八角形FPSO串靠外輸系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)分析

陳勃任，唐友剛，黃 印，何 鑫

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

八角形FPSO串靠外輸系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)分析

陳勃任，唐友剛，黃 印，何 鑫

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對(duì)100 m作業(yè)水深的八角形FPSO，提出采用穿梭油輪串靠的外輸方案，研究串靠外輸在南海的適用性。建立由八角形FPSO及其系泊系統(tǒng)、穿梭油輪及FPSO與穿梭油輪之間的系泊大纜等組成的浮式多體動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)多浮體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行耦合時(shí)域模擬。在外輸海況條件下，分析了串靠連接的環(huán)境適應(yīng)性及研究大纜載荷的響應(yīng)特性，對(duì)連接大纜的長(zhǎng)度、剛度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。研究表明，串靠外輸?shù)男问綄?duì)于八角FPSO具有足夠的安全性和可靠性，系泊大纜受到明顯的沖擊張力，張力的幅值受大纜的長(zhǎng)度和剛度影響較大。

串靠外輸；八角形FPSO；動(dòng)力響應(yīng)；浮式多體系統(tǒng)； 穿梭游輪； 系泊大纜

Abstract: An offloading scheme by using tandem shuttle tanker is proposed for an octagonal FPSO in 100m working depth. The adaptability of the offloading scheme in the South China Sea is also studied in this paper. The floating multi-body dynamical model is set up which consists of octagonal FPSO and its mooring system, shuttle tanker and hawser which connects the FPSO and the shuttle tanker et al. The simulation is carried out based on the floating multi-body dynamical theory in time domain. In the sea condition of offloading, the environmental adaptability of the tandem offloading scheme and the response characteristics of the hawser are analyzed. The sensitivity of the key parameters, such as the length and stiffness of the hawser are investigated. It is shown that the scheme of tandem offloading has sufficient safety and reliability to the octagonal FPSO. The hawser is forced by the impact loads obviously, and the amplitude of the tension is mainly affected by the length and stiffness of the hawser.

Keywords: tandem offloading; octagonal FPSO; dynamic response; floating multi-body system; tanker; hawser

傳統(tǒng)的船型FPSO為保證其具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，通常采用轉(zhuǎn)塔形式的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)[1]，但是單點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其建造、安裝和維護(hù)成本昂貴。近年來(lái)，從經(jīng)濟(jì)性和適用性的角度出發(fā)，海洋工程界提出了一些新型的FPSO。由挪威的Sevan Marine公司設(shè)計(jì)的世界首座圓筒形FPSO——“Piranema Spirit”，于2007年在巴西投入使用，且無(wú)風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的圓筒形結(jié)構(gòu)形式允許穿梭油輪在更大范圍內(nèi)進(jìn)行外輸操作[2]；王天英針對(duì)渤海海域邊際油田提出了圓角倒棱臺(tái)型FPSO(IQFP-FPSO)，該結(jié)構(gòu)在淺水海域的水動(dòng)力性能良好，且具有顯著的抗冰能力，對(duì)于渤海邊際油田的開發(fā)具有一定的優(yōu)勢(shì)[3]。趙志娟等人提出的多筒式FDPSO結(jié)構(gòu)，不僅具有干式儲(chǔ)油的優(yōu)點(diǎn)，而且降低了原油卸載過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的影響[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于船型FPSO串靠外輸也展開了一系列的研究。Morandini等人提出了FPSO串靠外輸過(guò)程中的設(shè)計(jì)狀態(tài)和安全準(zhǔn)則等[5]；Sun等根據(jù)最弱失效模式組理論對(duì)FPSO外輸中的斷纜可靠性進(jìn)行了計(jì)算，得出FPSO系泊系統(tǒng)和大纜的可靠性指標(biāo)，結(jié)果表明在雙纜的配置下外輸可靠性明顯提高[6]；Zhao等研究了與FPSO類似的FLNG串靠外輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，結(jié)果表明外輸間距及FLNG與LNG船之間的連接方式都對(duì)外輸操作的安全性和穩(wěn)定性有顯著影響[7]。FPSO串靠外輸中會(huì)存在風(fēng)載荷與流載荷的遮蔽效應(yīng)：巴西圣保羅大學(xué)的Fucatu和Nishimoto對(duì)于海流的遮蔽效應(yīng)通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明由于FPSO引起的遮蔽效應(yīng)，海流對(duì)于穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)有一定的影響[8]；對(duì)于風(fēng)載荷的影響，荷蘭學(xué)者Koop等[9]采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD模擬手段對(duì)串靠外輸中穿梭油輪所受的風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明由于FPSO的遮蔽效應(yīng)，穿梭油輪所受的風(fēng)力反而增大6%。

針對(duì)淺水小型油田和邊際油田的開發(fā)，范模[10]提出了八角形FPSO結(jié)構(gòu)形式，其各向環(huán)境力基本相同，更有利于采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，相比于船形FPSO采用的單點(diǎn)系統(tǒng)，可以大大降低系泊系統(tǒng)的復(fù)雜性和造價(jià)。近年來(lái)的研究工作，主要集中在圓柱形或者八角形FPSO的外形、水動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究，而對(duì)于此類結(jié)構(gòu)輸油方式和輸油過(guò)程的動(dòng)力響應(yīng)研究較少。本文針對(duì)100 m作業(yè)水深的八角形FPSO，針對(duì)串輸方案，建立了八角形FPSO、大纜及油輪浮式多體系統(tǒng)耦合的分析模型，研究了不同大纜參數(shù)對(duì)于耦合系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)的影響，揭示了串輸系統(tǒng)復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)特性。

1 外輸系統(tǒng)描述

在八角形FPSO主甲板的一邊上設(shè)置用于外輸連接的系泊大纜(hawser)和輸油軟管(hose)的接頭。大纜連接處允許其發(fā)生左右約90°的旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同的環(huán)境載荷方向。在穿梭油輪的尾部，輔以限位拖輪以保證外輸操作的安全進(jìn)行。在主外輸作業(yè)區(qū)的對(duì)稱位置設(shè)置副外輸作業(yè)區(qū)，以保證在反向的環(huán)境條件下外輸工作也能順利實(shí)施。八角形FPSO的串靠外輸系統(tǒng)的總體布置和連接局部布置如圖1所示。

圖1 八角形FPSO串靠外輸布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

對(duì)八角形FPSO和穿梭油輪(tanker)在ANSYS中建模，并導(dǎo)出用于AQWA水動(dòng)力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1，穿梭油輪的滿載排水量為44 430 t，壓載排水量為26 120 t。

八角形FPSO采用多點(diǎn)系泊的方式進(jìn)行定位。在100 m水深，采用3組系泊纜，每組5根的多點(diǎn)系泊方式，每組間隔120°，組內(nèi)每根系纜間隔3°。錨鏈的系泊預(yù)張力取150 t，相關(guān)錨鏈參數(shù)見表2。進(jìn)行外輸時(shí)，F(xiàn)PSO和穿梭油輪通過(guò)大纜連接，大纜的主要參數(shù)見表3。

表1 八角形FPSO主要參數(shù)Tab.1 Major parameters for octagonal FPSO

表2 FPSO錨鏈系泊參數(shù)(預(yù)張力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring for 100 meter depth (pretension=150 t)

表3 大纜參數(shù)Tab. 3 Parameters of hawser

2 多浮體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法

2.1動(dòng)力學(xué)方程

時(shí)域分析中，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)控制方程[11]：

式中：M表示浮體的質(zhì)量矩陣；A表示無(wú)限大頻率時(shí)的附加質(zhì)量矩陣近似值；D表示線性阻尼系數(shù)矩陣；K表示靜水回復(fù)剛度矩陣；分別表示一階和二階波浪載荷、流載荷與風(fēng)載荷；Fext表示系泊系統(tǒng)載荷、拖輪限位載荷、多體約束載荷等；hτ表示遲滯函數(shù)矩陣，是自由表面記憶效應(yīng)的體現(xiàn)，可以由式(2)計(jì)算得到：

其中，aω=Aω-A，bω=Bω，Aω和Bω分別表示附加質(zhì)量矩陣和輻射阻尼矩陣，由三維勢(shì)流理論計(jì)算得到。

對(duì)FPSO和穿梭油輪組成的一個(gè)多浮體系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，根據(jù)多剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的牛頓-歐拉方法，考慮浮體之間的連接形式進(jìn)而求解計(jì)算。在計(jì)算中，考慮了該外輸系統(tǒng)中拖輪拖力的方向是隨著穿梭油輪的位置改變而改變的，并非一個(gè)定常載荷。

連接FPSO和穿梭油輪的系泊大纜相當(dāng)于多浮體之間的約束形式，F(xiàn)PSO、穿梭油輪、大纜等組成的浮式多體系統(tǒng)在時(shí)域模擬過(guò)程中可按照多浮體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算。

2.2線性阻尼系數(shù)

對(duì)于系泊浮體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的黏性阻尼、系泊纜阻尼以及系纜與海底的摩擦阻尼等采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。參考BV NR 493規(guī)范：對(duì)于多點(diǎn)系泊的浮體，橫蕩和縱蕩的線性阻尼系數(shù)取臨界阻尼的3%，艏搖線性阻尼取臨界阻尼的5%；對(duì)于外輸過(guò)程中的穿梭油輪，由于其限位系纜位于水面以上，需再乘以系數(shù)0.37作為修正[12]。

2.3環(huán)境載荷

八角形FPSO的風(fēng)載荷與流載荷根據(jù)CCS規(guī)范進(jìn)行計(jì)算[13]。對(duì)于風(fēng)載荷的計(jì)算，其形狀系數(shù)取1.0；對(duì)于流載荷的計(jì)算，海流拖曳力系數(shù)取1.0。由于八角形FPSO結(jié)構(gòu)近似于圓筒形，故忽略風(fēng)和流引起的艏搖力矩。

穿梭油輪的風(fēng)載荷與流載荷采用OCIMF給出的計(jì)算公式和系數(shù)進(jìn)行計(jì)算[14]。

根據(jù)三維勢(shì)流理論，采用源匯分布法求解出波浪的速度勢(shì)，再通過(guò)壓力積分求解波浪載荷。其中，波浪平均漂移力采用Newman近似法進(jìn)行計(jì)算。

3 設(shè)計(jì)安全準(zhǔn)則

FPSO串靠外輸中系泊大纜的強(qiáng)度準(zhǔn)則參考依據(jù)為BV NR 494[15]。大纜的設(shè)計(jì)載荷計(jì)算如下：

1)對(duì)于單大纜連接的串靠外輸(single line system)

2)對(duì)于雙大纜布置的串靠外輸(twin-line system, 見圖2)

其中，ThD表示大纜的設(shè)計(jì)張力，TD表示在系泊分析中等效為單纜繩的張力。

圖2 典型的雙大纜布置示意Fig. 2 Typical arrangement of double hawsers for offloading

大纜的強(qiáng)度準(zhǔn)則：

其中,SF表示安全系數(shù)，見表4；BS表示大纜的水中破斷強(qiáng)度，其計(jì)算如下：

其中,NWBS表示單腿式大纜的水中破斷強(qiáng)度；cN表示構(gòu)造系數(shù)。如圖3所示，對(duì)于單腿式大纜(single leg type)，取cN=1.0；對(duì)于雙腿式大纜(double leg or grommet type)，取cN=1.7。

圖3 大纜構(gòu)造示意Fig. 3 Structure of hawser

布置形式摩擦鏈等級(jí)Q3，QR3QR4大纜雙纜2．02．22．5單纜2．52．73．0

選取單腿式的大纜構(gòu)造形式，串靠外輸采用單大纜連接。根據(jù)上述大纜的安全系數(shù)的選取要求和強(qiáng)度準(zhǔn)則，可計(jì)算得到大纜的許用載荷為261.3 t。

4 數(shù)值模擬

通過(guò)AQWA-DRIFT模塊對(duì)FPSO的外輸系統(tǒng)的輸油過(guò)程進(jìn)行時(shí)域系泊分析。分析中，計(jì)算兩種典型的裝載工況：FPSO滿載-穿梭油輪壓載和FPSO壓載-穿梭油輪滿載。采用定常大小的力模擬穿梭油輪船尾限位拖輪的系柱拖力，取值20 t。時(shí)域分析模擬時(shí)長(zhǎng)3小時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)取0.2 s。計(jì)算中，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)分別位于其中縱剖面、中橫剖面、靜水面的交點(diǎn)，未連接穿梭油輪和施加環(huán)境載荷時(shí)，F(xiàn)PSO局部坐標(biāo)系原點(diǎn)與全局坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，方向見圖4。

圖4 坐標(biāo)系與環(huán)境載荷方向Fig. 4 Coodinate system and environmental loads directions

確定兩個(gè)外輸操作環(huán)境條件如表5所示，取風(fēng)浪流同向(-135°)進(jìn)行計(jì)算分析。在FPSO滿載工況下，計(jì)算得到的兩浮體的縱蕩、橫蕩和艏搖時(shí)程曲線及對(duì)應(yīng)的大纜時(shí)程曲線如圖5所示。

表5 外輸環(huán)境條件Tab. 5 Environmental condition of offloading

圖5 外輸?shù)臅r(shí)域歷程曲線Fig. 5 Time-history curves for offloading

4.1適用性分析

對(duì)各工況下大纜設(shè)計(jì)載荷和結(jié)構(gòu)最小間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表6。

表6 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab. 6 Statistical table of result

從表6可以看出，各裝載及海況下，大纜的載荷均在許用載荷261.3 t以內(nèi)。穿梭油輪與FPSO的最小間距在70 m以上。

由于八角形FPSO不具有類似于船型FPSO的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，因此需對(duì)不同的環(huán)境載荷方向下，外輸?shù)陌踩赃M(jìn)行驗(yàn)證分析?，F(xiàn)考慮圖6所示三個(gè)不同的外輸位置，分析其對(duì)于外輸耦合系統(tǒng)的影響。計(jì)算海況取表6中的海況。

圖6 穿梭油輪與FPSO的三個(gè)不同相對(duì)位置Fig. 6 Three different relative positions of shuttle tanker and FPSO

針對(duì)三個(gè)不同的相對(duì)位置，計(jì)算得到大纜載荷與浮體間距，結(jié)果見表7。從表中可以看出，不同位置下，大纜載荷與浮體間距變化不大。大纜載荷均在許用載荷的范圍內(nèi)，穿梭油輪與FPSO的最小間距在72 m以上。說(shuō)明串靠外輸形式對(duì)于不同的環(huán)境載荷方向具有較好的適應(yīng)性。研究中發(fā)現(xiàn)，相比于位置1，在位置2和位置3的模擬中，F(xiàn)PSO的艏搖運(yùn)動(dòng)幅值有增大現(xiàn)象。分析其原因在于，大纜張力的作用線不再通過(guò)八角FPSO的中心，對(duì)FPSO產(chǎn)生艏搖力矩引起的。

表7 不同相對(duì)位置下分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab. 7 Results of different relative positions

為得出外輸操作的臨界環(huán)境條件，對(duì)海況等級(jí)進(jìn)行搜索計(jì)算。根據(jù)蒲氏風(fēng)級(jí)表中風(fēng)速與有義波高的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定表8中的6個(gè)計(jì)算海況，計(jì)算中采用JONSWAP模擬不規(guī)則波浪，譜峰周期取7.0 s，譜峰升高因子取2.0，風(fēng)浪流環(huán)境載荷同向。統(tǒng)計(jì)得出大纜張力與有義波高的關(guān)系見圖7，各海況下大纜的安全系數(shù)見表9。

表8 外輸搜索計(jì)算海況等級(jí)列表Tab. 8 Sea state levels of searching calculation for offloading

圖7 大纜張力與有義波高關(guān)系Fig. 7 Relationship between hawser tension and significant wave height

海況編號(hào)123456安全系數(shù)18．77．64．54．13．42．1

從圖7中可以看出，隨著有義波高的增大，大纜載荷迅速增加。大纜在7級(jí)海況下的安全系數(shù)為3.4，仍滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則；在8級(jí)海況下大纜安全系數(shù)為2.1，不滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則。因此以4 m的有義波高為臨界海況條件，結(jié)合南海某海域各月份及年度的“波高-波向聯(lián)合分布”資料(圖8浪玫瑰圖所示)，對(duì)FPSO逐月的外輸時(shí)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表10。從三月份到九月份，每月外輸時(shí)率均在90%以上，氣象條件對(duì)FPSO外輸影響不大；從十月份到次年二月份，環(huán)境條件較為惡劣，每月外輸時(shí)率在90%以下，應(yīng)根據(jù)氣象條件合理安排FPSO的生產(chǎn)和外輸工作。

圖8 浪玫瑰圖(年)Fig. 8 Wave rose diagram (year)

月份123456789101112時(shí)率/(%)87．489．996．397．899．297．896．396．396．284．076．176．4

4.2大纜響應(yīng)特性分析

對(duì)圖5(c)所示的連接大纜的時(shí)程曲線做快速傅里葉變換，得到纜繩載荷的頻域特性曲線，見圖9。從圖中可以看出，纜繩的載荷主要出現(xiàn)在兩個(gè)頻率段：低頻部分，從0.02 rad/s到0.05 rad/s，這部分與主要受浮體的低頻運(yùn)動(dòng)決定；波頻部分，從0.13 rad/s到0.22 rad/s。結(jié)合圖5中大纜張力的時(shí)程曲線，分析這部分主要受到?jīng)_擊張力的影響。當(dāng)穿梭油輪與FPSO出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)，大纜由松弛狀態(tài)突變?yōu)閺埦o狀態(tài)，此時(shí)大纜受到的瞬時(shí)沖擊張力的作用。大纜松弛-張緊時(shí)產(chǎn)生的沖擊張力容易引起纜繩的損傷，減小疲勞壽命[16]。

圖9 大纜載荷頻率成分分析Fig. 9 Frequency components of hawser tension analysis

4.3大纜參數(shù)敏感性分析

1)長(zhǎng)度敏感性

外輸中大纜的長(zhǎng)度對(duì)大纜的響應(yīng)特性有很大的影響。在此選取纜長(zhǎng)從40 m到100 m、間隔10 m，共7個(gè)長(zhǎng)度條件，對(duì)纜長(zhǎng)的敏感性進(jìn)行分析。以外輸海況一為例，大纜張力結(jié)果如圖10所示。當(dāng)纜長(zhǎng)增加時(shí)，其張力幅值明顯減小。原因在于：當(dāng)纜繩長(zhǎng)度較短時(shí)，F(xiàn)PSO和穿梭油輪之間的約束剛度大，浮體相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈，大纜張力較大；反之，當(dāng)纜繩長(zhǎng)度增加時(shí)，其張力較小。

2)剛度敏感性

在系泊大纜EA=43 000 kN大小的基礎(chǔ)上，分別減小20%、40%和增大20%、40%。變化之后的剛度值見表11。分析中，大纜長(zhǎng)度仍取80 m長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果表明：大纜剛度的減小，會(huì)使其張力時(shí)程曲線的“尖點(diǎn)”減少，即張力載荷更加趨于平穩(wěn)，大纜張力幅值也較小，見圖11。

圖10 大纜長(zhǎng)度對(duì)張力幅值的影響Fig. 10 Length influence on tension amplitude of hawser

變化百分比/(%)-40-2002040剛度值/(N·m-1)3．23×1054．30×1055．38×1056．45×1057．53×105

圖11 大纜剛度對(duì)張力幅值的影響Fig. 11 Stiffness influence for tension amplitude of hawser

5 結(jié) 語(yǔ)

采用多浮體動(dòng)力學(xué)方法，計(jì)算分析了八角形FPSO串靠外輸系統(tǒng)的耦合動(dòng)力響應(yīng)，分析了外輸方案的適用性、大纜的響應(yīng)特性和參數(shù)敏感性，主要結(jié)論如下：

1)外輸過(guò)程中，如果環(huán)境載荷方向變化較大，穿梭油輪會(huì)繞導(dǎo)纜孔發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)對(duì)FPSO產(chǎn)生較大的艏搖力矩，加大FPSO的艏搖運(yùn)動(dòng)。

2)比較不同海況外輸?shù)挠?jì)算結(jié)果可知，對(duì)作業(yè)于水深100 m的FPSO，7級(jí)海況(有義波高4.0 m)為外輸臨界海況，大于7級(jí)海況需要停止外輸。

3)外輸系泊大纜的載荷中的幅值主要是穿梭油輪遠(yuǎn)離FPSO運(yùn)動(dòng)時(shí)，纜繩由松弛突變?yōu)閺埦o時(shí)產(chǎn)生的沖擊載荷，雖然纜繩的平均載荷不大，但是沖擊載荷值可高出平均張力數(shù)倍，對(duì)于纜繩的安全影響很大。

4)大纜長(zhǎng)度的增加可以使張力幅值減小，長(zhǎng)度達(dá)到80 m以上時(shí)，張力值趨于穩(wěn)定；大纜的剛度越小，穿梭油輪與八角FPSO的連接柔性增強(qiáng)，故大纜張力幅值也越小。相比于大纜的剛度參數(shù)，浮式多體系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)度參數(shù)更為敏感。

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Analysis of coupled dynamics response for octagonal FPSO in tandem offloading operation

CHEN Boren, TANG Yougang, HUANG Yin, HE Xin

(School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.003

1005-9865(2017)01-0021-10

2016-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279130)

陳勃任(1991-)，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要研究船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。E-mail: chenborentju@163.com

唐友剛。E-mail: tangyougang_td@163.com