水下軟剛臂FPSO數(shù)值計算與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

水下軟剛臂FPSO數(shù)值計算與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

李牧

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

針對數(shù)值仿真軟件計算僅依賴于規(guī)范要求，并不能完全適應(yīng)海上瞬息萬變實際情況的問題，以作業(yè)于渤海地區(qū)的水下軟剛臂“海洋石油112”FPSO為研究對象，對其現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)(環(huán)境條件，船體運(yùn)動姿態(tài)及位移，系泊響應(yīng)數(shù)據(jù))進(jìn)行后處理，對比分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值計算的差異，修正仿真軟件數(shù)值模型，以適應(yīng)海洋工程的實際情況。

FPSO；水下軟剛臂；數(shù)值計算；監(jiān)測數(shù)據(jù)

FPSO作為一種重要的海洋工程設(shè)施，由于其處于海上風(fēng)浪多變的復(fù)雜環(huán)境之中，自身存儲原油載重變化不斷，且外輸油船對FPSO船體產(chǎn)生拉力，因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力異常復(fù)雜。軟剛臂系泊FPSO多數(shù)是由壓載艙、系泊腿和系泊臂組成，通過鉸接將上述構(gòu)件聯(lián)接在一起，最終由滑環(huán)固定在單點平臺上，由于FPSO不能像其他船舶一樣隨時離開，而是永久系泊于某一固定海域，所以系泊系統(tǒng)在極端環(huán)境荷載作用下的安全特性一直是學(xué)者所關(guān)心的問題[1-3]，渤海灣海洋石油112作為國內(nèi)惟一一艘水下軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的FPSO，其安全性備受關(guān)注。

日趨惡劣的海洋環(huán)境使得系泊系統(tǒng)的安全性備受考驗[4-5]，針對系泊系統(tǒng)載荷的主要研究方法為數(shù)值模擬和實驗研究，也形成了較為成熟的系泊分析軟件，如Araine、OrcaFlex、Moses、AQWA等，應(yīng)用這些方法都取得了較好的仿真計算效果，并獲得驗證[6-8]。

但應(yīng)用數(shù)值仿真軟件計算僅依賴于規(guī)范要求，并不能完全適應(yīng)海上瞬息萬變的實際情況，而渤海的FPSO水下軟剛臂系泊監(jiān)控系統(tǒng)目前可以實現(xiàn)對環(huán)境條件(風(fēng)、浪、流)，船體運(yùn)動姿態(tài)及位移，系泊響應(yīng)數(shù)據(jù)等進(jìn)行實時在線監(jiān)測。為了更好地修正數(shù)值模型以適應(yīng)海洋工程實際情況，擬就以作業(yè)于渤海地區(qū)的水下軟剛臂海洋石油112FPSO為研究對象，對其現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的后處理，修正仿真軟件數(shù)值模型，對數(shù)值模擬計算開展合理有效的后評估工作。

1 水下軟剛臂系統(tǒng)

FPSO112系泊系統(tǒng)包括：船首支撐結(jié)構(gòu)、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)塔樁基礎(chǔ)[9]等。如圖1所示。

圖1 系泊系統(tǒng)示意

軟剛臂(見圖2)是三角形框架結(jié)構(gòu)，一端與系泊轉(zhuǎn)盤連接，另一端與船艏支撐結(jié)構(gòu)相連。軟剛臂及系泊鏈的參數(shù)如表1所示。

圖2 軟剛臂

表1 軟剛臂及系泊鏈參數(shù)

2 實測數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理流程

FPSO 112監(jiān)測系統(tǒng)所采集的原始數(shù)據(jù)是某設(shè)定采樣頻率下采集的與某時間序列相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，故原始采集數(shù)據(jù)可視為時間序列數(shù)據(jù)。

對于原始采集數(shù)據(jù)，由于環(huán)境噪聲、儀器設(shè)備等原因，在長時間的連續(xù)采集中不可避免會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，因此，F(xiàn)PSO監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程第一步就是進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性檢驗[10]，分析數(shù)據(jù)異常原因，剔除異常數(shù)據(jù)。對于經(jīng)過可靠性檢驗后的原始采集數(shù)據(jù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)類型的不同，將分別在時域和頻域內(nèi)進(jìn)行處理分析。

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計

監(jiān)測系統(tǒng)中，波浪數(shù)據(jù)記錄間隔為30 min，流數(shù)據(jù)為5 min或20 min，風(fēng)數(shù)據(jù)為1 s?？梢钥闯霏h(huán)境要素數(shù)據(jù)完整度不夠，波浪數(shù)據(jù)和流數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重。

2.3 傾角儀監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

監(jiān)測數(shù)據(jù)從2015年2月6日—11月6日，共計268 d，其中有209 d數(shù)據(jù)記錄是完整的。數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，數(shù)據(jù)存儲格式為txt，每個txt文檔中有2列數(shù)據(jù)，分別為時間列和數(shù)據(jù)列，每日有86 400×2個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按傾角儀編號存儲。

2.3.1 理論模型

圖3 軟剛臂系泊結(jié)構(gòu)受力分析

假定軟鋼臂系泊系統(tǒng)是靜態(tài)的，根據(jù)靜力學(xué)力平衡和力矩平衡的[11]原理，軟剛臂系泊系統(tǒng)無論在縱向還是在垂向運(yùn)動時，都滿足力平衡和力矩平衡。當(dāng)縱向和橫向為一時，軟剛臂系泊結(jié)構(gòu)上的受力如圖3所示[12]。根據(jù)軟剛臂單點系泊結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，可以得到水平距離xh、豎直距離xv與傾角φ的關(guān)系式：

(1)

根據(jù)力矩平衡關(guān)系，可得

(2)

根據(jù)力矩的平衡原理，點左右兩邊分別達(dá)到力矩的平衡狀態(tài)：

(3)

根據(jù)式(1)～(3)，得到軟剛臂水平系泊力為

(4)

系泊腿軸向力為

(5)

2.3.2 分析結(jié)果

1)位移和受力極值分析。由圖4可知，在利用傾角儀解算可得到，F(xiàn)PSO最大縱蕩偏移32.5 m。

圖4 每日最大水平偏移

圖5 每日最大水平回復(fù)力

圖6 系泊腿每日最大受力

由圖5和圖6可知，在利用傾角儀解算的系泊腿受力理論解的情況來看，系泊系統(tǒng)水平恢復(fù)力最大700 kN，系泊腿的最大受力4 020 kN。

3 數(shù)值模型分析

采用AQWA和Orcaflex軟件對FPSO 112水動力及軟剛臂系統(tǒng)受力進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 數(shù)值分析與監(jiān)測結(jié)果對比

3.1.1 環(huán)境條件篩選

從監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)來看，風(fēng)浪流大小、方向時刻都在發(fā)生變化。

數(shù)值分析模型中，輸入波浪、流都是穩(wěn)定的，輸入風(fēng)既可以是穩(wěn)定的，也可以是時變的。為開展數(shù)值分析與監(jiān)測結(jié)果對比，需要篩選出浪、流比較穩(wěn)定的工況。篩選時間間隔為30 min。波浪篩選條件為：30 min內(nèi)浪向角度變化小于1°，有義波高變化小于5%。流篩選條件為：30 min內(nèi)流向角度變化小于5°，流速變化小于0.1 m/s。經(jīng)過篩選得到滿足條件的環(huán)境工況見表2。

3.1.2 位移對比分析

通過選取的5組工況位移對比結(jié)果。

1)數(shù)值分析與監(jiān)測結(jié)果在縱蕩和垂蕩運(yùn)動方向吻合較好，如圖7、圖8所示。

表2 篩選環(huán)境條件

注：風(fēng)速和風(fēng)向直接采用相對應(yīng)的監(jiān)測時間歷程,未在上表列出。

圖7 縱蕩運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差對比

圖8 垂蕩運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差對比

2)數(shù)值分析與監(jiān)測結(jié)果在橫搖、縱搖、艏搖方向吻合度較差，如圖9～圖11所示。存在差別的主要原因如下：監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)中，波浪數(shù)據(jù)間隔30 min，流數(shù)據(jù)間隔10～20 min，波浪與流的數(shù)據(jù)并不完全；數(shù)值分析方法分析的是一個穩(wěn)態(tài)過程，F(xiàn)PSO會在一個平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動，監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄結(jié)果顯示FPSO艏向總是在調(diào)整變化，實際FPSO艏搖變化較大。

圖9 橫搖運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差對比

圖10 縱搖運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差對比

圖11 艏搖運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)差對比

3.1.3 系泊張力對比

通過對比系泊張力結(jié)果，可以得出如下結(jié)論。

1)數(shù)值分析得到動態(tài)系泊張力明顯大于監(jiān)測結(jié)果。主要原因是系泊張力監(jiān)測結(jié)果是通過傾角儀數(shù)據(jù)按照靜平衡方程得到，沒有考慮慣性力。見圖12所示。

圖12 系泊張力標(biāo)準(zhǔn)差對比

2)系泊張力均值和最大值趨勢一致，相差不大。主要原因是環(huán)境條件比較溫和，相對于平均系泊力，動態(tài)系泊力比較小。見圖13。

圖13 系泊張力均值對比

4 結(jié)論

1)軟剛臂系泊形式多見于淺水系泊，在數(shù)值計算過程有必要考慮波浪譜中的低頻成分；

2)數(shù)值分析與監(jiān)測結(jié)果在縱蕩和垂蕩運(yùn)動方向吻合較好，在橫搖、縱搖、首搖方向吻合度較差，因為數(shù)值計算的前提假設(shè)是船體裝載平衡、吃水穩(wěn)定，因此誤差主要來源于船體實際的裝載情況；

3)數(shù)值分析得到的動態(tài)系泊張力明顯大于監(jiān)測結(jié)果。但由于渤海灣環(huán)境條件比較溫和，相對于平均系泊力，動態(tài)系泊力比較小。系泊張力均值和最大值趨勢一致，相差不大，因此該海域動態(tài)部分差異可忽略不計。

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Comparison and Analysis of Numerical Calculation and Monitoring Data of Underwater Yoke FPSO

LIMu

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

The numerical simulation software only depends on the specification requirements, can not fully adapt to the changing characteristics of the actual situation of the sea. Taking the underwater soft yoke offshore HYSY 112 FPSO in Bohai as the research object, based on the monitoring data (environmental conditions, ship motion attitude and displacement response of mooring data) post processing, the monitoring data was compared with the numerical analysis results. The differences were analyzed in order to modify the simulation model to adapt to the actual situation of marine engineering.

FPSO; underwater Yoke; numerical simulation; monitoring data

P754

A

1671-7953(2017)05-0061-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.018

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.017

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

李牧(1986—)，女，碩士，工程師

研究方向：浮體結(jié)構(gòu)