規(guī)范及設(shè)計工況對單點系泊系統(tǒng)設(shè)計的影響

易叢，李達，趙晶瑞，謝波濤，白雪平

(中海石油研究中心，北京 100027)

規(guī)范及設(shè)計工況對單點系泊系統(tǒng)設(shè)計的影響

易叢，李達，趙晶瑞，謝波濤，白雪平

(中海石油研究中心，北京 100027)

針對南海單點系泊系統(tǒng)具體案例，考慮不同規(guī)范規(guī)定的多風(fēng)浪流組合工況，通過水動力頻域計算及系泊系統(tǒng)時域分析，得出不同工況下的系泊力數(shù)據(jù)，認為在波高周期相同的前提下，基于不同規(guī)范的系泊分析結(jié)果接近；與以往“采用環(huán)境條件的主極值和條件極值進行計算分析”的方法相比，采用方向極值進行單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計更為科學(xué)可靠。

FPSO；單點系泊；設(shè)計工況

FPSO在海洋石油開發(fā)中應(yīng)用廣泛，是全海式油田開發(fā)工程中的核心單元。從油井中生產(chǎn)的井流經(jīng)海底管線、單點被送到FPSO上油、氣、水處理工藝模塊，經(jīng)脫水、脫氣處理后達到穩(wěn)定的合格商用原油儲存于FPSO的原油儲存艙中。FPSO是漂浮在海面上的浮體，多數(shù)系泊在單點裝置上，是圍繞單點轉(zhuǎn)動且具有風(fēng)向標效應(yīng)的油氣生產(chǎn)裝置[1]。單點系泊系統(tǒng)是FPSO的重要組成部分，占FPSO整體投資近1/3。設(shè)計安全可靠的單點系泊系統(tǒng)，同時盡可能地簡化單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計方案，使投資降低，是單點系泊系統(tǒng)設(shè)計者要綜合考慮和平衡的兩個方面。本文針對南海某油田的新建FPSO單點系泊系統(tǒng)開展研究工作，探討了設(shè)計工況和設(shè)計規(guī)范選取的不同對單點系泊系統(tǒng)方案的影響，以及環(huán)境條件的選取方法。

1 計算方法及物理模型主要參數(shù)

單點系泊系統(tǒng)分析和多點系泊系統(tǒng)分析的理論基礎(chǔ)是相同的[2-3]。考慮錨泊系統(tǒng)與浮體的耦合，在浮體運動方程的基礎(chǔ)上，引入系泊力對整個系統(tǒng)的影響，然后求解非線性時域運動方程。

式中:M為FPSO的廣義質(zhì)量陣；m為FPSO的附加質(zhì)量矩陣；L(t-τ)為FPSO的延遲函數(shù)矩陣；C為恢復(fù)力矩陣；Fiw(t)為流體力，風(fēng)力等外力矩陣；Fim(t)為系泊力矩陣。

耦合求解時首先考慮動態(tài)時域積分，求解動力平衡方程，采用Newton-Raphson法在每個時間步中進行內(nèi)、外力平衡迭代，最終求得FPSO運動狀態(tài)下的力學(xué)特征。

和多點系泊系統(tǒng)不同的是，單點系泊系統(tǒng)由于其風(fēng)標效應(yīng)，在風(fēng)浪流的作用下，往往先到一個平衡位置，與波浪成一定夾角，再在外力作用下進行周期性的運動。

南海某油田水深290 m，環(huán)境條件見表1、2。FPSO的船體主尺度及裝載數(shù)據(jù)見表3；系泊系統(tǒng)參數(shù)見表4；一共9根纜，按照3×3方式布置，系泊半徑為1 300 m，系纜長度為1 371 m，分別是955 m的152 mm R3S鋼纜，390 m的145 mm鋼纜，

表1 風(fēng)浪流條件極值

表2 風(fēng)浪流方向極值

表3 FPSO主尺度及裝載

26 m的152 mm R4鋼鏈。隨著環(huán)境觀測手段及處理方法的進步，通過統(tǒng)計實際Hs-Tp樣本，Hs-Tp關(guān)系曲線開始出現(xiàn)和應(yīng)用于系泊設(shè)計中。南海某油田Hs-Tp包絡(luò)線見圖1。圖1中，Hs為有效波高；Tp為譜峰周期，包絡(luò)線體現(xiàn)了該海域?qū)?yīng)Tp下出現(xiàn)的Hs范圍。本文將基于上述基礎(chǔ)參數(shù)進行算例分析。

表4 系泊系統(tǒng)參數(shù)

在工程設(shè)計中，常常借助商業(yè)軟件進行系泊系統(tǒng)的求解。本文采用法國船級社的HYDROSTAR軟件模擬FPSO船體，不考慮系泊系統(tǒng)影響進行水動力計算，再把RAO運動結(jié)果、船體模型導(dǎo)入到法國船級社的ARIANE軟件中，在該軟件中進行系泊系統(tǒng)建模，將系泊系統(tǒng)簡化為彈簧，并導(dǎo)入到運動方程中，進行系泊力的計算。船體模型和系泊力分析模型見圖2、圖3。

2 不同規(guī)范對系泊分析的影響

2.1 不同規(guī)范對系泊分析的規(guī)定區(qū)別

系泊設(shè)計時，通常使用的規(guī)范見參考文獻[4-7]。這4本規(guī)范針對系泊分析的規(guī)定見表5。BV規(guī)范要求計算浪主導(dǎo)、風(fēng)主導(dǎo)和流主導(dǎo)3種工況，每一種工況中規(guī)定了風(fēng)浪、流浪之間的角度范圍，進行計算分析時，考慮在此范圍內(nèi)風(fēng)浪流的所有組合，因此BV規(guī)范規(guī)定的需要計算的工況非常多。比如，在浪主導(dǎo)工況中，如每15°設(shè)置1個角度，風(fēng)和浪7個間隔，流和浪5個間隔，那么1個浪向即可對應(yīng)35個計算工況，360°范圍內(nèi)則有840個工況。考慮浪主導(dǎo)、風(fēng)主導(dǎo)和流主導(dǎo)，一共有3 000多種計算工況。ABS和DNV對必須考慮的計算工況相對少很多。對應(yīng)1個浪向，ABS只要求計算3種風(fēng)浪流夾角工況，DNV只要求計算2種風(fēng)浪流夾角工況。API規(guī)范沒有對計算工況的具體規(guī)定，只是要求考慮導(dǎo)致最大的系泊力的風(fēng)浪流組合。

表5 不同規(guī)范計算工況規(guī)定

表6為不同規(guī)范對腐蝕的要求。

表6 不同規(guī)范腐蝕規(guī)定

在以往的系泊設(shè)計中，常采用百年一遇環(huán)境條件下的風(fēng)浪流極值進行系泊系統(tǒng)強度設(shè)計。隨著對環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和統(tǒng)計能力的發(fā)展，逐漸開始采用條件極值進行設(shè)計，即風(fēng)最大時浪和流數(shù)據(jù)，浪最大時的風(fēng)和流數(shù)據(jù)等，見表1。同一重現(xiàn)期下，條件極值比風(fēng)浪流極值要小一些。在近期的項目中，除了條件極值外，還出現(xiàn)了風(fēng)浪流方向極值的統(tǒng)計結(jié)果。方向極值統(tǒng)計的風(fēng)浪流因素，又要小于條件極值，如表1。API RP 2SK[6]中也規(guī)定了系泊分析時可采用風(fēng)浪流條件極值。

2.2 ABS/DNV(條件極值)和BV(方向極值)的比較

API規(guī)范、ABS規(guī)范、DNV規(guī)范三者對系泊分析的規(guī)定接近。使用ABS/DNV規(guī)范進行系泊分析時，通常采用風(fēng)浪流條件極值進行系泊設(shè)計。而使用BV規(guī)范，參考以往的設(shè)計案例，常采用風(fēng)浪流方向極值進行系泊設(shè)計。因此，參考以往的設(shè)計慣例，同時考慮規(guī)范中要求考慮波浪周期的敏感性，且小周期為系泊分析控制工況，本節(jié)計算了根據(jù)BV規(guī)范選取的90%Tp下的風(fēng)浪流工況以及根據(jù)DNV/ABS規(guī)范選取的90%Tp下的風(fēng)浪流工況。BV采用的是風(fēng)浪流方向極值，DNV/ABS采用的是風(fēng)浪流條件極值。Tp減小為90%初始值時，Hs保持不變。DNV考慮(0,0,0)和(0,30,45)的風(fēng)浪流夾角，ABS采用(0,0,0)(0,30,90)和(0,30,45)，同時，在DNV/ABS規(guī)范工況選取上，依據(jù)API RP 2SK選取了百年一遇風(fēng)最大、流最大、浪最大3種風(fēng)浪流組合。

本文所有計算均基于一個工況計算30個種子進行，30個種子的結(jié)果根據(jù)規(guī)范要求處理后形成一個工況下的最終結(jié)果。

計算結(jié)果見表7。由表7可見，采用DNV/ABS的計算結(jié)果小于BV計算結(jié)果，后者結(jié)果是前者的1.1～1.2倍。根據(jù)ABS/DNV規(guī)范的傳統(tǒng)工況取法，系泊力計算結(jié)果小于BV規(guī)范規(guī)定工況的計算結(jié)果。

表7 ABS/DNV(條件極值)和BV(方向極值)的 系泊分析結(jié)果比較

2.3 ABS/DNV(方向極值)和BV(方向極值)的比較

由于2.2中ABS/DNV規(guī)范選取的工況采用的是條件極值，BV規(guī)范工況采用的方向極值，而條件極值下波浪周期為13～14 s，方向極值下波浪周期為11～14 s。本節(jié)探討是否由于波浪周期的差別導(dǎo)致2.2中計算結(jié)果的差異。

為此，本節(jié)均采用90%Tp、Hs不變的方向極值環(huán)境條件(見表2)，根據(jù)3個規(guī)范規(guī)定生成風(fēng)浪流計算工況，進行壓載工況的系泊計算。

計算結(jié)果見表8，在都采取方向極值后，3種規(guī)范工況的系泊力計算結(jié)果相當(dāng)。ABS/DNV計算工況中采取的波浪周期變小后，系泊力變大。基于ABS規(guī)范規(guī)定的計算工況下的最大的幾個系泊力分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)系泊力最大時的計算工況，均為周期小的風(fēng)浪流組合，說明波浪周期變小。盡管波高變小，但是仍然導(dǎo)致系泊力增加。ABS、DNV工況的計算結(jié)果甚至比BV計算工況的系泊力略大一些，這是由于ABS/DNV規(guī)范中雖然角度組合比BV船級社少一些，但不需要對風(fēng)浪流進行折減的緣故。

表8 ABS/DNV(方向極值)和BV(方向極值)的 系泊力分析結(jié)果比較

QTF的計算結(jié)果(見圖4)表明水平力11～12 s周期下的力大于13～14 s下的力，這也從一定程度上解釋了周期小的波浪工況反而系泊力更大的原因。事實上，12 s對于系泊系統(tǒng)來說，也是一個關(guān)鍵的周期參數(shù)。

上述分析結(jié)果也表明，在過去的計算中，有時候從保守角度考慮，采用條件極值而不是方向極值進行計算，反而漏掉了系泊力更大的結(jié)果。方向極值是更真實精確的環(huán)境數(shù)據(jù)，盡管會導(dǎo)致更危險的計算工況，但它才是系泊分析時更應(yīng)該采用的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.4 ABS/DNV(Hs,Tp包絡(luò)線)和BV(Hs不變)的比較

2012年版的BV NR 493中明確規(guī)定，進行系泊設(shè)計時需要考慮波浪周期的敏感性。當(dāng)使用Hs-Tp包絡(luò)線進行Hs,Tp選取時，需考慮15%Tp變化范圍內(nèi)的Tp,Hs組合；當(dāng)在10%Tp變化范圍內(nèi)時(90%Tp-110%Tp)，Hs不變；當(dāng)在15%Tp～10%Tp變化范圍內(nèi)時(85%Tp-90%Tp,110%Tp～115%Tp)，Hs可以選取Hs-Tp包絡(luò)線上的點。在以往系泊系統(tǒng)設(shè)計時，也往往直接考慮Tp的敏感性變化，Hs不變。

而最新版的DNV-OS-E301則規(guī)定：在任何Tp變化范圍內(nèi)，均直接在Hs、Tp包絡(luò)線取Hs的值。事實上，從環(huán)境條件的角度，如Tp變化時，Hs不變，也是相當(dāng)于選取了更高重現(xiàn)期的Tp、Hs點，是不合理的選取方法。如圖3所示，在使用百年一遇環(huán)境條件進行系泊分析時，如考慮Tp敏感性變化，選取90%Tp對應(yīng)的Hs時，Hs不變，那么對應(yīng)的Hs、Tp實際上是屬于200年一遇或者更高重現(xiàn)期Tp-Hs包絡(luò)線下的點。如果該系泊系統(tǒng)要求按照百年一遇設(shè)計，采用90%Tp-Hs不變的環(huán)境條件進行設(shè)計時，該系泊系統(tǒng)實際是根據(jù)更高的200年一遇或者其他更高重現(xiàn)期的環(huán)境條件進行設(shè)計，從而導(dǎo)致增加系泊系統(tǒng)的投資，引起不必要的投資。

根據(jù)上述兩種Tp、Hs取法，生成兩組風(fēng)浪流計算工況，均采用90%Tp的環(huán)境條件，針對壓載工況進行計算。一組仍然為根據(jù)BV規(guī)范工況生成的百年一遇重現(xiàn)期90%Tp、Hs不變的工況，另一組為根據(jù)ABS/DNV規(guī)范規(guī)定生成的工況，Tp在85%Tp～100%Tp之間變化，Hs在Hs-Tp包絡(luò)線上取值，對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)見表9。Hs和BV規(guī)范工況中的Hs相比，有所降低。

表9 Hs-Tp包絡(luò)線上取值

基于上述計算工況，計算結(jié)果見表10，在Hs-Tp包絡(luò)線上取不同的點進行Tp的敏感性分析，發(fā)現(xiàn)系泊力變化不大，均在6 000 kN左右，位移在40 m左右，小于“Tp減小，Hs不變”的計算工況。即BV的計算結(jié)果大于ABS/DNV計算結(jié)果2 000 kN。造成這種差異的原因，主要是Hs的選取方法不同。因此，鑒于Hs對系泊力結(jié)果的巨大影響，建議根據(jù)最新版的DNV-OS-E301進行Tp敏感性計算時，在Hs-Tp包絡(luò)線上取點，以更精確的設(shè)計系泊系統(tǒng)。

表10 ABS/DNV(Hs,Tp包絡(luò)線)和BV(Hs不變)的 系泊力結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)如均采用方向極值的環(huán)境條件和相同Hs、Tp的選取方法，ABS/DNV/BV 3家規(guī)范規(guī)定的工況，會產(chǎn)生非常接近的系泊力計算結(jié)果。因此，3家規(guī)范規(guī)定的工況除了復(fù)雜程度有差別之外，本質(zhì)上是相同的，在進行系泊系統(tǒng)設(shè)計時，不會帶來本質(zhì)差別。

2)ABS/DNV(條件極值)和BV(方向極值)的比較，ABS/DNV(Hs,Tp包絡(luò)線)和BV(Hs不變)的比較均表明，ABS/DNV和BV的系泊力結(jié)果差異較大。差異的本質(zhì)原因為“不同規(guī)范對考慮Tp敏感性時的Hs選取方法的規(guī)定”以及“不同規(guī)范對使用方向極值還是條件極值的習(xí)慣做法”?？紤]10%Tp、Hs不變或者Hs選取CONTOUR上的點，對計算結(jié)果影響較大，10%Tp、Hs不變傾向于更保守的結(jié)果。同時，Tp變小導(dǎo)致更大的系泊力，方向極值和條件極值相比，會導(dǎo)致更大的系泊力。

3)在低油價的市場背景下，在保證海上設(shè)施安全性的前提下，降本增效是海上設(shè)施設(shè)計工作的重中之重。建議未來FPSO的單點系泊系統(tǒng)設(shè)計工作，采取方向極值進行設(shè)計，同時在考慮Tp敏感性時，Hs選取Hs-Tp包絡(luò)線的點，實現(xiàn)科學(xué)安全的降低系泊系統(tǒng)的投資，降低海上安裝對安裝船舶的要求，降低海上投資。

[1] 趙晶瑞，謝彬.深水半張緊系泊系統(tǒng)設(shè)計研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2015,37(12)：48-53.

[2] 曾麗華.單點系泊下船舶的運動科學(xué)模型[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2015,37(2)：116-119.

[3] 蔡元浪，楊小龍，李俊汲，等.淺水塔架式單點系泊系統(tǒng)低頻響應(yīng)實驗研究[J].船舶工程，2015,37(2)：81-84.

[4] BV NR493. Classification of mooring systems for permanent offshore units[S].2012.

[5] ABS. Guide for building and classing floating production installations[S].2009.

[6] API RP 2SK. Recommended practice for design and analysis of station keeping systems for floating structures[S].2005.

[7] DNV OS E301, Position mooring[S].2015.

Influence of Rules and Design Loading Conditions upon the Design of Single Mooring System

YI Cong, LI Da, ZHAO Jing-rui, XIE Bo-tao, BAI Xue-ping

(CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

Taking a single mooring system of FPSO as example, considering different wind, wave and current combinations in rules, the hydrodynamic analysis in frequency domain and mooring system analysis in time domain were conducted to get the detail results of mooring forces. It could be concluded that different rules of ship classification society lead to similar results based on same Hs and Tp. It is more reliable and scientific to use the directional extreme wave value instead of the main extreme environmental value and conditional extreme environmental value.

FPSO; single mooring system; design conditions

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.022

2016-07-17

易叢(1982—)，女，碩士，高級工程師

U675.92

A

1671-7953(2017)02-0093-05

修回日期：2016-09-06

研究方向:浮托安裝、FPSO浮體性能