深水FPSO船體、系泊與立管的時(shí)域耦合分析

施興華，徐爍碩，杭　岑，章　柯

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

深水FPSO船體、系泊與立管的時(shí)域耦合分析

施興華1，徐爍碩1，杭岑2，章柯1

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

摘要：基于時(shí)域耦合理論，應(yīng)用SESAM/DeepC模塊，采用時(shí)域非線性方法對(duì)深水FPSO船體、系泊與立管進(jìn)行耦合計(jì)算，分析考慮立管和不考慮立管影響下的系泊性能，研究立管的單位長(zhǎng)度質(zhì)量、立管的軸向剛度，以及立管上安裝浮力塊的位置、質(zhì)量和體積對(duì)FPSO系泊性能的影響，探討了由于浮力塊設(shè)置形成不同形式的立管對(duì)FPSO動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，立管可減小深水FPSO的系泊纜張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，簡(jiǎn)單懸鏈線立管的頂端張力均較大，安裝浮力塊后可有效減小張力。

關(guān)鍵詞：深水FPSO；立管；系泊；耦合分析

海洋立管是深海浮式結(jié)構(gòu)物的關(guān)鍵組成部分，不僅是海面與海底的連接通道，也是連接水下井口與水上浮體的紐帶。風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用下，系泊狀態(tài)下FPSO水動(dòng)力性能的數(shù)值預(yù)報(bào)一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問題。很多學(xué)者在進(jìn)行FPSO系統(tǒng)時(shí)域耦合計(jì)算[1]時(shí)，通常忽略立管系統(tǒng)的影響，實(shí)際上立管系統(tǒng)也會(huì)對(duì)整個(gè)系泊系統(tǒng)的剛度產(chǎn)生影響，而且在耦合分析中，作用在立管上的環(huán)境載荷會(huì)對(duì)整個(gè)分析產(chǎn)生影響。近年來(lái)有學(xué)者，考慮船體-系泊-立管的耦合作用，將立管作用視為船體的拉力，Arcandra[2]研究了平臺(tái)、系泊纜索、立管系統(tǒng)的水動(dòng)力特性，M. H. Kim[3]建立了轉(zhuǎn)塔系泊FPSO的船體、錨泊、立管系統(tǒng)耦合水動(dòng)力模型，對(duì)其進(jìn)行了時(shí)域分析。同時(shí)單獨(dú)針對(duì)立管開展其動(dòng)力特性研究，孫麗萍[4]和丁鵬龍[5]分別研究了立管參數(shù)及浮力塊對(duì)緩波型和陡波型布置的柔性立管動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。但是FPSO和系泊系統(tǒng)、立管系統(tǒng)耦合之后會(huì)顯著地表現(xiàn)出非線性特性，需要用時(shí)域耦合方法進(jìn)行精確模擬，馮愛春[6]用耦合分析方法研究了SCR和TTR兩種立管對(duì)張緊式半潛平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊張力特性的影響。本文采用時(shí)域非線性方法對(duì)深水FPSO船體、系泊與立管進(jìn)行耦合計(jì)算，分析立管參數(shù)和浮力塊對(duì)深水FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系纜張力特性的影響。

1時(shí)域耦合理論

浮體在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)攝動(dòng)分析后，可以分為一階小幅運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和二階大幅運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，即浮體的響應(yīng)可以分為高頻響應(yīng)和低頻響應(yīng)兩部分，并且兩者互不影響。低頻運(yùn)動(dòng)指大幅的慢漂振蕩運(yùn)動(dòng)，高頻運(yùn)動(dòng)可以理解為低頻運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上的微幅振動(dòng)，即高頻運(yùn)動(dòng)的平均值為低頻的運(yùn)動(dòng)位置。因此在求解時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，分為低頻響應(yīng)和高頻響應(yīng)兩部分來(lái)求解[7]。因?yàn)橹饕芯縁PSO的低頻運(yùn)動(dòng)，因此給出低頻運(yùn)動(dòng)方程。

(1)

式中：x(2)——低頻運(yùn)動(dòng)；

B11,B22,B66——阻尼系數(shù)；

Bwdd——縱蕩方向的線性波浪慢漂阻尼系數(shù)；

Fcurrenti——流引起的動(dòng)力載荷；

Fwindi——風(fēng)引起的動(dòng)力載荷；

Fmoori——系泊力；

Fwave(2)i——二階波浪漂移力。

2立管形式

海洋立管通常分為剛性立管和柔性立管，剛性立管又分為鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐?steel catenary riser，SCR)和頂張緊式立管(top tensioned riser，TTR)。如果采用剛性立管和柔性立管的組合，將其稱為復(fù)合立管(hybrid riser)。

頂張緊式立管適用于采用張力腿(TLP)平臺(tái)或深水浮筒(SPAR)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的開發(fā)方案，用于將水下井口垂直回接到TLP或SPAR的干式采油樹上。

鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐芎腿嵝粤⒐苓m用于采用TLP、SPAR、半潛式浮式結(jié)構(gòu)或FPSO的開發(fā)方案，用于將水下采油樹回接到浮式平臺(tái)上，但因柔性立管的特殊結(jié)構(gòu)形式，其適應(yīng)水深遠(yuǎn)較鋼懸鏈?zhǔn)搅⒐苄?。為了適應(yīng)不同水深的需要，鋼懸鏈線立管的概念被不斷的發(fā)展和延伸，通過(guò)浮力塊的設(shè)置，已經(jīng)出現(xiàn)了5種形式的鋼懸鏈線立管：簡(jiǎn)單懸鏈線立管、浮力波或緩波懸鏈線立管、陡波懸鏈線立管和L形立管。柔性立管是一種多層復(fù)合套管，每層采用不同的材料和結(jié)構(gòu)以滿足不同的需求，可以實(shí)現(xiàn)較大曲率的彎曲，能較好地順應(yīng)浮體的漂移和升沉運(yùn)動(dòng)，在惡劣的海域環(huán)境中尤為適用。

復(fù)合式立管適用于與半潛式浮式結(jié)構(gòu)或FPSO的開發(fā)方案。目前國(guó)外應(yīng)用的最大水深為安哥拉Girassol項(xiàng)目，水深為1 350 m[8]。

FPSO的運(yùn)動(dòng)性能對(duì)海洋立管系統(tǒng)的影響很大，盡管有不同的立管可以選擇，但是影響立管工程設(shè)計(jì)的因素卻很多。從技術(shù)可行性上來(lái)講，所選擇的FPSO立管應(yīng)該具備較好的順應(yīng)性，盡量減少船體運(yùn)動(dòng)影響的傳遞，這樣可以改善立管的動(dòng)力響應(yīng)。

3計(jì)算模型

3.1深水FPSO模型

以某工作于中國(guó)南海海域30萬(wàn)t的FPSO為研究對(duì)象，其主尺度參數(shù)見表1，計(jì)算模型見圖1。

3.2系泊和立管系統(tǒng)模型

該FPSO由4組16根相同的張緊式系泊纜和由4根輸油管道組成。系泊纜的主要參數(shù)見表2。

表1　FPSO主尺度參數(shù)

圖1　FPSO船體面元模型

長(zhǎng)度/m直徑/m濕重/(kg·m-1)剛度/N破斷強(qiáng)度/kN船鏈1000.146386.91.221×10918520聚酯纜28780.1757.773.180×10812790

FPSO船體、系泊和立管的耦合模型見圖2。

圖2　船體、系泊、立管耦合模型

4立管對(duì)FPSO動(dòng)力響應(yīng)影響的分析

4.1立管的影響

分析具有相同系泊方式、相同系泊材料、相同環(huán)境條件，深水FPSO系統(tǒng)有無(wú)立管時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)力特性,見圖3。

可看出，如果同時(shí)將立管、系泊和船體進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí)，得到的縱蕩響應(yīng)譜和系纜張力響應(yīng)譜的峰值要小于忽略立管的情況，而橫蕩響應(yīng)譜和艏搖響應(yīng)譜峰值略大于無(wú)立管的情況。因此，立管系統(tǒng)影響FPSO整個(gè)系統(tǒng)的的水平運(yùn)動(dòng)和系纜張力。以下的研究?jī)H對(duì)縱蕩、系泊纜張力等開展研究。

圖3　運(yùn)動(dòng)和張力響應(yīng)譜

4.2立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量的影響

分析給定立管軸向剛度為2×1010N，不同單位長(zhǎng)度質(zhì)量時(shí)FPSO船體的運(yùn)動(dòng)性能、系泊纜張力和立管張力特性見圖4。

圖4　運(yùn)動(dòng)和張力隨立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量的變化

從圖4可看出，船體縱蕩運(yùn)動(dòng)、系泊纜張力，隨立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量增加而逐漸減小。同時(shí)，立管張力隨立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量增加而逐漸增加，當(dāng)立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量為500 kg/m時(shí)，立管張力較大，達(dá)到3×104kN。因此，必須安裝可以減小立管頂端張力的結(jié)構(gòu)，使得立管張力在安全范圍內(nèi)。

4.3立管軸向剛度的影響

分析在給定立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量為100 kg/m，不同立管軸向剛度時(shí)FPSO船體的運(yùn)動(dòng)性能、系泊纜張力和立管張力特性，見圖5。

圖5　運(yùn)動(dòng)和張力隨立管軸向剛度的變化

從圖5可以看出，船體縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力隨立管軸向剛度的增加，先后呈現(xiàn)增加、減小、增加、減小的趨勢(shì)。同時(shí)，立管張力隨立管軸向剛度的增加而逐漸增加，而且立管張力都較大。

5浮力塊對(duì)FPSO系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響

由上述的分析可知，進(jìn)行船體、系泊和立管系統(tǒng)的耦合數(shù)值計(jì)算時(shí)，立管的頂端張力都較大，因此，必須在立管上安裝浮力塊，利用浮力塊提供的浮力，使得立管彎曲成波形，具有更好的順應(yīng)性，減小立管的頂端張力。

5.1浮力塊位置的影響

選取單位長(zhǎng)度質(zhì)量為100 kg/m，軸向剛度為3×1010N的立管進(jìn)行計(jì)算，該立管總長(zhǎng)3 600 m，管內(nèi)流體密度為880 kg/m3，立管外徑為0.4 m，內(nèi)徑為0.3 m。計(jì)算了浮力塊質(zhì)量為20 t時(shí)，浮力塊距立管頂端不同距離情況下浮力塊對(duì)FPSO動(dòng)力特性的影響，見圖6。

從圖6可看出，安裝浮力塊的縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力比未安裝浮力塊的值大，且縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力隨浮力塊距立管頂端距離的增加而逐漸減小。安裝浮力塊的橫蕩、艏搖，以及立管張力比未安裝浮力塊的值小，且橫蕩運(yùn)動(dòng)、艏搖運(yùn)動(dòng)和立管張力隨浮力塊距立管頂端距離的增加而逐漸增加。

圖6　運(yùn)動(dòng)和張力隨浮力塊安裝位置的變化

5.2浮力塊質(zhì)量的影響

選取上述立管，分別計(jì)算浮力塊距立管頂端1 800 m、浮力塊體積為50 m3時(shí)，不同浮力塊質(zhì)量情況下浮力塊對(duì)FPSO動(dòng)力特性的影響，見圖7。

從圖7可以看出，安裝浮力塊的縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力比未安裝浮力塊的值大，且縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力隨浮力塊質(zhì)量的增加而逐漸減小。安裝浮力塊的立管張力比未安裝浮力塊的值小，立管張力隨浮力塊質(zhì)量的增加逐漸增加。同時(shí)，由圖7c)可見，立管上安裝浮力塊可以有效的減小立管的頂端張力。

圖7　運(yùn)動(dòng)和張力隨浮力塊質(zhì)量的變化

5.3浮力塊體積的影響

選取上述立管，分別計(jì)算浮力塊距立管頂端1 800 m、浮力塊質(zhì)量為20 t時(shí)，不同浮力塊體積情況下浮力塊對(duì)FPSO動(dòng)力特性的影響，見圖8。

圖8　運(yùn)動(dòng)和張力隨浮力塊體積的變化

從圖8可看出，安裝浮力塊的縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力比未安裝浮力塊的值大，且縱蕩運(yùn)動(dòng)和系纜張力隨浮力塊體積的增加而逐漸增加。安裝浮力塊的立管張力比未安裝浮力塊的值小，立管張力隨浮力塊體積的增加逐漸減小。同時(shí)，圖8表明，立管上安裝浮力塊可以有效減小立管的頂端張力。

5.4不同形式立管對(duì)FPSO系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響

通過(guò)調(diào)整浮力塊的位置以及浮力塊的質(zhì)量和體積，立管的形式已經(jīng)不再單一化，出現(xiàn)了簡(jiǎn)單懸鏈線型、緩波型、陡波型等多種形式的立管。不同形式的立管計(jì)算模型見圖9。FPSO的響應(yīng)結(jié)果見表3。

圖9　不同形式的立管模型

簡(jiǎn)單懸鏈線型緩波型陡波型縱蕩/m-34.990-36.685-36.615橫蕩/m12.67112.77912.817垂蕩/m-4.169-4.144-4.150橫搖/(°)8.6718.3608.365縱搖/(°)5.0885.1425.138艏搖/(°)5.5415.5225.515系泊纜張力/kN3881.584044.874038.98立管張力/kN22356.91147.991587.37

由表3可見，不同形式立管對(duì)應(yīng)的FPSO 6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)及系纜張力最大值的變化量均小于5%，說(shuō)明立管形式對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響較小。但不同形式立管對(duì)應(yīng)的立管張力變化較大，尤其是安裝浮力塊的緩波型和陡波型立管的頂端張力，相對(duì)于未安裝浮力塊的簡(jiǎn)單懸鏈線立管的張力有明顯減小。此外，陡波型立管幾乎與海底沒有接觸，可避免立管與井口的摩擦。

6結(jié)論

1) 立管系統(tǒng)對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力產(chǎn)生一定的影響。船體縱蕩和橫蕩運(yùn)動(dòng)，以及系泊纜張力，隨立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量增加而逐漸減小。立管張力隨立管單位長(zhǎng)度質(zhì)量增加而逐漸增加。立管軸向剛度對(duì)FPSO系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響比較顯著，且立管張力隨立管軸向剛度的增加而逐漸增加。

2) 通過(guò)分析浮力塊的位置、質(zhì)量和體積的對(duì)于FPSO水動(dòng)力性能的影響，表明在立管上設(shè)置浮力塊對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響較小，但是立管張力卻明顯減小。

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Vessel, Mooring and Riser Coupled Analysis of Deepwater FPSO in Time-domain

SHI Xing-hua1, XU Shuo-shuo1, HANG Cen2, ZHANG Ke1

(1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China;2 Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Abstract:To study the effect of the riser systems to the deepwater FPSO system, based on time-domain coupling theory, the SESAM-DeepC is applied to conduct the coupling analysis of the FPSO hull, mooring and riser by nonlinear method in rime domain. The mooring performance of system is analyzed considering riser and without riser, besides, the influence of the mass per unit length of the riser, the axial stiffness of the riser, the location, mass, volume of the buoyancy to FPSO is studied. The effects of different forms of rises on the response of FPSO are discussed. The results indicate that the riser can reduce the mooring force and motion responses of the deepwater FPSO. The top tension of simple catenary riser is larger and installing the buoyancy block can effectively reduce tension.

Key words:deepwater FPSO; riser; mooring; coupled analysis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.031

收稿日期：2015-11-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51509113)，江蘇省高校自然基金(13KJA570001,14KJB580005)，江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(CJ1306，CJ1403)

第一作者簡(jiǎn)介：施興華(1981—),男,博士,副教授 E-mail:shixinghua9@163.com

中圖分類號(hào)：U674.38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)03-0135-06

修回日期：2015-12-24

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)水動(dòng)力分析