淺水惡劣環(huán)境下單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱為全， 李　達(dá)， 高　巍， 董　璐, 王　鑫

(1. 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京100011；2. 中海油研究總院，北京 100027；3.中船重工經(jīng)濟(jì)研究中心，北京 100101； 4.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

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淺水惡劣環(huán)境下單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱為全1， 李達(dá)2， 高巍3， 董璐1, 王鑫4

(1. 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京100011；2. 中海油研究總院，北京 100027；3.中船重工經(jīng)濟(jì)研究中心，北京 100101； 4.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

摘要：隨著海洋石油資源的開發(fā)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊逐漸成為惡劣環(huán)境下FPSO定位的主流系泊方式之一。無論是可解脫系泊系統(tǒng)還是永久式系泊系統(tǒng)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊的水深適應(yīng)性都得到了廣泛的認(rèn)可。然而，對(duì)于淺水下的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)有著如下的挑戰(zhàn)：惡劣的自然環(huán)境使得FPSO具有較大的低頻漂移運(yùn)動(dòng)，系泊系統(tǒng)需要有足夠的恢復(fù)力特性。該文針對(duì)中國南海水深為90 m左右的FPSO設(shè)計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，該FPSO為新建15萬噸級(jí)FPSO，使用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)定位。針對(duì)設(shè)計(jì)惡劣的環(huán)境條件(500年一遇)設(shè)計(jì)了系泊系統(tǒng)，進(jìn)行掃略分析并進(jìn)行了立管校核。計(jì)算結(jié)果表明：該系泊系統(tǒng)性能良好，滿足規(guī)范和立管設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊；淺水；惡劣環(huán)境

0引言

一艘新建15萬噸級(jí)FPSO將用于中國南海珠江口盆地的油田開發(fā)，此處水深87 m。該FPSO使用內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)單點(diǎn)系泊定位，設(shè)計(jì)壽命30年。一根12″的立管和一個(gè)供電臍帶連接DPP平臺(tái)與新建FPSO。

中國南海經(jīng)常有臺(tái)風(fēng)過境，近年來臺(tái)風(fēng)的過境次數(shù)和破壞力均有所增強(qiáng)，帶來的后果是極限環(huán)境設(shè)計(jì)條件隨之增加[1]，出于安全設(shè)計(jì)考慮，系泊系統(tǒng)的極限設(shè)計(jì)條件也隨之提高?？紤]到該FPSO較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命(30年)，采用100年一遇的環(huán)境條件作為極端設(shè)計(jì)條件會(huì)使得最終結(jié)果偏于危險(xiǎn)?；诖耍挡聪到y(tǒng)的極端設(shè)計(jì)條件從100年一遇增加到500年一遇。

使用如此嚴(yán)酷的環(huán)境條件作為計(jì)算設(shè)計(jì)條件，同時(shí)水深僅有87 m，該FPSO的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)遇到了較大的挑戰(zhàn)。該系泊系統(tǒng)必須具有足夠的破斷強(qiáng)度以保證纜繩的安全性，同時(shí)還需要有足夠的恢復(fù)力特性以滿足500年一遇條件下立管的安全性。

該文采用時(shí)域分析方法對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，并進(jìn)行系泊系統(tǒng)-立管耦合分析計(jì)算以校驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)是否滿足立管要求。

1基本信息

1.1環(huán)境條件

新建FPSO位置水深為87 m，環(huán)境設(shè)計(jì)條件見表1。從100年一遇到200年、500年一遇，有義波高分別增加4%和10%，相應(yīng)的譜峰周期增加5%和10%，表面流速分別增加5%和10%。同一地點(diǎn)設(shè)計(jì)條件變化情況比較見表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，百年一遇的極端設(shè)計(jì)條件出現(xiàn)了非常明顯的增加。

近年，若干級(jí)別較高的臺(tái)風(fēng)襲擊了中國南海沿岸，這導(dǎo)致了極端設(shè)計(jì)條件的增加。一般情況下，對(duì)于20年設(shè)計(jì)壽命的浮式設(shè)施，百年一遇的環(huán)境條件可以作為系泊系統(tǒng)的極端設(shè)計(jì)條件。新建FPSO有長(zhǎng)達(dá)30年的設(shè)計(jì)壽命，相應(yīng)的計(jì)算設(shè)計(jì)條件也應(yīng)提高?？紤]到南海極端設(shè)計(jì)條件長(zhǎng)期的增長(zhǎng)趨勢(shì)，選擇500年一遇的環(huán)境條件作為該FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的極端設(shè)計(jì)條件。

表1　FPSO系泊系統(tǒng)極端環(huán)境條件比較

表2　南海同一地點(diǎn)環(huán)境條件變化比較

波、風(fēng)、流主導(dǎo)下的條件極值見表3，其中500年一遇的環(huán)境條件將作為系泊設(shè)計(jì)的環(huán)境輸入條件。

表3　FPSO系泊系統(tǒng)500年一遇條件極值

1.2FPSO主尺度信息

新建FPSO的主尺度見表4。該FPSO的升沉固有周期為11 s，橫搖固有周期為15 s左右，縱搖固有周期為10 s左右。

表4　FPSO主尺度信息

1.3FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式

在造價(jià)、可靠性、操作簡(jiǎn)便性及安裝時(shí)間等方面比較了三種主要的內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式。

(1) 快速解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)：投資高，安全性高，回接時(shí)間短，但是停產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)；

(2) 永久式系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，配備浮筒和快速解脫設(shè)備：投資高，安全性高，回接時(shí)間短，停產(chǎn)時(shí)間短；

(3) 永久式系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，無浮筒和解脫系統(tǒng)：投資最低，安全性高，停產(chǎn)時(shí)間短，但是回接時(shí)間最長(zhǎng)。

在中國南海北部的FPSO實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)表明：系泊系統(tǒng)的回接需要兩周以上的天氣窗口。這項(xiàng)工作必須在臺(tái)風(fēng)季節(jié)進(jìn)行，因?yàn)榉桥_(tái)風(fēng)季節(jié)會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間的季風(fēng)環(huán)境。這就要求單點(diǎn)系統(tǒng)必須具有較短的回接時(shí)間，同時(shí)停產(chǎn)時(shí)間必須短。基于此，第二種單點(diǎn)系統(tǒng)選為新建FPSO的單點(diǎn)系統(tǒng)[2]。

2設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1系泊纜安全系數(shù)

根據(jù)API-RP-2SK，對(duì)于動(dòng)態(tài)分析校核需要的安全系數(shù)要求見表5，可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)狀態(tài)分析方法安全系數(shù)完整動(dòng)態(tài)1.67破斷動(dòng)態(tài)1.25

2.2立管限制條件

開發(fā)方案中有兩根立管連接DPP平臺(tái)和FPSO，為一根12寸立管和一根臍帶纜[3]。

對(duì)于立管：

(1) 最小彎曲半徑大于4.94 m；

(2) 許用張力小于4 329 kN；

(3) 與其他海底結(jié)構(gòu)物無碰撞；

(4) 與FPSO解脫后與海底基本無接觸；

(5) 至少滿足100年一遇環(huán)境條件。

對(duì)于臍帶纜：

(1) 最小彎曲半徑大于3 m ；

(2) 許用張力小于500 kN ；

(3) 與其他海底結(jié)構(gòu)物無碰撞；

(4) 與FPSO解脫后與海底基本無接觸；

(5) 至少滿足100年一遇環(huán)境條件。

為了滿足以上要求，立管需進(jìn)行選型，最終確定采用陡波型立管；為了保證立管系統(tǒng)的安全，系泊系統(tǒng)必須有足夠的定位能力。

3系泊設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)設(shè)計(jì)條件要求，系泊系統(tǒng)須有合理的回復(fù)剛度以限制FPSO的位移。87 m的水深條件下，系泊鏈具有非常明顯的懸鏈線特征，回復(fù)剛度主要由系泊纜自身重量和海底臥鏈重量所提供，為了達(dá)到更好的定位效果，錨鏈需增加配重塊以增加系泊系統(tǒng)回復(fù)能力。為了控制纜繩張力載荷和FPSO漂移運(yùn)動(dòng)，系泊系統(tǒng)的布置采用分組布置。FPSO系泊系統(tǒng)的分組布置通常采用3×3、3×4或者更多纜繩的組合。

3.1單根纜布置

由于水深較淺，F(xiàn)PSO系泊纜的懸鏈線形狀比較固定。為了順應(yīng)FPSO的偏移，系泊纜應(yīng)具有小的張力剛度，同時(shí)具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度。由于系泊纜將與海底經(jīng)常接觸、摩擦，因而聚酯纜不在考慮范圍內(nèi)。出于連接操作考慮，系泊纜連接導(dǎo)纜孔的上段部分應(yīng)為鋼鏈。為了減小單點(diǎn)垂向受力，系泊纜的中間段將選擇鋼纜。需注意的是，要避免鋼纜出現(xiàn)在系泊纜與海底的接觸段范圍內(nèi)，以防止頻繁接觸對(duì)鋼纜造成破壞。基于以上考慮，新建FPSO的系泊纜將由鋼鏈-鋼纜-鋼鏈以及配重塊組成。

為了估算所需要的上端鋼鏈直徑，將FPSO壓載工況時(shí)的導(dǎo)纜孔作為系泊纜上端的輸入條件；出于簡(jiǎn)便考慮，將風(fēng)浪流同向的波浪主導(dǎo)環(huán)境條件作為輸入條件，將FPSO最大的風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)作為輸入條件。通過Ariane進(jìn)行試算得出初步結(jié)論：上端鏈?zhǔn)褂肦4K4，直徑不應(yīng)小于146 mm。

對(duì)無配重塊和不同重量配重塊對(duì)于系泊回復(fù)特性的影響進(jìn)行了比較，比較結(jié)果如圖2所示。系泊半徑1 200 m，F(xiàn)PSO處于壓載狀態(tài)，錨鏈直徑146 mm。當(dāng)配重塊重量增加時(shí)(分別為1 t/m, 1.3 t/m 和1.6 t/m)，系泊纜剛度增加明顯，同時(shí)張力也相應(yīng)增加。當(dāng)導(dǎo)纜孔水平偏移22 m時(shí)，相比于無配重塊系泊纜，有配重塊時(shí)系泊纜上端張力分別增加8%，13%和15%。當(dāng)系泊纜張力同為12 000 kN時(shí)，有配重塊系泊纜連接的導(dǎo)纜孔偏移分別減小1.3 m，1.9 m和2.3 m。綜合考慮造價(jià)和性能，躺底段配重塊重量選為1.3 t/m。

圖2　不同配重重量對(duì)系泊纜恢復(fù)力特性影響

3.2系泊系統(tǒng)

FPSO系泊系統(tǒng)采用分組布置，具體為每4根系泊纜一組，分為三組，整個(gè)系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成，單組中纜繩間距4°，每組纜繩間距108°，系泊布置如圖3所示。

圖3　系泊布置

3.3系泊系統(tǒng)評(píng)估

設(shè)計(jì)過程中評(píng)估了兩種不同系泊半徑(950 m和1 200 m)系泊系統(tǒng)的性能，系泊纜組成見表6。兩種系泊半徑下FPSO壓載時(shí)水平回復(fù)剛度比較結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，系泊半徑1 200 m的系泊方案在In Line方向恢復(fù)剛度較小，Between Line方向兩種方案恢復(fù)剛度相當(dāng)。

表6　系泊纜組成比較

圖4　不同系泊半徑FPSO壓載狀態(tài)水平剛度曲線比較

3.4掃略分析

根據(jù)ABS規(guī)范對(duì)于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊分析環(huán)境角度組合建議，對(duì)兩種系泊半徑系泊布置進(jìn)行掃略分析，環(huán)境角度組合為[4]：

(1) 同向環(huán)境條件下，計(jì)算角度(波浪，風(fēng)，流)= (α, α, α), α= 0°, 15°,30°, 60°。

(2) 非同向環(huán)境條件下，計(jì)算角度(波浪，風(fēng)，流)= (α, α+30°, α+90°), α =0°, 15°, 30°, 60°。

為了快速得到設(shè)計(jì)值，采用Ariane作為分析軟件。掃略分析中對(duì)鋼鏈的破斷力考慮0.3 mm的年腐蝕量，總共9 mm的腐蝕量影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果添加1.1倍的動(dòng)力放大系數(shù)以近似考慮纜繩動(dòng)態(tài)影響，比較結(jié)果見表7、表8，由表7、表8可以看出：當(dāng)FPSO壓載時(shí)，纜繩張力較大；當(dāng)系泊半徑為1 200 m時(shí)，纜繩張力載荷較小，F(xiàn)PSO位移較大。由于當(dāng)前鋼鏈直徑已經(jīng)較大，出于安全系數(shù)考慮，系泊半徑1 200 m方案作為最終的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

表7　兩個(gè)系泊系統(tǒng)掃略分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)完整工況)

表8　兩個(gè)系泊系統(tǒng)掃略分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)破斷工況)

3.5立管-系泊系統(tǒng)耦合分析

為了確保設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)能夠滿足立管設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行立管-系泊系統(tǒng)耦合分析。在進(jìn)行耦合分析前，需比較纜繩動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)于系泊系統(tǒng)的影響，選取典型工況分別使用Ariane 和Orcaflex進(jìn)行分析，二者結(jié)果比較見表9、表10。由于Arian并不能考慮纜繩動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在添加了1.1倍的動(dòng)力放大系數(shù)進(jìn)行修正后，纜繩張力結(jié)果與Orcaflex計(jì)算結(jié)果非常接近，但FPSO偏移值小于Orcaflex計(jì)算結(jié)果，因而有必要進(jìn)行立管-系泊系統(tǒng)耦合計(jì)算來進(jìn)一步的分析。

表9　Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)完整)

表10　Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)破斷)

使用Orcaflex建立立管-系泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析模型。從立管選型分析中可以確定遠(yuǎn)端工況時(shí)立管最危險(xiǎn)，此時(shí)環(huán)境條件為500年一遇，環(huán)境來向?yàn)轱L(fēng)浪流同向，沿著Between Line方向指向FPSO。耦合計(jì)算分析進(jìn)行了5個(gè)不同種子的時(shí)域計(jì)算，耦合分析結(jié)果見表11。分析結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)能夠滿足立管設(shè)計(jì)要求。

表11　耦合分析結(jié)果

4結(jié)論

該文針對(duì)一艘在中國南海北部水深87 m油田工作的新建FPSO設(shè)計(jì)了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。針對(duì)500年一遇的極端設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)域動(dòng)力分析。比較了兩種系泊半徑下系泊系統(tǒng)的性能情況，確定系泊半徑1 200 m的系泊方案作為最終的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了立管-系泊系統(tǒng)耦合時(shí)域分析。最終得出了如下結(jié)論：

(1) 基于南海北部FPSO系泊纜回接操作實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及環(huán)境特性，新建FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式為有浮筒可解脫的永久系泊。

(2) 較淺的水深使得系泊纜懸鏈線特性明顯，其恢復(fù)力主要靠躺底鏈提供。為了提高系泊纜恢復(fù)特性，對(duì)系泊纜添加1.3 t/m的配重塊，效果明顯。

(3) 系泊系統(tǒng)采用3×4的布置方式可以較為均勻的分配傳遞環(huán)境載荷。

(4) 當(dāng)FPSO滿載時(shí)系泊系統(tǒng)受力最大,這與較大的環(huán)境條件和較淺的水深有關(guān)。

(5) 系泊半徑1 200 m的系泊方案能夠滿足規(guī)范對(duì)張力安全系數(shù)的要求和立管對(duì)于FPSO位移的要求。950 m系泊半徑方案不能滿足張力規(guī)范要求，但FPSO最大漂移小于1 200 m的方案。

(6) 單根纜破斷工況不是控制工況。這主要是因?yàn)橄挡聪到y(tǒng)一組纜繩由4根系泊纜組成，當(dāng)單根纜破斷時(shí)載荷依舊能夠較為均勻的進(jìn)行分配。

(7) 系泊系統(tǒng)能夠滿足規(guī)范對(duì)于纜繩張力安全系數(shù)的要求和立管的要求。在500年一遇的環(huán)境條件下立管和臍帶纜在FPSO位移34 m條件下滿足最小彎曲半徑和許用張力的要求。

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Challenge for Turret Moorings in Shallow Water and Harsh Environments Conditions

ZHU Wei-quan2, LI Da1, GAO Wei2, DONG Lu2， WANG Xin4

(1.COTEC Offshore Engineering Solutions， Beijing 100011，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027, China；3.China Shipbuilding Industry Corpsration Economic Research Center, Beijing 100101, China；4.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China)

Abstract：Quickly becoming one of the most common moorings for extreme design conditions is the internal turret mooring system. Available as either a permanent or a disconnectable system, the internal turret mooring is recognized for its versatility from shallow water to deep water depths. However, design of such mooring system meets some challenges in shallow water： 1) harsh environments in location; 2) large dynamic offset as low frequency motion; 3) enough restoring force of the mooring system. In this paper, a turret mooring system will be designed for a FPSO system in shallow water in South China Sea where the water depth of about 90 m. A newly build 150 000 DWT FPSO will be located in this field and the unit is kept by a single point mooring system of internal turret type. With response to the harsh environments (500year environments conditions), a dynamic analysis will be performed for the mooring system. It is conclude that the proposed mooring system is fully effective and functional

Keywords：single point mooring; shallow water; harsh enviroment

中圖分類號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-4500(2016)02-0014-07

作者簡(jiǎn)介：朱為全(1981-)，男，工程師。

收稿日期：2015-01-23