南海小型FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063；2.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

南海小型FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃國(guó)良1,2

(1.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063；2.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

針對(duì)南海惡劣海況下的邊際油田環(huán)境條件，設(shè)計(jì)小型FPSO采用聚酯纜型材料的永久多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，水動(dòng)力分析和系泊校核計(jì)算表明，小型FPSO水動(dòng)力性能良好，在生存、作業(yè)環(huán)境中的完整和破斷工況下，系泊系統(tǒng)的最大系泊力和最大位移均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

小型FPSO；系泊系統(tǒng)；水動(dòng)力分析；系泊校核

隨著近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的深水邊際油田越來(lái)越多，其有效開(kāi)發(fā)已迫在眉睫，對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多新型海洋工程開(kāi)發(fā)裝置。在這些新型裝置中，圓筒形[1-3]、多邊形FPSO[4-5]的概念一經(jīng)提出便被油氣開(kāi)發(fā)商所關(guān)注。系泊系統(tǒng)作為浮體的關(guān)鍵技術(shù)之一必然面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案不僅僅要從技術(shù)角度滿(mǎn)足需求，同時(shí)還要著重考慮成本問(wèn)題。系泊系統(tǒng)錨纜的傳統(tǒng)構(gòu)成多采用錨鏈或錨鏈和鋼纜的組合。該種錨纜在水下處于懸垂?fàn)顟B(tài)，利用自身重力而產(chǎn)生系泊回復(fù)力，錨纜的長(zhǎng)度往往達(dá)到水深的數(shù)倍，但對(duì)于深水、噸位較小的FPSO，過(guò)長(zhǎng)的系泊錨纜不僅影響其載重量，同時(shí)增加成本。近些年來(lái)，合成纖維纜已逐步應(yīng)用于系泊系統(tǒng)中，其中SOFEC、SBM、Technip等公司均在其總包的浮式裝置中應(yīng)用，此種材料具有強(qiáng)度高、彈性好且成本較低的優(yōu)點(diǎn)[6]。已開(kāi)展和應(yīng)用的研究工作[7-]9主要集中在500 m以上的深水海域，且海洋環(huán)境較為溫和，擬以工程項(xiàng)目的可行性研究為基礎(chǔ)，開(kāi)展330 m水深南海惡劣海況下小型FPSO系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 船體及環(huán)境參數(shù)

圖1所示為作業(yè)水深330 m的小型多邊形FPSO，其主尺度見(jiàn)表1，船體為雙殼雙底結(jié)構(gòu)，由柱型筒體、底部阻尼板和上部外飄等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成，阻尼板增大FPSO垂向的阻尼，減緩垂蕩運(yùn)動(dòng)幅值。

圖1 小型多邊形FPSO主視圖

表1 小型多邊形FPSO主尺度

FPSO作業(yè)區(qū)為南海東部海域，該區(qū)域受到季風(fēng)和熱帶風(fēng)暴的影響，設(shè)計(jì)計(jì)算選取海洋環(huán)境數(shù)據(jù)為風(fēng)、浪、流主導(dǎo)下的百年一遇海況，選取JONSWAP譜作為分析波浪形態(tài)的波浪譜，風(fēng)頻譜形式為NPD譜，見(jiàn)表2。

1.2 設(shè)計(jì)流程、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

定位分析過(guò)程包括船體水動(dòng)力頻域計(jì)算和錨泊定位能力分析2部分，具體流程見(jiàn)圖2。

表2 FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境條件

圖2 錨泊定位系統(tǒng)的分析流程

目標(biāo)FPSO錨泊定位分析時(shí)，需采用動(dòng)力分析方法對(duì)完整工況和單根破斷工況進(jìn)行校核。設(shè)計(jì)分析依據(jù)是API[10]和ABS浮式生產(chǎn)裝置規(guī)范[11]，安全系數(shù)F為

(1)

式中：FMBL為錨纜的最小破斷強(qiáng)度，TMAX為錨纜的最大張力。錨索的安全系數(shù)取決于設(shè)計(jì)工況及所采用的錨泊分析方法，見(jiàn)表3。此外，在分析時(shí)還應(yīng)考慮錨索的腐蝕裕量和磨損。

表3 安全系數(shù)規(guī)范值

2 永久多點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)方案

2.1 系泊系統(tǒng)方案選型

1)懸鏈?zhǔn)脚c張緊式。本方案采用柔性立管，其位移限制為水深的15%，懸鏈線式隨著水深的增加，錨泊線分布比較長(zhǎng)，水中重力較大，犧牲FPSO較多的儲(chǔ)備浮力，而張緊式采用聚酯纖維纜，重量輕，且錨泊線分布較短，投資低。另外，目前在役的圓筒形FPSO均采用錨鏈+聚酯纜+錨鏈型式的張緊式系泊，因此，本方案采用張緊式系泊。

2)均布式與分組式。研究結(jié)果表明[12]，在同樣環(huán)境條件下，分組布置的最大張力比均布布置小20%，分組系泊的船舶在惡劣環(huán)境下的最大偏移量比均布系泊小5%，所以，分組式系泊模式有更多的冗余防止系泊失效。另外，采用分組布置模式，組與組之間有比較大的空間用來(lái)布置立管，因此，越來(lái)越多地采用分組模式。

3)3×3和3×4系泊纜分布。按照南海百年一遇的生存海況，比較3×3和3×4 2種張緊式系泊配置，根據(jù)廠家報(bào)價(jià)，水下部分，即錨鏈和聚酯纜及吸力錨的價(jià)格接近，但是甲板上，導(dǎo)鏈器、止鏈器及提鏈器的價(jià)格3×4明顯比3×3要高，且系泊安裝費(fèi)要高。因此，同等情況下，選擇3×3系泊布置。

4)錨基礎(chǔ)形式。中國(guó)海域的FPSO主要先后采用過(guò)大抓力錨、樁基、吸力錨形式。樁錨抗拉能力大，且具有抗垂向拉力，但要求的施工機(jī)具多，安裝較繁瑣，工程成本大。大抓力錨，成本低，易安裝，但其一般與懸鏈線式系泊方式組合，需要有躺地段錨鏈，主要承受水平載荷，不能承受垂向載荷。根據(jù)上述懸鏈線與張緊式分析，從初期投資看，大抓力錨也不適合本方案。吸力錨，實(shí)際應(yīng)用效果很好，能承受較大垂向載荷，滿(mǎn)足本方案需求，故錨基礎(chǔ)型式選擇吸力錨。

圖3 提鏈器形式

5)提鏈器形式。如圖3所示，考慮①9根鏈對(duì)應(yīng)9個(gè)Chain Jack；②3組(每組3根鏈)對(duì)應(yīng)3個(gè)滑動(dòng)式Chain Jack；③9根鏈對(duì)應(yīng)9個(gè)錨機(jī)；④3組鏈對(duì)應(yīng)3個(gè)液壓組合式錨機(jī)，共4種提鏈形式。無(wú)論是Chain Jack還是錨機(jī)，1對(duì)1的配置，主要是安裝錨鏈方便，提升效率高，但考慮到永久系泊，錨機(jī)使用率低，從邊際油田投資考慮，不采用1對(duì)1形式，而是采用1組鏈(3根)用1個(gè)。從目前的情況看，Chain Jack節(jié)省甲板空間，但由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有生產(chǎn)過(guò)，而錨機(jī)在國(guó)內(nèi)比較普遍，故初期階段本方案選擇錨機(jī)作為提鏈器。

綜合考慮成本和技術(shù)，該系泊系統(tǒng)采用9根錨纜，為3×3布置，每一組內(nèi)相鄰2根錨纜之間的夾角為5°，3組相互之間夾角為120°，沿順時(shí)針?lè)謩e為1～9號(hào)錨纜，如圖4所示。

圖4 FPSO系泊系統(tǒng)錨纜布置示意

圖4中，每根錨纜由3部分組成，上部與FPSO連接的為無(wú)檔錨鏈，中部為聚酯纜，下端為錨鏈，各海況下，拋出的錨纜總長(zhǎng)度為1 350 m，預(yù)張力為3 122 kN，如圖5所示。

圖5 FPSO系泊系統(tǒng)布置示意

吸力錨直徑最小為7 m，高16 m，系纜點(diǎn)設(shè)置在筒壁側(cè)面據(jù)底端5.5 m左右，最小入泥深度為15.5 m，單個(gè)吸力錨用鋼量約140 t。定位能力分析時(shí)，應(yīng)考慮頂端和底端錨鏈的腐蝕，腐蝕量為0.4 mm/年，服役時(shí)間為30 年，腐蝕總量為12 mm，系泊纜具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 系泊錨纜特性參數(shù)

2.2 計(jì)算分析校核

基于勢(shì)流理論，利用SESAM/WADAM軟件對(duì)FPSO的水動(dòng)力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，由于FPSO外形為軸對(duì)稱(chēng)型式，以橫搖、縱蕩、垂蕩運(yùn)動(dòng)分析說(shuō)明即可，所選取的波浪方向?yàn)?°～180°，波浪頻率覆蓋3～40 s，計(jì)算得到一階波浪力、二階漂移力、波浪阻尼、附加質(zhì)量等參數(shù)作為系泊分析輸入，以如圖6～8所示的滿(mǎn)載工況計(jì)算為例。

圖6 滿(mǎn)載橫搖RAO

圖7 滿(mǎn)載縱蕩RAO

圖8 滿(mǎn)載垂蕩RAO

根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，采用MIMOSA軟件應(yīng)用頻域方法對(duì)FPSO滿(mǎn)載和壓載2種工況進(jìn)行系泊系統(tǒng)分析校核，從0°～180°每隔30°選取1個(gè)角度，計(jì)算不同重現(xiàn)期的海況、浪向下，完整工況、1根纜破斷工況下，F(xiàn)PSO的最大運(yùn)動(dòng)偏移和導(dǎo)纜孔處、聚酯纜及底部錨鏈的最大張力，較危險(xiǎn)工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、6，計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表5 不同工況下系泊及安全系數(shù)

表6 不同工況下偏移距離

3 結(jié)論

小型多邊形FPSO適合采用張緊式多點(diǎn)系泊，且對(duì)于應(yīng)用于南海邊際油田的小規(guī)模多邊形FPSO建議采用3×3系泊，這種布置方式技術(shù)可行、投資更小。

計(jì)算結(jié)果表明，系泊力安全系數(shù)完整工況>1.67，破斷工況>1.25；最大偏移<15%水深；聚酯纜運(yùn)動(dòng)中到海底的垂直距離最小為20.95 m，不會(huì)碰底，滿(mǎn)足使用要求。因此，系泊計(jì)算均滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)備廠家要求。

小型多邊形FPSO多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有國(guó)外類(lèi)似應(yīng)用案例，技術(shù)可靠，能夠打破單點(diǎn)系泊的壟斷，實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化，降低油田開(kāi)發(fā)成本，有望推動(dòng)南海深水邊際油田的早日開(kāi)發(fā)。

[1] 薛洪志，張圓緣.圓筒型海洋平臺(tái)及張緊式系泊系統(tǒng)耦合水動(dòng)力分析[J].船海工程,2015,44:189-192.

[2] 李亮，邵建文，李葳蕤.圓筒型FPSO船體結(jié)構(gòu)布置[J].船海工程,2015,44(44):7-10.

[3] 陸家尉，孫鋼，王浩明.圓筒形FWPSO在中國(guó)南海海域的適用性分析[J].中國(guó)造船,2016,57(增刊1):142-143.

[4] 王世圣，趙晶瑞，謝彬,等.深水八角形FDPSO總體性能分析[J].船海工程,2014,43(3):183-189.

[5] 孫強(qiáng)，董慶輝，彭貴勝,等.八角形FDPSO張緊式系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].海洋工程裝備與技術(shù),2015,2(3):175-183.

[6] 馮麗梅.聚酯纜在深水系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].海洋工程裝備與技術(shù),2016,3(5):315-319.

[7] 陳鵬，馬駿，黃進(jìn)浩，等.基于AQWA的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析及系泊性能計(jì)算分析[J].船海工程,2013,42(3):44-47.

[8] 范模，王春升，張理，等.八角浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用探索[J].中國(guó)海上油氣,2008,20(3):195-198.

[9] 童波. 半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)型式及其動(dòng)力特性研究[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[10] API. Design and analysis of station keeping systems for floating structures[S]. April 2010.

[11] ABS. ABS Rules for building and classing Floating Production Installations[S]. July 2009.

[12] 譚家翔，呂立功.海上油氣浮式生產(chǎn)裝置[M].北京：石油工業(yè)出版社，2014.

Design of Mooring System of Small FPSO in South China Sea

HUANGGuo-liang1,2

(1.Intelligent Transportation Systems Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2.CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

Based on the sea state of marginal oil field in sever sea state of South China Sea, a mooring system of small FPSO was designed with polyester rope. The results of hydrodynamic analysis and mooring check showed that the small FPSO has good performance on the hydrodynamics. In the intact and damaged case of extreme and operated sea state, the maximum mooring force and offset meet specification requirements.

small FPSO; mooring system; hydrodynamic analysis; mooring check

P751

A

1671-7953(2017)05-0053-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.016

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

黃國(guó)良(1974—)，男，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：海洋工程