錨鏈和調整船舶首向；③回收上鋼纜；④回收浮筒；⑤回收下鋼纜；⑥鋪設新下鋼纜；⑦下放浮筒；⑧鋪設新上鋼纜；⑨鋪設上錨鏈和調整船舶首向；⑩完成＃2系泊腿的傳遞和回接。其中，后5個階段和前5個階段正好是相反過程，不再進行分析。

2.4 動力分析

在靜力分析完成后，須對臨界步驟執行動力分析，動力分析工況矩陣主要考慮波高、波浪周期、浪向、流向的變化（表6），必要時對其中的臨界步驟進行敏感性分析。最后對動力分析結果進行處理，針對這些大量的、批量的動力分析計算文件，認真設計提取計算結果的方式（圖7），并根據計算分析接受標準進行分析結果的評價，從而為海上作業活動獲取最大的容許作業海況。

表6 NHSL FPSO系泊系統錨系安裝臨界步驟動力分析工況矩陣Table6 Loadcase matrix for dynamic analysis of critical step of NHSL FPSO mooring system installation

圖7 NHSL FPSO系泊系統錨系安裝臨界步驟動力分析結果提取思路Fig.7 Approach of critical step dynamic analysis results for installation of NHSL FPSO mooring system

3 分析結果與實際驗證

3.1 靜力分析結果

NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿的更換修復工作中5個分析階段的靜力分析結果如表7所示，各階段的修復安裝操作步驟如圖8所示。

3.2 動力分析結果

根據鋼纜張力、吊機張力、最小間隙等關鍵參數，選取各個階段的臨界步驟進行動力分析（表8），從而獲得各個階段的最大容許作業海況，并將各個階段最大容許作業海況取最小值，匯總得到整個更換作業的最大容許作業海況見表9。考慮到匯總后所有階段的最大容許作業海況較低，建議在施工過程中參考單獨每個階段的最大容許作業海況。

表7 NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿更換修復的靜力分析結果Table7 Static analysis results of NHSL FPSO mooring system＃2 mooring leg replacement and repair work

圖8 NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿更換修復操作步驟（階段1～5）Fig.8 Replacement and repair procedure of NHSL FPSO mooring system＃2 mooring leg（Phase 1～5）

表8 NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿更換修復臨界步驟Table8 Critical steps for the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg

表9 NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿更換修復所有階段的最大容許有義波高Table9 Maximum allowable H s for all phases of the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg m

3.3 分析結果與現場記錄數據對比

1）系泊腿上錨鏈角度對比。對于系泊腿上錨鏈的傾斜角度（相對于豎直方向），現場記錄數據為51°，靜力分析結果為52.8°，動力分析結果為35.1～55.4°，數據基本一致。

2）系泊系統關鍵位置信息對比。對于系泊系統關鍵位置信息，將作業前后調查打點獲得的數據和靜力分析結果對比，位置誤差見表10。由表10可知，系泊系統位置存在一定的位置誤差，但可以滿足工程使用要求。分析認為，誤差的來源首先有輸入數據誤差，如FPSO吃水、從導纜孔開始的上錨鏈長度、索接頭的長度、系泊腿沿線水深的變化等；其次是分析結果為靜力結果，而現場在進行記錄時有一定的風浪，同時各個位置信息是單獨打點進行記錄的，并不是在某一瞬間同時打點記錄的；此外，作業調查設備也有一定的精度誤差。

表10 NHSL FPSO系泊系統關鍵位置分析結果與現場記錄數據對比Table10 Comparison of analysis results of key positions of the NHSL FPSO mooring system with field recorded data m

3）張力數據對比。基于動力分析獲得的最大容許作業海況為1～3 m，結合現場天氣預報情況，選擇合適的時機進行作業，成功地避開了當月臺風。在作業時，前5個階段的有義波高為1.6～2.8 m，后5個階段的有義波高為0.9～2.1 m。錨系更換的張力分析結果和現場記錄數據對比見表11。由表11可以看出：大部分計算分析結果貼近實際記錄數據，驗證了計算分析結果的有效性，其中靜力分析結果較動力分析結果更貼近實際。整體而言，計算分析結果偏于保守，結果差異主要體現在兩個方面：一是模型輸入數據及記錄的數據的誤差；二是因為分析結果和實際記錄數據并不完全處于同一情境下。在實際項目分析時，建議對可能存在的應急維修設施搜集相關資料，并建立對應的Orcaflex模型，以快速應對和滿足項目要求；對于模擬分析的相關細節和實際作業流程存在差異，建議在執行過程中提高精細化建模水平，更為合理地簡化和模擬實際作業過程；建議在執行動力分析之前，讓其他工程師檢查模型，以提高計算分析精準度。

表11 NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿更換修復時各組件張力分析結果和現場記錄數據對比Table11 Comparison between tension analysis results and field recorded data of various components during the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg t

4 結論及建議

本文基于300 m水深NHSL FPSO系泊系統＃2號系泊腿應急修復工程項目實踐，系統性地提出了錨系更換分析的指導方法，建立了對應的分析模型并進行了靜力和動力分析，通過分析結果和現場記錄數據的對比驗證了分析方法的準確性，對我國目前在役的單點系泊系統以及未來的深水系泊系統安裝和修復工程項目提供了重要借鑒。海洋工程領域的數據化是未來的發展趨勢，為了更好地實施系泊系統完整性管理，以便在系泊系統應急維修項目開展時提出一種有效、快速、合理、安全的解決方案，從安裝分析角度提出以下幾點建議：

1）建議形成一套精細化建模技術，包括正確的階段劃分、合理的模型簡化、充分定義模型的細節以及保證模型輸入數據的準確性；

2）建議在海洋石油開發工程領域內進行聯合，匯總整理相關安裝船舶、南海生產平臺、水下生產系統等最新數據資料，建立相關模型示范庫，以便應急使用；

3）建議重視現場施工作業數據的記錄和反饋，提出一套數據采集、匯總、處理、反饋的機制，改善現場施工作業數據的收集渠道和方式，最大化地通過工程實踐促進安裝設計分析技術水平的提升。