淺水環(huán)境下典型外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的特性分析

， ， ， ，

(大連理工大學(xué)，船舶工程學(xué)院， 遼寧 大連，116024)

淺水環(huán)境下典型外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的特性分析

王文華，冉曉明，邸曉寧，馮碩，黃一

(大連理工大學(xué)，船舶工程學(xué)院，遼寧大連，116024)

針對(duì)淺水環(huán)境下典型外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建立懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)(Catenary Anchor Leg Mooring System，CALM)、單錨搖臂式系統(tǒng)(Sal Yoke System， SYS)、水上軟剛臂式系泊系統(tǒng)(Soft Yoke Mooring System, SYMS)3種單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)船體的多體水動(dòng)力模型?；诖w與外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析算法，綜合考慮風(fēng)、浪、流載荷的影響，計(jì)算得到FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)所受載荷，統(tǒng)計(jì)和比較各單點(diǎn)系統(tǒng)的系泊性能和特點(diǎn)，為淺水環(huán)境下外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究提供理論依據(jù)。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；多體水動(dòng)力模型；時(shí)域耦合分析算法

0 引 言

近年來，海洋油氣的加速開發(fā)使海洋工程裝備得到快速發(fā)展，其中浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)是一種集油氣開采、分離處理、原油儲(chǔ)運(yùn)、人員居住于一體的多功能大型海上生產(chǎn)裝備，其特點(diǎn)是：適應(yīng)水深范圍廣、儲(chǔ)/卸油氣量大、承載能力強(qiáng)等，在海洋石油開發(fā)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。

FPSO本身沒有動(dòng)力，需要通過系泊裝置才能長(zhǎng)期定位于指定海域。由于船型浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)環(huán)境載荷方向比較敏感，結(jié)合風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，系泊方式通常采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。目前單點(diǎn)系泊系統(tǒng)種類眾多，可分為懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)(Catenary Anchor Leg Mooring System，CALM)、單錨搖臂式系統(tǒng)(Sal Yoke System， SYS)和水上軟剛臂式系泊系統(tǒng)(Soft Yoke Mooring System, SYMS)等[3-4]，不同單點(diǎn)系統(tǒng)的系泊性能和特點(diǎn)各不相同，因此有必要對(duì)各種典型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的特性進(jìn)行對(duì)比分析。

本文首先針對(duì)淺水環(huán)境下外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建立CALM， SYS，SYMS系泊系統(tǒng)和FPSO船體的多體水動(dòng)力模型。然后，基于船體與外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析算法，研究風(fēng)、浪、流載荷聯(lián)合作用下3種外單點(diǎn)系統(tǒng)的系泊性能和系泊特點(diǎn)，為確保FPSO的作業(yè)穩(wěn)定性和生存可靠性提供依據(jù)。

1 數(shù)值算法和水動(dòng)力模型

1.1FPSO船體參數(shù)和水動(dòng)力模型

FPSO主船體總長(zhǎng)276.8 m、垂線間長(zhǎng)262.0 m、型深23.6 m、型寬51.0 m，相關(guān)參數(shù)見表1。在水動(dòng)力計(jì)算中，需要根據(jù)不同裝載狀態(tài)下的吃水位置劃分水下濕表面，進(jìn)而通過網(wǎng)格收斂性分析，確定網(wǎng)格尺寸為1.5 m左右。FPSO整體和滿載狀態(tài)濕表面的網(wǎng)格如圖1所示。

表1 FPSO主浮體參數(shù)

圖1 FPSO水動(dòng)力模型的網(wǎng)格劃分

1.2外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力模型

以3種外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合典型系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建立CALM，SYS和SYMS系統(tǒng)的模型。

1.2.1 懸鏈錨腿式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(CALM)

CALM主要由浮筒、系泊錨鏈、系泊纜繩、輸油系統(tǒng)和輔助設(shè)備組成，其中：浮筒為圓柱形，通過6根均勻分布的錨鏈固定于海底。浮筒主要參數(shù)參見表2，錨鏈參數(shù)見表3。FPSO和浮筒轉(zhuǎn)臺(tái)之間通過1根長(zhǎng)度為45.7 m的系泊纜繩連接。CALM和FPSO的耦合水動(dòng)力模型如圖2所示。

表2 浮筒主要參數(shù)

表3 錨鏈主要參數(shù)

圖2 CALM和FPSO耦合水動(dòng)力模型

1.2.2 單錨搖臂式系統(tǒng)(SYS)

SYS包括具有外伸結(jié)構(gòu)(用于懸掛錨鏈)的FPSO、錨泊系統(tǒng)(轉(zhuǎn)塔、軸承、搖臂Yoke和錨鏈Chain)、立管和柔性跨接管系統(tǒng)、FPSO和系泊柱間的連接橋結(jié)構(gòu)。其中，扁平狀樁基和圓柱狀外套筒對(duì)多體系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響比較小，可以忽略。此外，搖臂的主要參數(shù)見表4，錨鏈(每根375 t)主要參數(shù)見表5。SYS和FPSO耦合水動(dòng)力模型如圖3所示。

表4 搖臂的主要參數(shù) m

表5 錨鏈主要參數(shù) m

圖3 SYS和FPSO耦合水動(dòng)力模型

1.2.3 水上軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)(SYMS)

SYMS分為軟剛臂和系泊腿，主要參數(shù)見表6，其中：2個(gè)系泊腿分別位于FPSO兩側(cè)，上端連接在FPSO支撐結(jié)構(gòu)上，允許結(jié)構(gòu)橫搖、縱搖；下端連接在軟剛臂上，允許自由轉(zhuǎn)動(dòng)；軟剛臂和塔架連接處也允許自由轉(zhuǎn)動(dòng)。SYMS和FPSO耦合水動(dòng)力模型如圖4所示。

表6 軟鋼臂和系泊腿的主要參數(shù)

圖4 SYMS和FPSO耦合水動(dòng)力模型

1.3算法理論簡(jiǎn)介

基于三維波浪勢(shì)流理論[5-6]計(jì)算FPSO水動(dòng)力參數(shù)。首先，基于拉普拉斯方程和邊界條件求解流場(chǎng)速度勢(shì)；然后，根據(jù)伯努利方程得到浮體壓強(qiáng)分布，再沿物體濕表面積分可得到浮體所受波浪力。在環(huán)境載荷作用下，通過時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程耦合分析多體系統(tǒng)的水動(dòng)力特性[7]，其中：風(fēng)流載荷系數(shù)通過OCIMF[8]獲得，錨鏈張力采用纜索有限元計(jì)算[9]。細(xì)長(zhǎng)圓柱狀搖臂所受波流載荷采用Morison方程[10]計(jì)算。最后，針對(duì)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程，采用基于NEWMARK-BETA算法的預(yù)估-校正策略計(jì)算多體系統(tǒng)各物理量的時(shí)間歷程，在時(shí)間步進(jìn)過程中，通過循環(huán)迭代可以實(shí)現(xiàn)多體運(yùn)動(dòng)方程的雙向耦合，從而得到FPSO和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文采用渤海海洋環(huán)境條件，該海域水深24 m，具體環(huán)境參數(shù)見表7。算例工況定義如下：工況1為風(fēng)浪流同向、一年一遇；工況2為風(fēng)浪方向180°、流向145°、一年一遇；工況3為風(fēng)浪流同向、百年一遇；工況4為風(fēng)浪方向180°、流向145°、百年一遇。

圖5 不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下FPSO水平運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

環(huán)境條件一年一遇百年一遇波浪最大波高/m5．88．4有義波高/m3．45．0波浪周期/s8．310．1風(fēng)1小時(shí)風(fēng)速/(m·s-1)17．626．5流流速/(m·s-1)1．171．58

2.1不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

2.1.1 水平面內(nèi)的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

基于船體與外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析算法，計(jì)算得到不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的FPSO縱蕩、橫蕩和艏搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，如圖5所示，可以看出：3種不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)對(duì)FPSO水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響相差較大，其中CALM的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比SYS和SYMS系統(tǒng)大很多、SYS次之、SYMS最小。這說明SYMS系泊效果最佳，CALM抵抗惡劣環(huán)境條件的能力相對(duì)最弱。此外，在滿載狀態(tài)和工況2～4下，CALM的FPSO運(yùn)動(dòng)幅值較大。從圖5b)和5c)中可以看出：在百年一遇風(fēng)、浪、流同向海況中，CALM會(huì)發(fā)生水平面內(nèi)非穩(wěn)定甩尾現(xiàn)象，需要在單點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)特別注意。

2.1.2 水平面外的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下FPSO垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)如圖6所示，可以看出：針對(duì)水平面外的運(yùn)動(dòng)(垂蕩、橫搖、縱搖)，3種單點(diǎn)系統(tǒng)FPSO的運(yùn)動(dòng)幅值均較??；在垂蕩和縱搖方面，SYMS的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最小，SYS和CALM差別不大。這說明SYMS系泊剛度相對(duì)較大，可以在一定程度上限制FPSO在水平面外的運(yùn)動(dòng)。由圖6b)可以看出：在百年一遇風(fēng)、浪、流同向海況中，CALM的FPSO會(huì)發(fā)生橫搖運(yùn)動(dòng)，這主要是由于該工況下CALM系統(tǒng)會(huì)發(fā)生水平面內(nèi)的甩尾現(xiàn)象。

圖6 不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下FPSO水平面外的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

2.2傳遞到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的載荷

作用在FPSO上的環(huán)境載荷將會(huì)通過連接構(gòu)件傳遞到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，進(jìn)一步對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中，對(duì)于SYS和SYMS單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，z方向載荷是由單點(diǎn)裝置自身配重引起的，本文主要分析由FPSO傳遞到單點(diǎn)系統(tǒng)上的載荷，即x和y方向上的載荷。

2.2.1 FPSO靠近和遠(yuǎn)離對(duì)單點(diǎn)系統(tǒng)載荷的影響

在x和y方向上，各系統(tǒng)單點(diǎn)載荷極值的符號(hào)不一致，既可能發(fā)生在FPSO遠(yuǎn)離單點(diǎn)系泊系統(tǒng)時(shí)，也可能發(fā)生在FPSO靠近系泊系統(tǒng)時(shí)。

(1) 對(duì)于SYS，載荷的特點(diǎn)比較復(fù)雜。x方向的最大值發(fā)生在FPSO遠(yuǎn)離時(shí)。在y方向上，主要與環(huán)境載荷的方向有關(guān)：在風(fēng)、浪、流同向的工況中，系統(tǒng)載荷基本為0；在風(fēng)、浪、流異向的工況中，載荷最大值發(fā)生在FPSO遠(yuǎn)離單點(diǎn)系泊系統(tǒng)時(shí)。

(2) 對(duì)于SYMS，x方向的最大值發(fā)生在FPSO靠近單點(diǎn)系泊系統(tǒng)時(shí)。在y方向上，同樣與環(huán)境載荷的方向有關(guān)：在風(fēng)、浪、流同向的工況中，系泊系統(tǒng)載荷同樣基本為0；在風(fēng)、浪、流異向的工況中，載荷最大值則發(fā)生在FPSO靠近單點(diǎn)系泊系統(tǒng)時(shí)。

(3) 對(duì)于CALM，最大值均發(fā)生在FPSO遠(yuǎn)離浮筒時(shí)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)只能靠纜繩提供回復(fù)力使FPSO靠近單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

因此，作用在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的x和y方向的載荷極值，SYS和CALM系統(tǒng)均發(fā)生在FPSO遠(yuǎn)離系泊系統(tǒng)時(shí)，而SYMS系統(tǒng)發(fā)生在FPSO靠近系泊系統(tǒng)時(shí)。

2.2.2 裝載狀態(tài)對(duì)系泊系統(tǒng)載荷的影響

為了更好地分析裝載狀態(tài)對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷的影響，將x和y方向上不同裝載狀態(tài)的載荷極值繪制如圖7和8所示，可以看出：整體上，滿載狀態(tài)x方向載荷較壓載狀態(tài)大，而裝載狀態(tài)對(duì)y方向載荷影響不大。但是，對(duì)于CALM，滿載狀態(tài)較壓載狀態(tài)大許多。此外，從圖8中可以看出：對(duì)于風(fēng)、浪、流同向海況，百年一遇CALMy向載荷會(huì)由于甩尾現(xiàn)象變得很大，其余工況下單點(diǎn)y向載荷均較小。

2.2.3 系泊系統(tǒng)形式對(duì)載荷極值的影響

為了更好地對(duì)比分析各系泊系統(tǒng)的載荷極值，將x和y方向上不同系泊系統(tǒng)形式的載荷極值進(jìn)行對(duì)比，如圖9和圖10所示，可以看出：整體上，SYMS載荷最小。對(duì)于x向載荷：在壓載狀態(tài)下，SYS載荷最大；在滿載狀態(tài)下，CALM載荷最大，這主要因?yàn)闈M載狀態(tài)FPSO甩尾現(xiàn)象引起CALM載荷迅速增大。對(duì)于y向載荷，SYS載荷相對(duì)CALM更小。

圖7 不同裝載狀態(tài)x方向載荷極值

圖8 不同裝載狀態(tài)y方向載荷極值

圖9 不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)x方向載荷極值

圖10 不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)y方向載荷極值

3 結(jié) 論

針對(duì)典型外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，建立懸鏈錨腿式系泊系統(tǒng)(CALM)、單錨搖臂式系統(tǒng)(SYS)、水上軟剛臂式系泊系統(tǒng)(SYMS)3種系統(tǒng)和FPSO的多體水動(dòng)力模型。基于船體與外單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合分析算法，綜合考慮風(fēng)、浪、流載荷的影響，研究FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)所受載荷，得到主要結(jié)論如下：

(1) 不同單點(diǎn)系泊系統(tǒng)下FPSO水平面內(nèi)縱蕩、橫蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)幅值均較大，而水平面外垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)幅值均較小。此外，對(duì)于水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，CALM最大，SYMS最小。其中，在滿載狀態(tài)，風(fēng)、浪、流異向或百年一遇，風(fēng)、浪、流同向海況下，CALM的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特別大，說明在惡劣環(huán)境條件下該系統(tǒng)約束FPSO運(yùn)動(dòng)的能力較弱。對(duì)于水平面外的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，SYMS船體的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)幅值最小，SYS和CALM系統(tǒng)差別不大。此外，橫搖運(yùn)動(dòng)會(huì)受到艏搖運(yùn)動(dòng)的影響，特點(diǎn)比較復(fù)雜。

(2) 在百年一遇，風(fēng)、浪、流同向海況下，CALM會(huì)發(fā)生水平面內(nèi)非穩(wěn)定甩尾現(xiàn)象，在單點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意。

(3) 作用在FPSO的環(huán)境載荷傳遞到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的x和y向載荷極值，SYS和CALM發(fā)生在FPSO遠(yuǎn)離系泊系統(tǒng)時(shí)，而SYMS發(fā)生在FPSO靠近系泊系統(tǒng)時(shí)。3種系統(tǒng)相互比較，SYMS系統(tǒng)的單點(diǎn)載荷最小。對(duì)于CALM，在滿載狀態(tài)、百年一遇條件下的浮筒運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨鏈纜繩的張力最大；而對(duì)于SYS，在壓載狀態(tài)、百年一遇條件下的錨鏈張力最大。

(4) 裝載狀態(tài)對(duì)3種系統(tǒng)FPSO運(yùn)動(dòng)的影響較大。對(duì)水平面的運(yùn)動(dòng)， CALM滿載狀態(tài)較壓載狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)幅值大，SYS和SYMS滿載狀態(tài)的縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比壓載狀態(tài)大，而艏搖和橫蕩運(yùn)動(dòng)下2種裝載狀態(tài)相差很小。對(duì)于水平面外的運(yùn)動(dòng)，3種系統(tǒng)的特點(diǎn)一致，滿載狀態(tài)較壓載狀態(tài)運(yùn)動(dòng)幅值小。

[ 1 ] 劉生法. 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2012, 27(1): 39-43.

[ 2 ] 胡楠. FPSO單錨搖臂系泊系統(tǒng)的非線性動(dòng)力特性研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2006.

[ 3 ] 黎春, 周家齊, 馮柯來, 等. FPSO系泊和定位方法[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2010(02): 45-48.

[ 4 ] 謝锏輝, 楊料荃. 浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置單點(diǎn)系泊系統(tǒng)綜述[J]. 海洋工程裝備與技術(shù), 2014 (03):189-194.

[ 5 ] 劉應(yīng)中, 繆國(guó)平, 船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社, 1987.

[ 6 ] FALTINSEN O M. Sea Loads on Ships and Offshore Structures [M]. UK: Cambridge University Press, 1990.

[ 7 ] 肖龍飛, 楊建民, 胡志強(qiáng).極淺水單點(diǎn)系泊FPSO低頻響應(yīng)分析[J]. 船舶力學(xué), 2010, 14(04):372-378.

[ 8 ] OCIMF. Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs [S]. 1994.

[ 9 ] 方子帆, 賀青松, 向兵飛, 等. 低張力纜索有限元模型及其應(yīng)用[J]. 工程力學(xué), 2013(03):445-450.

[10] 中國(guó)船級(jí)社. 海上單點(diǎn)系泊裝置入級(jí)與建造規(guī)范[S]. 1996.

AnalysisonMooringPerformanceofClassicSinglePointMooringSystemsUnderShallow-WaterEnvironment

WANG Wenhua, RAN Xiaoming, DI Xiaoning, FENG Shuo, HUANG Yi

(School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024， Liaoning, China)

For the structural characteristic of classic single point mooring systems under shallow-water environment, a multi-body hydrodynamic model of Floating Production Storage and Offloading (FPSO) hull and Single Point Mooring Systems (SPM) such as Catenary Anchor Leg Mooring system (CALM), Sal Yoke System (SYS), and Soft Yoke Mooring System (SYMS) is proposed. Based on the coupled analysis method in time domain, by considering the effects of wind, current and wave loads, the motion performance of FPSO and mooring forces of various SPMs are calculated and analyzed, in order to provide the reference to the design of SPM under shallow-water environment.

Single Point Mooring Systems (SPM)； multi-body hydrodynamic model； coupled analysis in time domain

U661

A

2017-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金 (51221961)；工信部聯(lián)裝[2014]500號(hào)批文“天然氣液化用大型混合冷劑壓縮機(jī)研制”

王文華(1981-)，男，副教授，博士生導(dǎo)師

1001-4500(2017)05-0094-07