海洋石油111FPSO臺(tái)風(fēng)工況裝配載優(yōu)化研究

嚴(yán)明 劉學(xué)濤 楊凱東

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司技術(shù)中心，天津塘沽，郵編：300457）

1.0 前言

近年來(lái)，海洋環(huán)境條件愈加惡劣，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著油田設(shè)施安全。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下最容易出現(xiàn)問(wèn)題的就是作為FPSO命根子的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。如何能夠有效降低臺(tái)風(fēng)期間的系泊力，提高FPSO系統(tǒng)的抗臺(tái)能力，是作業(yè)者極其關(guān)心的問(wèn)題。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊張力的大小與FPSO船體的運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，而裝載不同船體的運(yùn)動(dòng)是不同的。本文以海洋石油111FPSO為例，在穩(wěn)性及強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的前提下，應(yīng)用HydroSTAR及ARIANE-7軟件分別對(duì)24種不同裝載工況的FPSO進(jìn)行了三維水動(dòng)力分析及系泊時(shí)域模擬，從而得到FPSO的時(shí)歷運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線和各系泊線的受力情況。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，找到了系泊力相對(duì)較小的裝載工況，并對(duì)臺(tái)風(fēng)工況下FPSO的裝配載提出了建議。

2.0 FPSO頻域水動(dòng)力分析

2.1 FPSO主尺度參數(shù)及水動(dòng)力模型

FPSO的主尺度及水動(dòng)力網(wǎng)格模型如下所示：

表1 HYSY111 FPSO主尺度表

圖1 水動(dòng)力網(wǎng)格模型

2.2 裝載工況的選擇

本次計(jì)算共選擇了24種裝載工況，其中6種為原裝載手冊(cè)中已有的，另外18種為根據(jù)初步的計(jì)算結(jié)果及海上生產(chǎn)操作習(xí)慣調(diào)配出來(lái)的，并進(jìn)行了穩(wěn)性及強(qiáng)度的校核。

表2 裝載工況

2.3 水動(dòng)力分析

應(yīng)用基于三維勢(shì)流理論的水動(dòng)力分析軟件HydroSTAR進(jìn)行了頻域水動(dòng)力分析，求得FPSO的運(yùn)動(dòng)位移RAO、二階平均漂移力系數(shù)、輻射阻尼系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)等參數(shù)。

表3 水動(dòng)力分析參數(shù)

3.0 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域分析

3.1 系泊系統(tǒng)的組成

海洋石油111號(hào)FPSO的系泊系統(tǒng)由3組錨鏈（每組3根）組成，相鄰2組錨鏈間夾角為120°，同一組錨鏈中相鄰2根錨鏈間夾角為5°（圖2所示）。其中，NE和SE方向的6根錨鏈長(zhǎng)度為1011.7米，水平跨度為997米，每根錨鏈均由“鏈－纜－鏈－纜”4段組成；W方向的3根錨鏈長(zhǎng)度為581.7米，水平跨度為565米，每根錨鏈均由“鏈－纜”2段組成，系泊系統(tǒng)各錨鏈組成及屬性見(jiàn)表4：

表4 HYSY111FPSO系泊系統(tǒng)錨鏈組成及屬性

圖2 系泊系統(tǒng)分布圖

圖3 系泊系統(tǒng)組成

表5 百年一遇環(huán)境條件

3.2 環(huán)境條件

本次計(jì)算采用的是番禺4-2/5-1油田海域百年一遇的環(huán)境條件，風(fēng)、浪、流參數(shù)如上表表所示：

3.3 系泊計(jì)算與分析

系泊系統(tǒng)動(dòng)力分析采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的方法，將之前得到的各裝載狀況FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)導(dǎo)入到系泊系統(tǒng)模型中，然后根據(jù)非線性時(shí)域理論，應(yīng)用ARIANE7軟件進(jìn)行系泊系統(tǒng)3小時(shí)的時(shí)域模擬分析。系泊纜采用非線性有限元方法進(jìn)行計(jì)算，系纜單元控制方程為：

公式中：{x″}、{x′}、{x} 分別為系纜單元的運(yùn)動(dòng)加速度、速度和位移；[M]為質(zhì)量矩陣；[K]為剛度矩陣；λ為瑞利阻尼系數(shù)；μ為質(zhì)量阻尼系數(shù)；[F]為作用在系纜單元上的外力，包括系纜重力、浮力、與FPSO位移相關(guān)的回復(fù)力等。

根據(jù)BV規(guī)范（NI461&NI493），系泊分析中所使用的FPSO線性阻尼系數(shù)采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

艏搖阻尼系數(shù)：0.083.L2Byy；

其中m為FPSO的總質(zhì)量；L、B分別為FPSO的長(zhǎng)與寬。

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，設(shè)計(jì)張力的定義如下：

式中：

TM——n次分析下最大系泊張力的平均值；

TS——n次分析下最大系泊張力標(biāo)準(zhǔn)差；

a—— 比例因子。

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 極端環(huán)境系泊計(jì)算結(jié)果

表6—10分別給出了不同裝載工況百年一遇海況下的最大系泊張力。

表6 A1海況最大系泊力

表7 A2海況最大系泊力

表8 B1海況最大系泊力

表10 C海況最大系泊力

表9 B2海況最大系泊力

各海況下錨鏈線承受的最大張力匯總：

表11 最危險(xiǎn)工況結(jié)果匯總

表12 最安全工況結(jié)果匯總

結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)上面結(jié)果的分析，得出以下推斷：

1、在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨期間以下裝載工況不建議使用，特別是在A1海況下：

> 滿載（Lc1）；

>壓載（Lc12），以及平均吃水小于壓載的工況（Lc5,Add_lc9 及 Add_lc12）；

>1、3、5艙隔艙裝載的中間裝載工況（Lc5,Add_lc9及Add_lc12）

>1、2、3艙均勻裝載的中間裝載工況（Add_lc8及 Add_lc11）；

2、下面的裝載工況臺(tái)風(fēng)期間具有較好的系泊狀態(tài)，特別是在A1海況：

>3、4、5艙均勻裝載的中間裝載工況（Add_lc5及 Add_lc14）；

>船上現(xiàn)有油量各艙均勻裝載；

>2、4 艙裝載（Lc9），亦或 2、4 艙滿載的同時(shí) 3艙、5艙部分裝載（LC9_01及LC9_03）；

> “品”字形裝載（Lc7）

>2、3、4艙均勻裝載的中間裝載工況（Add_lc10及 Add_lc13）亦具有較好的系泊狀態(tài)，但此時(shí)的船體強(qiáng)度需要特別注意。

3.4.2 不同裝載方式對(duì)比

通過(guò)對(duì)上述相同貨油儲(chǔ)量不同裝載方式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，不同裝載方式對(duì)最大系泊張力的影響較大。所以在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，船上作業(yè)者可以根據(jù)現(xiàn)有貨油儲(chǔ)量，通過(guò)裝載計(jì)算機(jī)對(duì)FPSO進(jìn)行調(diào)載，使船在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)具有較好的系泊狀態(tài)。

圖4 貨油量40830.6t時(shí)最大張力對(duì)比

貨油量為40830.6t時(shí)：

>3、4、5艙均勻裝載具有具有最小的系泊力；

>2艙滿載4艙50%裝載具有最大的系泊力。

圖5 貨油量53567t時(shí)最大張力對(duì)比

貨油量為53567t時(shí)：

>不同裝載形式系泊張力具有較大差異；

>3、4、5艙均勻裝載在A1海況下具有最小系泊張力；

>1、3、5艙均勻裝載在A1海況下具有最大系泊張力；

>2、3、4艙均勻裝載在所有海況下都具有較小的系泊張力，但需要注意此種裝載方式船體強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。

圖6 貨油量63309.2t時(shí)最大張力對(duì)比

貨油量為63309.2t時(shí)：

>不同裝載形式系泊張力具有較大差異；

>3、4、5艙均勻裝載在A1海況下具有最小系泊張力；

>1、3、5艙均勻裝載在A1海況下具有最大系泊張力；

>2、3、4艙均勻裝載在所有海況下都具有較小的系泊張力，但需要注意此種裝載方式船體強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。

圖7 貨油量73051.4t時(shí)最大張力對(duì)比

貨油量為73051.4t時(shí)：

>均勻裝載的系泊張力要小于1、3、5艙隔艙裝載的工況。

圖8 貨油量82573.2t時(shí)最大張力對(duì)比

貨油量為82573.2t時(shí)：

>均勻裝載的系泊張力要小于1、3、5艙隔艙裝載2艙40%裝載的工況。

結(jié)論與建議

根據(jù)以上的對(duì)比結(jié)果，建議如下：

1、當(dāng)貨油儲(chǔ)量為40000t左右時(shí)，最好的裝載方式為3、4、5艙均勻裝載，均勻裝載次之；

2、當(dāng)貨油儲(chǔ)量為53000t左右時(shí)，最好的裝載方式為3、4、5艙均勻裝載，2、4艙裝載次之；

3、當(dāng)貨油儲(chǔ)量為63000t左右時(shí)，最好的裝載方式為3、4、5艙均勻裝載，“品”字型裝載及均勻裝載次之；

4、當(dāng)貨油儲(chǔ)量為73000t左右時(shí)，均勻裝載要好于 1、3、5 艙裝載；

5、當(dāng)貨油儲(chǔ)量為83000t左右時(shí)，均勻裝載要好于1、3、5艙裝載2艙40%裝載；

6、1 、3、5 艙裝載及 1、2、3 艙裝載不建議使用。

4.0 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，裝載對(duì)于系泊力的影響較大，同樣海況下，裝載量的不同會(huì)導(dǎo)致系泊力有較大的差異；而在儲(chǔ)油量及海況一定的情況下，不同的分艙形式系泊力也有較大差異。因此在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，船上作業(yè)者可以根據(jù)現(xiàn)有貨油儲(chǔ)量，經(jīng)過(guò)一次外輸或通過(guò)裝載計(jì)算機(jī)對(duì)FPSO進(jìn)行調(diào)載，使船在臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)具有較好的系泊狀態(tài)，有效降低臺(tái)風(fēng)對(duì)系泊系統(tǒng)的影響，確保油田設(shè)施的安全。

【1】黃維，劉海笑.新型深水系泊系統(tǒng)非線性循環(huán)動(dòng)力分析[J].海洋工程，2010,28(2)

【2】趙文華，胡志強(qiáng)，楊建民，李?lèi)傁?，謝協(xié)民.FPSO系泊系統(tǒng)載荷計(jì)算與分析[J].中國(guó)海上油氣，2011,23(2)

【3】Li X，Yang J M，Xiao L F.Motion analysis on a large FPSO in shallow water[C]//Proc.of the 13th ISOPE Conf.Honolulu，Hawaii，USA：ISOPE，2003

【4】余小川，謝永和，李潤(rùn)培等.水深對(duì)超大型FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪載荷的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,39(5)

【5】劉元丹，劉敬喜，譚安全.單點(diǎn)系泊FPSO風(fēng)浪流載荷下運(yùn)動(dòng)及其系泊力研究 [J].船海工程，2011,40(6)

【6】聶孟喜，王旭升，王曉明等.風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下系統(tǒng)系泊力的時(shí)域計(jì)算方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004(9)：1214-1217