基于FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的系泊力監(jiān)測(cè)方法

，，

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

基于FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的系泊力監(jiān)測(cè)方法

田冠楠，李鵬，王連佳

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

基于懸鏈線原理，開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)定性好、采樣頻率較高的系泊力監(jiān)測(cè)方法，利用監(jiān)測(cè)得到的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)推算得到系泊力值，并通過(guò)實(shí)船測(cè)量“海馬”臺(tái)風(fēng)過(guò)境中海洋石油111FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算得到系泊力。

系泊力監(jiān)測(cè)；運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；實(shí)船測(cè)量；臺(tái)風(fēng)

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是惡劣海況下作業(yè)的FPSO最好的系泊方式之一，已被廣泛應(yīng)用于我國(guó)海域的FPSO。目前南海海域的內(nèi)轉(zhuǎn)塔型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)塔、浮筒和錨纜等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成，錨纜均為懸鏈線式系泊方式，由錨鏈-鋼纜-錨鏈組成[1]。由于FPSO無(wú)法像其他船舶一樣隨時(shí)離開(kāi)，而是永久系泊于固定海域，因此系泊系統(tǒng)在極限環(huán)境荷載作用下的安全特性一直是研究的重要問(wèn)題之一[2-5]。目前，針對(duì)系泊系統(tǒng)載荷研究手段主要通過(guò)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段。然而，由于海洋工程結(jié)構(gòu)物受到來(lái)自于海洋環(huán)境、作業(yè)等復(fù)雜載荷，采用傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)值仿真軟件及模型試驗(yàn)研究均無(wú)法準(zhǔn)確還原實(shí)際的海洋環(huán)境，具有一定的局限性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段能夠考慮現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜狀況而獲得實(shí)際的FPSO數(shù)據(jù)，眾多學(xué)者在這方面進(jìn)行了相關(guān)的研究[6-9]。針對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在穩(wěn)定性不足、監(jiān)測(cè)精度低等問(wèn)題，對(duì)作業(yè)于南海海域的海洋石油111FPSO，提出通過(guò)采用GPS/IMU測(cè)量FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而推算系泊力的監(jiān)測(cè)方法。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題

作業(yè)于我國(guó)南海地區(qū)的內(nèi)轉(zhuǎn)塔型FPSO，包括海洋石油111、115、118等，均裝備了單點(diǎn)錨纜系泊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，3套系統(tǒng)都采用水下傾角儀采集器獲得錨纜實(shí)時(shí)的角度，并將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理獲得各條錨纜的系泊力。但各套系統(tǒng)在設(shè)備選型、采樣頻率、數(shù)據(jù)傳輸方式上有所差異，見(jiàn)表1。

表1 系泊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

2套設(shè)備在監(jiān)測(cè)時(shí)均采用了水下傾角儀設(shè)備，傾角儀安裝于錨纜靠近導(dǎo)攬孔一側(cè)的端部。其中海洋石油118FPSO的傾角儀采用電纜對(duì)傾角儀設(shè)備進(jìn)行供電以保證其連續(xù)工作，但由于海洋環(huán)境復(fù)雜，水下電纜接頭在長(zhǎng)期受到海洋環(huán)境載荷、錨纜搖晃引起的振動(dòng)等多個(gè)因素影響下出現(xiàn)腐蝕并最終斷開(kāi)，最終系泊力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效，如圖1所示。

圖1 傾角儀電纜失效

海洋石油111FPSO的傾角儀采用自帶電池對(duì)傾角儀設(shè)備進(jìn)行供電，數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線聲學(xué)傳輸至船底側(cè)安裝的接收器。由于電池體積較小，無(wú)法保證傾角儀的連續(xù)工作，因此傾角儀每6 h開(kāi)啟并開(kāi)始記錄一定時(shí)長(zhǎng)的傾角數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)避免了電纜斷開(kāi)導(dǎo)致的整個(gè)系統(tǒng)失效，但采樣頻率較低，可能無(wú)法記錄臺(tái)風(fēng)期間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

綜上，目前采用的2種系泊力監(jiān)測(cè)方式都無(wú)法充分滿足需求，需應(yīng)用穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)采集能力更好的監(jiān)測(cè)方案，因此，本文提出采用GPS/IMU測(cè)量獲得FPSO 6自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而推算系泊力方法。

2 理論基礎(chǔ)

該方法是通過(guò)應(yīng)用懸鏈線理論計(jì)算得到動(dòng)態(tài)響應(yīng)-系泊力數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋整個(gè)FPSO的運(yùn)動(dòng)范圍，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)插值計(jì)算得到各條錨纜實(shí)時(shí)的系泊力大小，并獲得錨纜的分布形態(tài)。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊模型在物理概念上可簡(jiǎn)化為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)[10]，船體為集中質(zhì)量，系泊系統(tǒng)則為彈簧，保證整個(gè)系統(tǒng)受到外界環(huán)境力擾動(dòng)下在平衡位置附近振蕩，但位移過(guò)大將造成立管損壞或壽命降低，因此，要求系泊系統(tǒng)有足夠的剛度，把浮式生產(chǎn)裝置的位移限制在允許范圍內(nèi)。南海所采用的系泊系統(tǒng)為鋼質(zhì)懸鏈系泊系統(tǒng)，由9～12根錨纜組成，錨纜在水下呈懸鏈線狀態(tài)分布，通過(guò)自身重量提供剛度，當(dāng)FPSO偏移平衡位置后，一側(cè)的錨纜懸鏈線被拉起，躺地段減少，從而產(chǎn)生回復(fù)力。

假定海床是平坦的，纜線在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，忽略纜線的彎曲剛度和動(dòng)力響應(yīng)，建立懸鏈線求解方程組[11]。

V=Sw+V0

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：S為纜線懸垂部分的未拉伸長(zhǎng)度；L為纜線懸垂部分拉伸后的長(zhǎng)度；X，Z分別為拉伸后懸垂長(zhǎng)度的水平和垂向投影分量；V,H分別為等效軸向拉力的垂直和水平分量；V0為在觸地點(diǎn)V的值；w為纜線的單位長(zhǎng)度濕重；E為彈性模量；A為纜線截面積。

由于南海FPSO均采用懸鏈線式系泊，觸地點(diǎn)在纜線內(nèi)，即纜線處于懸垂?fàn)顟B(tài)，觸地點(diǎn)V0=0，同時(shí)通過(guò)GPS可測(cè)得水平和垂向投影分量X、Z。

3 誤差分析

目前，海洋工程領(lǐng)域常用的浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測(cè)量方法包括衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)(GPS)或水聲定位技術(shù)，由于水聲定位技術(shù)精度低、成本高，而衛(wèi)星導(dǎo)航具有低成本、高精度的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PSO位置測(cè)量采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。GPS動(dòng)態(tài)定位是利用GPS信號(hào)，測(cè)定相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的用戶天線的狀態(tài)參數(shù)，包括三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間7個(gè)參數(shù)，動(dòng)態(tài)定位原理為載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)精度，而目前傾角儀測(cè)量精度0.2°，通過(guò)在同等工況下使用“傾角計(jì)算”與“坐標(biāo)推算”對(duì)比，“坐標(biāo)推算”較“傾角推算”誤差大50 kN，精度相差6%。

拉力變化區(qū)間在300 kN～1 100 kN之間的情況下，對(duì)應(yīng)的傾角變化約為13°，而對(duì)應(yīng)位移約7 m，(見(jiàn)圖2)，因此“傾角反推”也較“坐標(biāo)反推”方法計(jì)算更敏感。但采用GPS反推方案也可對(duì)每根錨纜所受載荷進(jìn)行模擬仿真，且誤差為工程應(yīng)用可接受范圍。

圖2 系泊力-位移/傾角關(guān)系

4 數(shù)據(jù)記錄與分析

2016年10月21日，第22號(hào)臺(tái)風(fēng)“海馬”經(jīng)過(guò)番禺海域，海洋石油111FPSO執(zhí)行油田關(guān)停避臺(tái)程序，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在臺(tái)風(fēng)期間記錄下了FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。本次臺(tái)風(fēng)中心等級(jí)高，距離作業(yè)區(qū)距離較近，對(duì)作業(yè)區(qū)影響顯著且時(shí)間長(zhǎng)，因而本次分析選取影響最為明顯的3 h進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及系泊力的計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查處理[12]，F(xiàn)PSO在該期間的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖3。

圖3 FPSO運(yùn)動(dòng)響度

由圖3可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)對(duì)FPSO影響顯著，運(yùn)動(dòng)位移最大可達(dá)15 m，最大橫搖角接近8°。由此推算出各條錨纜的系泊力狀況，由于同一組錨纜所受系泊力相近，因此僅從每組錨纜選取一根進(jìn)行分析計(jì)算。見(jiàn)圖4。

圖4 錨纜系泊力時(shí)歷值

計(jì)算表明，由于臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)導(dǎo)致各組錨纜在相同海洋環(huán)境下受力差異較大，其中2號(hào)錨纜在該3 h期間，受到錨纜系泊力較大，最大值為4 950 kN，而5號(hào)、8號(hào)錨纜所受系泊力較小，所有錨纜所受系泊力依然處于設(shè)計(jì)的安全范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)本文方法具有穩(wěn)定性好、采樣頻率高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)與傾角儀監(jiān)測(cè)誤差分析，該方法精度可應(yīng)用于工程實(shí)際，并成功用于臺(tái)風(fēng)期間海洋石油111FPSO的監(jiān)測(cè)，獲取臺(tái)風(fēng)期間系泊力的時(shí)歷變化值，該方法可廣泛推廣應(yīng)用于內(nèi)轉(zhuǎn)塔型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的FPSO。

2)本方法依然基于靜態(tài)系泊力的推導(dǎo)計(jì)算理論，需在未來(lái)的研究中考慮系泊纜水下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以進(jìn)一步提高精度。

[1] 黎春,周家齊,馮柯來(lái),等.FPSO系泊和定位方法[J].內(nèi)蒙古石油化工,2010(2):45-47.

[2] 劉曉健.FPSO單點(diǎn)系泊系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué),2012.

[3] M.H.KIM. Vessel/mooring/riser coupled dynamic analysis of a turret-moored FPSO compared with OTRC experiment [J]. Ocean engineering, 2005(32):1780-1802.

[4] 李牧,田冠楠,楊凱東.南海FPSO超極限海況下抗風(fēng)能力分析[J].船海工程,2016,45(5):1-5.

[5] 劉元丹,劉敬喜,譚安全.單點(diǎn)系泊FPSO風(fēng)浪流載荷下運(yùn)動(dòng)及其系泊力研究[J].船海工程,2011,40(6):146-149.

[6] 楊小龍,蔡元浪,宋安科,等.塔架式單點(diǎn)系泊FPSO的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].船舶工程,2014,36(1):198-201.

[7] 劉莉峰, 趙玉梁.FPSO單點(diǎn)軟鋼臂系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].船海工程,2015,44(3):83-86.

[8] 樊哲良,岳前進(jìn),武文華,等.軟鋼臂系泊系統(tǒng)水平系泊力原型測(cè)量方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,48(4): 475-481.

[9] 李鵬,田冠楠,嚴(yán)明.內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用[J].船海工程,2016,45(5):58-62.

[10] 呂立功,景勇,溫寶貴,等.FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮[J].中國(guó)造船,2006,46(增刊):348-356.

[11] 劉書(shū)勝,王勇.懸鏈線方程在FPSO錨系相關(guān)計(jì)算中的應(yīng)用[J].中國(guó)造船,2011,52(1):115-122.

[12] 趙文華,胡志強(qiáng),楊建民,等.FPSO系泊系統(tǒng)載荷計(jì)算與分析[J].中國(guó)海上油氣,2011,23(2):116-121.

On Quick Monitoring Method of Mooring Load Based on Motion Response of FPSO

TIANGuan-nan,LIPeng,WANGLian-jia

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

A method which has the character of good stability and high sampling frequency was developed based on the catenary theory. The method can calculate mooring force with monitored motion response. The motion response data of HYSY 111 FPSO during the typhoon Haima were obtained by field measurement to calculate the mooring force.

mooring force monitor; motion response; field measurement; typhoon

P751

A

1671-7953(2017)05-0075-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.019

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

田冠楠(1989—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力性能