超大型FPSO多點系泊系統設計優化

谷圣廳,白楊

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

FPSO作為集原油生產、處理、存儲,以及外輸功能為一體的綜合性海上平臺,為遠海油氣資源開發和生產提供了有力的保障[1]。但由于其作業區域遠離岸線、環境條件惡劣,FPSO的系泊系統面臨更高的損傷及失效風險。懸鏈線式多點系泊是浮式海洋工程結構物較為常用的海上定位方式,由鋼制錨鏈構成的傳統懸鏈線系泊系統隨著水深的增加其系泊線長度和自重將快速增加,有效定位能力迅速降低,平臺的有效載荷受到很大的影響[2]。針對此問題,以50萬t級超大型FPSO的深水系泊系統為分析目標,選擇錨鏈-纖維纜-錨鏈的三段式多點系泊系統為基本方案,采用由動態時域耦合分析方法,引入多參數優化分析過程,采用系泊線張力與總長度等關鍵控制參數構成的約束條件提升優化分析效率。

1 平臺設計參數

目標是一型總長超過335 m,滿載排水量超過46萬t的超大型FPSO,作業海區位于南中國海域,設計工作水深500 m,外形見圖1,其結構主尺度見表1。

表1 平臺結構主尺度列表

圖1 FPSO外形

該型平臺生產作業工況設計環境載荷為5年一遇風浪流極值,風暴自存工況設計環境載荷為200年一遇風浪流極值。分析結果顯示:當風浪流同向時,浮體的運動響應幅值更大,系泊錨鏈中張力幅值更高。選擇風浪流同向的情況做環境載荷輸入條件,平臺作業海區的風浪流環境參數條件見表2。

表2 作業海區環境條件

2 系泊系統布置

平臺采用的多點系泊系統由對稱布置的4組系泊線構成,其中首部2組系泊線每組由5根3段式錨鏈加聚酯纖維纜繩構成,主方向與X軸正方向呈34°夾角,單根系泊線夾角4°;尾部2組系泊線每組由4根3段式錨鏈與聚酯纖維纜組合而成,主方向與X軸負方向呈30°夾角。系泊線通過導纜器與FPSO主船體舷側結構相連。為了提高系泊線與海底的摩擦力,減小腐蝕損傷程度,躺底段采用R5級無檔鋼制錨鏈,系泊線中間段采用聚酯纖維纜繩,以減輕系泊線整體重量。與FPSO主船體相連的系泊線上段采用耐磨性能好的R5級鋼制錨鏈。系泊系統布置見圖2,組成系泊線的各段材料的參數見表3。

表3 FPSO系泊線成分

圖2 FPSO系泊布置示意

3 時域動態分析方法

在早期的FPSO系泊系統設計工作中,經常采用頻域分析的方法評估FPSO平臺在系泊系統約束下的運動響應特征,計算系泊系統的性能[3]。隨著FPSO主尺度與作業水深的增加,FPSO平臺的運動及載荷響應非線性特征越來越明顯。時域分析方法能夠計算FPSO與系泊系統在任意時間長度下的運動與載荷平衡過程,任意時刻的系統運動方程可以描述為[5]

Cijxj(t)]=Fi(t)

(1)

式中:i為帶系泊系統的浮式風電平臺運動自由度;aij為平臺的慣性質量矩陣;mij(t)為平臺的附加質量矩陣;Kij(t)為阻尼函數矩陣;Cij為靜水恢復力矩陣;Fi(t)為波浪激勵載荷矩陣;Xj(t)為平臺的位移矩陣。對于FPSO船體或系泊纜繩,在任意時刻的受力平衡方程為

(2)

式中:md為帶低頻附加質量;mj為系泊線在波浪頻率為ωj時的附加質量;cd為低頻阻尼;cj為系泊線在波浪頻率為ωj時的附加阻尼;aj為遭遇波浪幅值;Fωf(t)為波浪激勵載荷。

FPSO帶系泊系統的時域分析,將多點系泊系統的錨鏈與纜繩離散化為具有軸向剛度和質量慣性的一維有限元模型,建立系統的整體運動方程。通過隨機的風、浪、流作用時間歷程,計算整個系統的運動與受力平衡,得到FPSO及系泊錨鏈的運動及受力情況在時間歷程上的結果。以風暴自存工況為例,動態時域耦合分析模型及計算結果中張力最大的一組系泊纜繩的軸向載荷變化見圖3、4。

圖3 動態時域耦合分析模型

圖4 系泊錨鏈張力時程曲線

4 系泊系統優化設計

FPSO系泊系統的定位能力受到系泊線的數量、系泊線的布置夾角,系泊線的材料力學屬性,預張緊力以及系泊點的位置等參數的影響。具有多重約束條件的最優解分析問題可以描述為[7]

minf(x)|x∈Rn:ci(x)≥0,i∈L

(3)

Ω={x∈Rn;Ci(x)≥0,i∈L}

(4)

式中:f(x)為期望函數,描述優化問題期望得到的結果或實現的目標,本項目第一期望函數要求為系泊線總長度最小,第二期望函數要求為FPSO的水平運動極值滿足API要求。x為待優化的目標變量,可以指定為系泊線夾角,系泊線預張緊力等;Ci為約束條件變量,i∈L為約束條件函數。Ω為滿足約束函數的目標參數集合。

在優化分析的過程中,還需要設置對待優化變量的改變趨勢進行控制的懲罰函數,當優化變量的值使得期望函數的結果偏離限制條件時,優化分析過程將放棄這些待優化變量值,以保證分析效率。懲罰函數表達為

(5)

式中:ε為限制參數集合;μ為懲罰因子系數,μ>0。

超大型FPSO的系泊系統多選擇在每個主要系泊方向上采用多根錨鏈構成的一組系泊線[6]。在優化分析過程中,首先通過動態時域分析方法計算系泊纜數量對FPSO平臺運動響應特性的影響。同時比較單根系泊錨鏈上的張力極值。當采用16根系泊纜時,平臺在風暴自存工況下的水平位移極值超過API規范的許用值。當系泊纜數量增加到20根時,平臺縱搖運動、橫蕩運動及水平面內位移極值明顯減小,單根系泊纜上的張力極值滿足API規范要求。將系泊纜數量增加到24根時,平臺的運動響應幅值及水平面內位移極值繼續減小,但系泊纜的張力降低有限,說明系泊系統的效率開始降低。最終的方案選擇首部兩組系泊線采用每組5根錨鏈,尾部2組系泊線每組采用4根錨鏈的布置型式。

當系泊錨鏈間的夾角增大時,每根錨鏈上的載荷差異將增大,平臺在水平面內各方向上的運動幅值將逐漸增加。通過優化分析方法,最終確定將每組系泊線中錨鏈間的夾角設置為4°。

系泊錨鏈的預張緊力指平臺在靜水環境下通過張緊系泊錨鏈對系泊系統施加的初始剛度。過小的預張緊力會導致平臺的水平運動范圍加大,同時升沉及橫縱搖角度增加,運動加速度變大,對生產作業產生不利的影響。優化分析得到的系泊錨鏈預緊力參數在動態時域耦合分析中通過了API規范的驗證,至此,實現了對系泊系統各主要參數的優化分析工作。

5 自存工況系泊系統能力驗證分析

平臺的預定作業海區平均水深500 m,缺少島嶼、淺灘的遮蔽,風浪涌浪發展迅速,容易受到西太平洋洋面生成的臺風及熱帶氣旋等惡劣自然天候的影響。選擇200年一遇的風浪流環境載荷極值,采用API RP 2SK規范[9]作為評價衡準,對系泊系統的定位能力與安全性進行驗證分析。在0°～180°中選擇13個方向的風浪流載荷模擬不同方向的海況,分析采用的時間步長為0.01 s,總時長為10 800 s。

對于風暴自存工況,根據AIP 規范要求,將分別計算系泊線保持完整和一根系泊線發生失效情況下FPSO的運動響應情況和系泊線的張力。API規范對風暴自存工況中系泊線完整及破損情況下的系泊系統有效性評價衡準見表4。

表4 API規范對于風暴自存工況FPSO位移要求與系泊線張力極值

分析結果顯示:在風暴自存工況下,當系泊系統保持完整,或1根系泊線失效時,FPSO的水平位移極值與系泊線張力極值都滿足規范的要求,能夠保障FPSO的安全。FPSO在風暴自存工況下系泊系統保持完整和1根系泊線失效時的最大水平位移計算結果見表5。

表5 風暴自存工況水深為480.0 m時FPSO位移計算結果

FPSO在風暴自存工況下系泊系統保持完整和1根系泊線失效時的系泊線張力極值計算結果見表6,破斷載荷為13 780 kN,狀態均為安全。

表6 風暴自存工況FPSO系泊線張力結果

6 結論

1)超大型FPSO的系泊系統設計與優化工作是一項包含多重變量及多項控制參數與約束條件的復域求解問題,在設計之初應首先確定最重要的設計目標參數與關鍵性約束條件,通過合理應用優化設計方法,加快優化設計過程的收斂,提升設計效率。

2)時域動態分析方法對超大型FPSO系泊系統的設計至關重要。風浪流環境下作用在FPSO船體上的各類載荷成分的量級差異巨大,同時數量眾多的系泊線和立管系統將顯著影響FPSO系泊系統的運動阻尼和固有周期。動態時域方法將系泊錨鏈與立管系統的質量、阻尼等與FPSO自身的運動特性在時間序列上統一求解,還可以通過傅里葉變換將時域分析結果進行轉換得到FPSO或錨鏈系統在頻域下的響應特征函數,并根據需要進一步進行概率統計分析或極值預報。

3)滿載與壓載工況下超大型FPSO的運動響應特征與系泊系統的受力特性差異巨大,對系泊系統的設計有著很大的影響。滿載工況下FPSO重心位置偏低,各方向運動固有周期偏大,在系泊系統約束下多呈現低頻大幅值的水平漂移運動。壓載工況下FPSO吃水較淺,惡劣海況下風載荷對FPSO的橫搖及搖首運動產生顯著影響,同時橫搖周期變短,當系泊系統剛度過大時,在風浪流聯合作用下容易出現不規則振蕩運動。