渤海單點(diǎn)系泊裝置設(shè)計(jì)環(huán)境工況研究

劉雪宜，于常寶，董坤

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452

渤海單點(diǎn)系泊裝置設(shè)計(jì)環(huán)境工況研究

劉雪宜1，于常寶1，董坤2

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452

環(huán)境工況決定了單點(diǎn)系泊裝置系泊力的大小，進(jìn)而影響到系泊裝置的規(guī)模。文章介紹了渤海海域單點(diǎn)系泊裝置設(shè)計(jì)過程中需要考慮的自存、操作、外輸三種工作工況，將環(huán)境載荷分為風(fēng)、波浪、海流和風(fēng)、海冰、海流兩類組合方法，進(jìn)行了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境工況分析，對(duì)今后類似單點(diǎn)系泊裝置的設(shè)計(jì)具有參考意義。

FPSO；單點(diǎn)系泊；設(shè)計(jì)環(huán)境工況；重現(xiàn)期

0 引言

系泊裝置是FPSO定位的關(guān)鍵系統(tǒng)，用于將FPSO固定在某個(gè)油田以進(jìn)行油田的生產(chǎn)和開發(fā)。中國海洋石油總公司目前共有7條FPSO在渤海服役，其中6艘采用了水上軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置（Single Point Mooring），其典型構(gòu)成部件如圖1所示[1]，系泊力大小由環(huán)境工況決定。由于渤海海域水深較淺，冬季有冰，因此其環(huán)境工況選取有其獨(dú)特的特點(diǎn)[2]。

本文結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)，論述渤海淺水型單點(diǎn)系泊FPSO設(shè)計(jì)環(huán)境工況的選取。

1 海洋環(huán)境

典型的海洋環(huán)境包括風(fēng)、波浪、海流、潮汐、氣溫、海水溫度、鹽度、海生物、地震等因素。對(duì)于浮式裝置，風(fēng)、波浪、海流、冰載荷決定了其系泊力。

（1）風(fēng)。由于FPSO上有龐大的原油加工處理設(shè)施，受風(fēng)面積較大，因而風(fēng)載荷作用顯著。風(fēng)的基本要素包括風(fēng)速和風(fēng)向，其設(shè)計(jì)值包括1、5、10、25、50、100 a重現(xiàn)期特征值。

（2）波浪，包括風(fēng)成浪和涌浪[3]。FPSO漂浮在海面上，波浪載荷作用顯著。渤海海域具有半封閉的特征，通常涌浪要比風(fēng)成浪小，因此設(shè)計(jì)時(shí)以風(fēng)成浪為主要考慮因素。波浪的基本要素包括波高、周期和波向，其設(shè)計(jì)值包括1、5、10、25、50、100 a重現(xiàn)期特征值。

（3）海流，包括表層流、中層流和底層流。表層流最大，中層流次之，底層流最小，F(xiàn)PSO受表層流的影響較大。海流的基本要素包括流速和流向，其設(shè)計(jì)值包括1、5、10、25、50、100 a重現(xiàn)期特征值。

（4）冰，包括單層冰、重疊冰、堆積冰。單層冰是指整個(gè)冬季連續(xù)增長，相對(duì)未受到擾動(dòng)的平坦海冰；重疊冰是指在外力作用下，一層冰疊置到另一層冰上形成的1至2層、或更多層冰，但冰面仍較平坦的海冰；堆積冰是指在外力作用下，冰塊雜亂無章地堆積在一起形成的冰。冰的基本要素為壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，其設(shè)計(jì)值包括1、25、50、100 a重現(xiàn)期特征值。

圖1 渤海海域典型單點(diǎn)系泊裝置示意

2 海洋環(huán)境方向組合

海洋環(huán)境各要素有其各自的方向性，組合起來有幾十甚至上百種。對(duì)于具風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的FPSO，DNV規(guī)范明確要求要結(jié)合具體的海域進(jìn)行環(huán)境方向組合。若無海域的具體記錄，則其環(huán)境方向組合至少包含以下兩種[4]：

（1）同向。風(fēng)、波浪、海流皆指向艏部。

（2）不同向。波浪指向艏部，風(fēng)與波浪成30°角，海流與波浪成45°角，如圖2所示。

圖2 風(fēng)浪流不同向

渤海海域水深較淺，海流較大。由于經(jīng)常出現(xiàn)橫流工況，即使風(fēng)、波浪較小，F(xiàn)PSO的橫搖也比較明顯。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，采用了以下的風(fēng)、波浪、海流環(huán)境方向組合模式，如圖3所示。

圖3 海洋環(huán)境方向組合模式

（1）風(fēng)、波浪指向艏部，海流與風(fēng)成90°角。

（2）波浪指向艏部，風(fēng)與海流在波浪的同側(cè)，風(fēng)與波浪成30°角，流與波浪成90°角。

（3）波浪指向艏部，風(fēng)與海流在波浪的兩側(cè)，風(fēng)與波浪成30°角，流與波浪成90°角。

（4）波浪指向艏部，風(fēng)與海流在波浪的同側(cè)，風(fēng)與波浪成30°角，流與波浪成45°角。

（5）風(fēng)、波浪、海流皆指向艏部。

（6）風(fēng)、波浪指向艏部，沒有海流。

對(duì)于渤海海域的風(fēng)、冰、海流環(huán)境工況方向組合，海冰、海流的方向是一致的，而風(fēng)與海冰、海流的相對(duì)方向需要結(jié)合渤海冬季季風(fēng)的特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

3 單點(diǎn)系泊裝置設(shè)計(jì)工況

單點(diǎn)系泊裝置為FPSO提供系泊力，長年受到風(fēng)、波浪、海流、冰等環(huán)境載荷的作用。通常情況下，單點(diǎn)系泊裝置的設(shè)計(jì)需要考慮以下典型工作工況：

（1）自存工況。指單點(diǎn)系泊裝置能夠承受的最惡劣工況。在此工況下，油氣田可以停產(chǎn)，但是整個(gè)系泊裝置仍然是安全而可靠的。通常選擇百年一遇的環(huán)境條件作為自存工況[5]。

（2）操作工況。指單點(diǎn)系泊裝置能夠正常生產(chǎn)的允許工況。在此工況下，油氣田能維持正常生產(chǎn)，整個(gè)系泊裝置是安全而可靠的。通常選擇一年一遇的環(huán)境條件作為操作工況。

（3）外輸工況。指單點(diǎn)系泊裝置進(jìn)行外輸作業(yè)的最大允許工況。在此工況下，油田仍然能維持正常生產(chǎn)，同時(shí)，外輸油輪利用外輸纜繩系固在FPSO上，一起圍繞單點(diǎn)系泊裝置做風(fēng)標(biāo)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)系泊裝置是安全而可靠的。外輸工況的選擇要考慮到外輸裝置和可操作性的要求。

將海洋環(huán)境重現(xiàn)期特征值與環(huán)境方向組合模式進(jìn)行搭配，即可得到單點(diǎn)系泊裝置的設(shè)計(jì)環(huán)境工況。自存工況的環(huán)境要素與方向組合模式搭配，即為單點(diǎn)系泊裝置的自存設(shè)計(jì)工況；操作工況的環(huán)境要素與方向組合模式搭配，即為單點(diǎn)系泊裝置的操作設(shè)計(jì)工況；外輸工況的環(huán)境要素與方向組合模式搭配，即為單點(diǎn)系泊裝置的外輸設(shè)計(jì)工況。以海洋石油113 FPSO的新建單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，介紹設(shè)計(jì)工況的具體選擇。

3.1 風(fēng)、波浪、海流設(shè)計(jì)工況（見表1）

表1 風(fēng)浪流設(shè)計(jì)工況

對(duì)于自存工況，環(huán)境方向組合模式（1）～（6）均采用重現(xiàn)期為100 a的風(fēng)和波浪。對(duì)于海流，環(huán)境方向組合模式（1）～（3）屬于橫流工況，如采用重現(xiàn)期為100 a的流速，將導(dǎo)致系泊系統(tǒng)異常龐大，因此采用了不超越概率大于99%的流速1.0 m/s，這與重現(xiàn)期為100 a的風(fēng)和波浪同時(shí)發(fā)生，相當(dāng)于重現(xiàn)期為10 000 a的極端工況，能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；對(duì)于模式（2），增加譜峰周期敏感性分析，選擇譜峰周期Tp+1、Tp-1兩種狀態(tài)，以確認(rèn)譜峰周期對(duì)系泊力的影響大?。荒Ｊ剑?）～（6）為非橫流工況，仍然采用重現(xiàn)期為100 a的流速。

對(duì)于操作工況，由于環(huán)境方向組合模式（2）和（5）需要的系泊力最大，因此可選擇（2）和（5）作為設(shè)計(jì)工況，采用重現(xiàn)期為1 a的風(fēng)和浪。橫流模式（2）選用了流速0.7 m/s，其不超越概率同樣大于99%。順流模式（5）采用重現(xiàn)期為1 a的海流，速度1.34 m/s。

對(duì)于外輸工況，同樣選擇（2）和（5）作為設(shè)計(jì)工況，依據(jù)渤海海域的外輸操作經(jīng)驗(yàn)，外輸設(shè)計(jì)有效波高為3.1 m，周期為9.1 s，設(shè)計(jì)風(fēng)速為18 m/s，設(shè)計(jì)流速為0.7 m/s。

據(jù)此，得到風(fēng)、波浪、海流的設(shè)計(jì)環(huán)境工況，選用Jonswap波浪譜，NPD風(fēng)譜，水深17.8～20.5 m。

3.2 風(fēng)、海冰、海流設(shè)計(jì)工況（見表2）

渤海海域冬季有冰，因此單點(diǎn)系泊裝置需具備抵御冰載荷的能力，冰載荷在海流和風(fēng)的聯(lián)合作用下運(yùn)動(dòng)對(duì)系泊裝置產(chǎn)生影響。海洋石油113 FPSO所在海域，海冰、海流的方向一致，而風(fēng)與海冰、海流的常見相對(duì)方向?yàn)?°和67.5°。

表1 風(fēng)浪流設(shè)計(jì)工況（續(xù)）

表2 風(fēng)冰流設(shè)計(jì)工況

對(duì)于自存工況，一般情況，渤海海域如果遇到了重現(xiàn)期為25 a以上的重冰年，就需要有破冰船進(jìn)行破冰，因此自存設(shè)計(jì)工況中冰載荷的重現(xiàn)期選擇25 a，風(fēng)載荷重現(xiàn)期為10 a，海流載荷取1.0 m/s。如果遇到重現(xiàn)期為50 a的冰載荷，F(xiàn)PSO會(huì)解脫，僅需要考慮冰對(duì)單點(diǎn)系泊裝置的影響，這種自存工況下采用重現(xiàn)期為10 a的風(fēng)和海流。

對(duì)于外輸工況，可選擇重現(xiàn)期為1 a的海冰和風(fēng)，海流速度取為0.7 m/s。由于有外輸油輪的影響，所需要的系泊力總是大于操作冰工況，因此，設(shè)計(jì)過程中考慮冰外輸工況就足夠，不需要考慮冰操作工況。

根據(jù)以上說明，得到風(fēng)、海冰、海流的設(shè)計(jì)環(huán)境工況，選用NPD風(fēng)譜，水深17.8～20.5 m。

4 結(jié)束語

單點(diǎn)系泊裝置在渤海地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)環(huán)境工況與多種海洋環(huán)境因素相關(guān)，風(fēng)、波浪、海流和風(fēng)、海冰、海流構(gòu)成了兩種不同類型的環(huán)境載荷組合，在確定設(shè)計(jì)工況時(shí)需要結(jié)合特定的海域環(huán)境進(jìn)行具體分析。設(shè)計(jì)過程中要對(duì)其進(jìn)行合理搭配，以確保單點(diǎn)系泊裝置的經(jīng)濟(jì)、安全和可靠。特別是近年來由于氣候異常，渤海海域出現(xiàn)了多起單點(diǎn)系泊裝置失效的事件，這就要求在設(shè)計(jì)之初，對(duì)于新建或者重新利用的單點(diǎn)系泊裝置的海洋環(huán)境設(shè)計(jì)工況進(jìn)行深入分析和研究，適當(dāng)提高設(shè)計(jì)裕量，以應(yīng)對(duì)氣候異常帶來的影響。

[1]劉雪宜.FPSO在YOKE損壞時(shí)的應(yīng)急解脫[J].石油工程建設(shè)，2013，39（3）：26-30.

[2]Q/HSn 3000-2002，中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定[S].

[3]董勝，孔令雙.海洋環(huán)境工程概論[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社，2005.

[4]DNV-OS-E301，Position Mooring[S].

[5]俞聿修.隨機(jī)波浪及其工程應(yīng)用[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2011.

Design EnvironmentalConditions Research ofSingle Point Mooring System in BohaiBay

Liu Xueyi1，Yu Changbao1，Dong Kun2
1.China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300461，China
2.China NationalOffshore OilCo.，Ltd.Tianjin Branch，Tianjin 300452，China

The mooring force of single point mooring（SPM）system depends on design environmental conditions which have large effect on the size of mooring system.This paper summarizes three working conditions of SPM in Bohai Bay，i.e.survival，operating and offloading，which should be considered in the SPM design process.Then the environmental loads are divided into two group types i.e.the wind plus wave plus current and the wind plus ice plus current.Based on the combined working cases，the analyses on SPM are carried out and the results can be used as reference for similar SPM desins.

FPSO；single point mooring；design environmentalconditions；return period

圖片報(bào)道：某海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.008

劉雪宜（1980-），男，湖南攸縣人，工程師，2006年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)專業(yè)，碩士，主要從事海洋工程設(shè)計(jì)與安裝工作。

2014-04-23；

2014-11-23