南海FPSO 單點系泊系統設計驗證

2021-01-19 08:11:40趙晶瑞李清平王世圣

艦船科學技術 2020年12期

趙晶瑞，李清平，王世圣

(1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2. 國家能源深水油氣工程技術研發中心，北京 100028)

0 引言

FPSO 是一種可對海上油田進行全海式開發的工程裝備，其主要優勢在于集油氣生產處理、原油儲存、外輸功能于一體，并具有良好的水深適應性。到目前為止全球大約有200 多艘FPSO 服役，均取得了良好的應用效果。

由于FPSO 具有很大的水線面面積，導致其船體運動對環境載荷的影響十分敏感且容易產生很大的波頻與低頻運動。此外，盡管一些FPSO 采用單點系統實施定位因而具有風向標效應，但交叉的風、浪、流環境條件可能會導致船體受載面積的增加，導致更加極端的船體偏移與系泊載荷，因此從設計角度，系泊方案的制定必須根據FPSO 船型，海區特定的環境條件特點，從而涵蓋最不利環境載荷組合以及裝載工況。

本文展示了1 艘應用于中國南海的FPSO 單點系泊系統的設計與驗證過程，介紹系泊系統的設計衡準，給出主要的強度與疲勞分析結果。計算表明，單點系泊系統在完整工況與單纜破損工況能夠承受目標油田百年一遇環境條件，預期疲勞壽命滿足設計要求。此外當波浪周期略低于設計海況的譜峰周期時，將激發起更大的船體低頻運動進而導致最大的系泊張力。對于單點系泊系統而言，其最不利工況通常并非環境載荷沿同方向入射時，而是呈一定夾角入射時，此時由于船體受載面積的增加，將產生更大的船體偏移與系泊張力。

1 設計基礎

FPSO 擬作業目標油田位于南海北部，水深為267～330 m。為開發該油田，將新建1 艘FPSO 用于原油生產、儲存與外輸。FPSO 配備有電站、熱站、原油處理設施、水處理系統、原油計量系統和儲油艙。來自臨近開發井的油、氣、水將首先被井口平臺分解成含水40% 的原油，之后油、氣通過水下管線混輸至FPSO 進行下一步的生產、儲存與外輸。FPSO 在東南方向將設有3 根立管，因此系泊系統必須限制FPSO的水平向偏移以滿足立管疲勞的要求，特別是在東南方向。系泊纜繩的設計壽命為20 年，單點系泊系統其他模塊的設計壽命為30 年。

1.1 FPSO

FPSO 的主尺度參數為船體總長244.60 m，垂線間長237.00 m，船寬46.700 m，型深26.300 m。在系泊校核中FPSO 采用2 種典型的裝載工況，分別為滿載工況并帶有100% 消耗品（最大吃水工況），以及壓載工況并帶有10%的消耗品（最小吃水工況），主要參數如表1 所示。

表 1 系泊分析中FPSO 裝載參數表Tab. 1 Typical loading conditions of FPSO in mooring design progress

1.2 設計環境條件

FPSO 就位位置的水深為290 m。在FPSO 系泊系統強度校核采用百年一遇臺風作為設計條件，同時基于波浪的有義波高Hs 和譜峰周期Tp 包絡線考慮譜峰周期的變化，百年一遇臺風條件下風、浪、流方向極值如表2 所示。

在本文中，考慮了風、浪、流3 種主控方式。對于每種主控方式，環境載荷強度 X計算如下：

其中：下標X 包括H（波浪）、V（風）、C（海流），XN為回歸周期N 下的強度主極值。根據文獻[4]，系數CH，CV和CC的取值如表3 所示。

表中，V，H，C 分別表示風、浪、流入射方向，衰減系數 qv計算如下式：

表 2 臺風條件下風、浪、流方向極值Tab. 2Directional extreme value of wind, wave and current in typhoon condition

表 3 環境載荷強度系數Tab. 3Intensity coefficients of environmental loads

在系泊疲勞分析中，采用該海區一年一遇季風作為計算環境條件。根據年度波浪散布圖得到的年度環境條件出現概率玫瑰圖如圖1 所示。

1.3 系泊系統的設計橫準

系泊系統的強度分析依據文獻[4 - 5]進行。根據該規范，若采用時域全耦合方法計算系統響應時，纜繩張力的安全系數在完整工況下取1.67，在單根纜繩破斷工況下取1.25，對于船體的許用極限水平偏移而言，主要取決于FPSO 東南方向的3 根立管，系泊系統需要控制FPSO 的偏移以滿足立管疲勞要求，特別是在東南方向，要求單點位置的最大水平偏移小于70 m，單點位置沿東南方向的最大水平偏移小于60 m。在錨鏈的腐蝕方面，假設在波浪飛濺區內的錨鏈腐蝕率為0.3 mm/年，在與海底接觸點位置的錨鏈腐蝕率為0.4 mm/年。此外下端錨鏈需要有足夠的長度以保證在極端環境條件下，下風向纜繩的鋼纜部分不接觸海底以避免發生磨損。

系泊的疲勞分析依據文獻[5]進行，要求在可檢測區內疲勞的安全壽命為3.0 以上。

圖 1 年度環境條件玫瑰圖Fig. 1Rose diagrams of environment load (Annual)

2 單點系泊設計方案

FPSO 采用非解脫的內轉塔單點系泊系統進行定位，包含9 根系泊纜繩呈3 組布置，3 組系泊纜繩均勻分布，在每組纜繩中相鄰纜繩間的夾角為5°，2 組纜繩之間夾角為110°，FPSO 的水動力模型與系泊系統布置如圖2 與圖3 所示。

圖 2 滿載工況下FPSO 水動力模型Fig. 2Hydrodynamic model of FPSO in load condition

圖 3 單點系泊系統布置Fig. 3Arrangement of mooring system

在單根纜繩構型方面，從錨點至導纜孔的水平距離為1 194.5 m。每根纜繩的分段結構由內部開發的軟件進行優化設計，可以保證在極端環境載荷作用下系泊系統的各項技術指標滿足設計規范要求，同時也盡量提升了系統整體水平回復剛度，并控制系泊張力、總體用鋼量和單根纜繩的預張力。系泊纜繩的詳細組份參數如表4 所示。

3 單點系泊系統規范校核步驟

單點系泊系統的強度與疲勞分析采用法國船級社的軟件Hydro Star 與Ariane 進行。

3.1 強度分析

1）船體水動力計算

首先采用Hydro Star 軟件建立不同裝載工況下FPSO船體的水動力分析模型，如圖2 所示。采用三維勢流理論求解船體水動力系數如附加質量、阻尼系數，一階波浪激勵力與波浪漂移力等，和船體運動RAO。

文獻[4]給出了FPSO 縱蕩、橫蕩與首搖運動的推薦的線性化阻尼系數如下式：

其中：Bxx, Byy,Bφφ分別為縱蕩、橫蕩與首搖運動的線性化阻尼系數； m為FPSO 船體質量； L為FPSO 船長； B 為FPSO 船寬；g 為重力加速度。

表 4 錨鏈線組份參數表Tab. 4 Component of mooring line

2）定義系泊纜繩

在Ariane 軟件中疏如纜繩的分段結構與力學特性，如原長、空氣與水中的單位長度重量、軸向剛度，水動力參數等，并驗證典型吃水條件下單根纜繩的預張力與靜態回復剛度。

3）FPSO 船體上的風、流載荷計算

FPSO 船體上的風、流載荷需依據風洞試驗結果進行輸入。根據文獻[6]，作用于FPSO 上的平均風流力與力矩確定如下：

其中：Cwx，Ccx為縱向風流力系數；Cwy， Ccy為橫向風流力系數；Cwxy為首搖風流力矩系數； ρw，ρc為空氣與海水密度； Vw,Vc為風速和流速； AT為船體縱向受風面積； AL為船體橫向受風面積；LBP為船體垂線間長； T 為船體吃水。

4）批處理分析

基于以上模型，對每一個船體吃水下的一系列環境組合進行耦合分析，包括滿載與壓載吃水，以及系泊完整與單纜破損狀態。對于每一個環境條件，采用Ariane 分析軟件獲得錨腿張力與平臺偏移，記錄和進行統計處理。在進行單纜破損狀態計算時，假定在相同環境條件系泊完整工況下出現最大系泊張力纜繩的旁邊一根纜繩發生失效。

5）考慮動態放大因子的結果

由于所采用的Ariane 分析軟件為準動力分析軟件，無法準確模擬系泊纜本身的動態響應，因此所獲得的結果需要考慮動力放大因子DAF。采用全耦合分析軟件DEEP C 軟件對典型結果進行標定，將所獲得的動力放大因子DAF 將與已有的計算結果相乘得到最終的系泊張力與單點偏移。

3.2 疲勞分析

1）設計疲勞工況

疲勞分析也將在時域內進行。首先根據一年一遇環境條件的波浪散布圖獲得短期預報的環境載荷組合，并考慮環境載荷入射方向和FPSO 裝載工況，之后每個短期預報的結果將和其發生概率一起合成整體疲勞結果。

2）計算疲勞損傷

每根纜繩上的疲勞損傷依據米勒積分法則獲得，在ARIANE 軟件中，采用雨流技術法對每一個獨立的海況計算疲勞損傷，然后合并為總體的累積損傷，整體纜繩的疲勞計算如下式：

其中； N 為載荷循環次數； R為張力幅值范圍； M為TN 曲線斜率； K為T-N 截點；M 與K 的取值如表5 所示。

表中Lm為平均載荷與破斷拉力之比。

3）計算疲勞壽命

每根纜繩的疲勞壽命如下式：

表 5 M 與K 取值Tab. 5Value of M and K

4 系泊校核結果

4.1 FPSO 單點系泊耦合分析模型

FPSO 單點系泊耦合分析模型如圖4 所示。

圖 4 FPSO 與系泊系統耦合分析模型Fig. 4Coupled model of FPSO and mooring system

2 階縱蕩漂移力計算結果如圖4 所示。平臺的風流載荷系數如圖5 與圖6 所示，FPSO 滿載狀態的平均漂移力如圖7 所示。

圖 5 FPSO 風力系數Fig. 5Wind coefficient of FPSO

圖 6 FPSO 流力系數Fig. 6Current coefficient of FPSO

4.2 強度分析結果

通過計算確定的系泊完整與單根纜繩破斷工況下的極端張力與平臺偏移如表6 所示。

表6 的計算結果顯示，系泊系統全部指標滿足設計規范與設計基礎要求，說明系泊系統可承受目標油田百年一遇環境條件。

圖 7 FPSO 船體2 階縱蕩漂移力Fig. 7Steady drift force of FPSO

表 6 系泊系統極端響應Tab. 6 Extreme strength response of mooring system

4.3 疲勞分析

表7 為采用雨流計數法的疲勞分析結果。FPSO 滿載與壓載工況下不同幅值范圍張力的循環次數如表8所示。

表7 結果顯示，安裝在東南方向的第3 組系泊纜繩（第7 根和第9 根）相對于其他2 組系泊纜繩具有最少的疲勞壽命，頂部錨鏈的最小疲勞壽命為179.7年，符合設計要求。

5 系泊設計參數的敏感性分析

為了研究設計方案對環境條件的適應性，本文還開展了一些針對環境條件因子的敏感性分析，如波浪譜峰周期，環境載荷夾角以及波浪譜峰因子等。

5.1 譜峰周期敏感性

根據文獻[4]，對于波浪主控條件，推薦考慮有義波高Hs 和譜峰周期Tp 的包絡線，計算當波浪周期在譜峰周期左右±10%變化時的情況。目標海區百年一遇波浪的Hs 與Tp 包絡線如圖8 所示，典型環境條件如表9 所示。

表 7 系泊系統疲勞損傷和預期壽命結果Tab. 7 Result of fatigue damage and expected fatigue life results for mooring system

表 8 不同幅值范圍張力的循環次數Tab. 8 Loop cycles of tension at different amplitude envelope

圖 8 Hs 與Tp 包絡線Fig. 8Hs and Tp contour line

典型結果對比如圖9～圖12 所示。

結果顯示，當波浪周期圍繞Tp 標準值變化時，系泊張力與平臺運動也將相應發生改變，需要注意的是，當Tp 小于標準值時，盡管有義波高Hs 降低，由于此時波浪周期接近船體縱蕩2 階波浪力的峰值周期（見圖7），導致FPSO 船體產生了更大的低頻運動，因此最大系泊張力與單點偏移均會上升。當譜峰周期Tp 大于其標準值時，由于有義波高衰減迅速，最大系泊張力與平臺偏移均會明顯降低。