軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)敏感性分析

白雪平， 王忠暢， 李 達(dá)， 易 叢， 唐友剛

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)敏感性分析

白雪平1， 王忠暢1， 李 達(dá)1， 易 叢1， 唐友剛2

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

以我國渤?！昂Ｑ笫?13”浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)的軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，研究軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)受作業(yè)海域環(huán)境參數(shù)影響的敏感性。主要從風(fēng)速、流速、波高、波浪周期、譜峰因子等環(huán)境參數(shù)的變化，通過分析確定了FPSO的運(yùn)動(dòng)和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)對于環(huán)境參數(shù)的敏感程度。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；軟剛臂；環(huán)境參數(shù)；敏感性分析

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)是全海式油田開發(fā)的重要設(shè)施，作業(yè)應(yīng)用范圍可覆蓋從淺水到深水。軟剛臂式單點(diǎn)系統(tǒng)是淺水FPSO的重要系泊方式，目前我國渤海已有7艘FPSO采用軟剛臂單點(diǎn)系泊定位，主要分為水上和水下兩種形式。近年來，多個(gè)渤海海域單點(diǎn)系泊系統(tǒng)陸續(xù)發(fā)生一些故障問題，給油田安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)性帶來很大影響。對于特定海域長期作業(yè)的FPSO，其受到的環(huán)境載荷處在不斷的變化中，研究單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的受力性能隨環(huán)境條件的變化規(guī)律，確定系泊載荷受不同環(huán)境參數(shù)的影響程度，對于確定軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO的設(shè)計(jì)環(huán)境條件，預(yù)測作業(yè)狀態(tài)下軟剛臂系泊系統(tǒng)可能受到的最大載荷，具有十分重要的意義。

本文建立FPSO和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的全耦合有限元模型，根據(jù)商業(yè)軟件計(jì)算FPSO水動(dòng)力結(jié)果，分析得出FPSO在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)及受力動(dòng)力響應(yīng)特性[1]。

1 分析基礎(chǔ)

1.1 系泊系統(tǒng)及FPSO主尺度參數(shù)

“海洋石油113”號FPSO位于渤中25-1油田，載重量約為16萬噸，其作業(yè)水深為17.9m，設(shè)計(jì)壽命是25年。FPSO主要參數(shù)如表1所示，其作業(yè)情況如圖1所示。

圖1 FPSO及單點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖Fig.1 FPSO and single point mooring system

項(xiàng)目滿載時(shí)取值項(xiàng)目滿載時(shí)取值總長LOA/m287.9型深D/m20.6垂線間長LPP/m282吃水T/m14.5型寬B/m51排水量Δ/t200783

1.2 全耦合有限元模型的建立

軟剛臂系泊系統(tǒng)(SYMS)由軟剛臂及系泊腿組成，其提供作業(yè)時(shí)所需的回復(fù)力，主尺度和坐標(biāo)系統(tǒng)定義如圖2所示。以靜水面為基準(zhǔn)，軟剛臂系泊系統(tǒng)各參數(shù)值為： 塔架系泊點(diǎn)高度為27m，系泊剛架高度為37m，系泊腿長度為21m，軟剛臂長度為40m，壓載艙重量為1300t，整個(gè)軟剛臂重量為1850t。

圖2 軟剛臂及系泊腿的主要尺度Fig.2 Main dimensions of the yoke and pendent

對于軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，一般來說簡化為非線性剛度彈簧來研究FPSO的動(dòng)力響應(yīng)，而這種方法依然很難模擬系泊機(jī)構(gòu)的實(shí)際受力特性[2—3]。本文考慮FPSO與軟剛臂之間的耦合，用ANSYS GUI建立全船及系泊剛架的多體耦合有限元模型，導(dǎo)入AQWA DRIFT中進(jìn)行水動(dòng)力及時(shí)域響應(yīng)計(jì)算[4]。FPSO及系泊剛架的有限元模型如圖3所示。

圖3 軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO全耦合有限元模型Fig.3 Completely-coupled model of the FPSO and SYSM

根據(jù)對軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的研究及機(jī)械結(jié)構(gòu)原理，在多體耦合分析模型中，F(xiàn)PSO及船首系泊剛架組成一個(gè)結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)系泊腿為兩個(gè)結(jié)構(gòu)，上端與船首系泊剛架間的雙軸鉸連接，需釋放橫搖、縱搖兩個(gè)自由度的約束；下端與軟剛臂間三軸鉸連接，釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束；軟剛臂與轉(zhuǎn)塔連接點(diǎn)處釋放3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的約束[5]。

2 環(huán)境參數(shù)敏感性分析

2.1 系泊系統(tǒng)受力分析

系泊系統(tǒng)的受力分析選取兩種典型的海洋環(huán)境工況(見表2)，分別考慮了風(fēng)浪流不同向與同向兩種工況。表中各環(huán)境參數(shù)的角度規(guī)定為： 在全局坐標(biāo)系下，風(fēng)、浪、流皆以x軸正向(入射方向?yàn)榇仓赶虼?為0°，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，y軸正向(入射方向指向右舷)所指角度為90°。

通過對FPSO和軟剛臂多體耦合分析，塔架系泊點(diǎn)處軟剛臂坐標(biāo)系下三個(gè)方向的載荷(即單點(diǎn)主軸承受力)Fx、Fy、Fz以及兩側(cè)系泊腿軸力Pt的最大值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 該海域作業(yè)環(huán)境條件Table 2 Ocean environment conditions

表3 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果Table 3 Dynamic responses of the SYMS t

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在通過機(jī)構(gòu)將壓載艙的重力轉(zhuǎn)化為系泊系統(tǒng)的回復(fù)力。根據(jù)文中系泊系統(tǒng)的形式及計(jì)算結(jié)果可以看出，壓載艙重力主要由系泊腿承受，小部分由塔架系泊點(diǎn)z方向承受，因此，Pt可作為衡量系泊系統(tǒng)垂向受力的主要參數(shù)。系泊機(jī)構(gòu)所轉(zhuǎn)化的水平回復(fù)力主要由單點(diǎn)處x、y的系泊載荷承受，從計(jì)算結(jié)果可以看出，由于系泊系統(tǒng)風(fēng)標(biāo)作用，x方向的載荷要遠(yuǎn)大于y方向的系泊載荷，因此，F(xiàn)x可作為衡量系泊系統(tǒng)橫向載荷的主要參數(shù)。在本文所選取的兩種計(jì)算工況中，風(fēng)、浪、流同向時(shí)，結(jié)構(gòu)近似于縱蕩方向的單自由度運(yùn)動(dòng)；當(dāng)風(fēng)浪流不同向時(shí)，更能反映其復(fù)雜海況下的耦合動(dòng)力響應(yīng)，是更具有代表性的環(huán)境工況。因此，僅選取工況1中Fx、Pt兩項(xiàng)作為參考物理量對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

2.2 參數(shù)敏感性分析

本文針對環(huán)境參數(shù)的影響，選取風(fēng)速、流速、有義波高、譜峰周期、譜峰因子這5個(gè)環(huán)境參數(shù)分別進(jìn)行敏感性分析，研究各參數(shù)變化對單點(diǎn)系泊FPSO受力的影響。分析原則是考慮其中一個(gè)參數(shù)變化，其他4個(gè)參數(shù)不變，且參數(shù)分別變化約為±20%、 ±10%時(shí)進(jìn)行系泊系統(tǒng)受力分析，尋求系泊系統(tǒng)載荷隨各參數(shù)變化的規(guī)律。

(1) 風(fēng)速。根據(jù)敏感性分析原則，選取5種大小不同的風(fēng)速，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨風(fēng)速變化的曲線如圖4所示。結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨風(fēng)速的增大逐漸增大，系泊腿軸力增幅不大，而塔架系泊點(diǎn)處載荷Fx增幅較為明顯。原因在于，隨著風(fēng)速的增大，F(xiàn)PSO的所受到的風(fēng)載荷作用逐漸增大，為平衡風(fēng)載荷的作用，系泊系統(tǒng)載荷也隨之逐漸增大。

圖4 Fx、 Pt隨風(fēng)速變化的曲線Fig.4 Behavior of Fx and Pt versus wind speed

(2) 流速。在流速敏感性分析中，選取5種不同大小的流速大小，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨流速變化的曲線如圖5所示。結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨流速增大呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢?？梢?，由于流速的增大，F(xiàn)PSO所受流載荷作用逐漸增大，為與流載荷的作用平衡，系泊系統(tǒng)載荷也隨之增大。

圖5 Fx、 Pt隨流速變化的曲線Fig.5 Behavior of Fx and Pt versus current speed

(3) 波高。在波高敏感性分析中，選取5種不同大小的有義波高，其對應(yīng)的波浪能量依次為1.198、 1.486、 1.804、 2.154、 2.535，如圖6所示。系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨波高的變化曲線如圖7所示，結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨波高增加逐漸增大，且增大趨勢比較明顯。

圖6 不同波高對應(yīng)的波浪譜密度函數(shù)Fig.6 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various wave height

圖7 Fx、 Pt隨有義波高變化曲線Fig.7 Behavior of Fx and Pt versus wave height

(4) 譜峰周期。在譜峰周期敏感性分析中，選取了5個(gè)不同大小的譜峰周期，其對應(yīng)的波浪能量依次為1.754、 1.782、 1.804、 1.816、 1.814。各譜峰周期對應(yīng)的波浪譜如圖8所示，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨波高的變化曲線如圖9所示。結(jié)果表明，隨著譜峰周期的增加，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt明顯增大，且增大速率越來越快。隨著譜峰周期的增加，尤其是接近FPSO固有周期，系泊系統(tǒng)載荷將增大。

圖8 不同波浪周期對應(yīng)的譜密度函數(shù)Fig.8 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various wave period

圖9 Fx、 Pt隨波周期的變化曲線Fig.9 Behavior of Fx and Pt versus wave period

(5) 譜峰因子。在譜峰因子敏感性分析中，依次選取5個(gè)不同因子作為分析值，各譜峰因子對應(yīng)的波浪能量依次為1.792、 1.804、 1.819、 1.834、 1.846，其對應(yīng)的波浪譜如圖10所示，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨波高的變化曲線如圖11所示。結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)載荷Fx、Pt隨譜峰因子的增加均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；但整體變化不大。本文計(jì)算的軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO，當(dāng)譜峰因子介于1.3～2.3時(shí)，波浪能量的增加對系泊系統(tǒng)的影響較大，系泊系統(tǒng)載荷略有增大；當(dāng)譜峰因子介于2.3～3.3時(shí)，波浪能量向譜峰周期的聚集對系泊系統(tǒng)載荷的影響較大，系泊系統(tǒng)載荷略有減?。坏傮w來說，譜峰因子對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷的影響不大。

圖10 不同波高對應(yīng)的波浪譜密度函數(shù)Fig.10 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various spectral peak factor

圖11 Fx、 Pt隨流速的變化曲線Fig.11 Behavior of Fx and Pt versus spectral peak factor

2.3 環(huán)境參數(shù)敏感性對比

為研究不同參數(shù)對軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷(Fx、Pt)影響程度的大小，須計(jì)算各參數(shù)在一定變化范圍內(nèi)的敏感度。通過對敏感度的大小進(jìn)行排序，確定單點(diǎn)系泊系統(tǒng)各物理量對不同環(huán)境參數(shù)的敏感性大小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，單點(diǎn)系統(tǒng)受力對環(huán)境參數(shù)的敏感度結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 參數(shù)變化10%環(huán)境參數(shù)的敏感度Fig.12 Sensitivity of different environment parameters in range of 10%

圖13 參數(shù)變化20%環(huán)境參數(shù)的敏感度Fig.13 Sensitivity of different environment parameters in range of 20%

根據(jù)敏感度分析的結(jié)果可以看出：

(1) 對于所選取的風(fēng)速、流速、波高、譜峰周期、譜峰因子等5個(gè)環(huán)境參數(shù)，變化大小分別為10%和20%時(shí)，單點(diǎn)x方向的載荷Fx對環(huán)境參數(shù)變化的敏感性要遠(yuǎn)大于系泊腿軸力Pt對于環(huán)境參數(shù)的敏感性。

(2) 以單點(diǎn)載荷Fx為參考物理量，在環(huán)境參數(shù)變化大小分別為10%和20%時(shí)，F(xiàn)x對各環(huán)境參數(shù)的敏感度由大到小排序?yàn)椋?波高>譜峰周期>風(fēng)速>流速>譜峰因子。

(3) 綜合考慮Fx對不同環(huán)境參數(shù)的敏感性可知，對于軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而言，波高、譜峰周期的增大，既增加了系泊系統(tǒng)所受的定常力，又會對波頻運(yùn)動(dòng)有所影響，導(dǎo)致單點(diǎn)載荷對波高和譜峰周期的變化最為敏感；風(fēng)速、流速的增加，僅增加了系泊系統(tǒng)所受定常力，單點(diǎn)受這兩個(gè)參數(shù)變化的影響次之；譜峰因子的變化僅對波浪譜和波浪能量產(chǎn)生很小的影響，其變化對單點(diǎn)統(tǒng)載荷的影響也是最小的。

3 結(jié) 語

本文通過建立FPSO和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的多體耦合模型，分析了兩種作業(yè)工況下軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO的受力分析，全面分析了風(fēng)速、流速、有義波高、譜峰周期以及譜峰因子等環(huán)境參數(shù)變化對軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO動(dòng)力響應(yīng)性能的影響。綜合本文的分析，對軟剛臂單點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)提供以下幾個(gè)方面的建議：

(1) 在各環(huán)境參數(shù)變化范圍相同時(shí)，系泊系統(tǒng)載荷受波高和譜峰周期這兩個(gè)參數(shù)變化的影響最大，受風(fēng)速和流速變化的影響次之，受譜峰因子變化的影響最小。在軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段考慮FPSO所受環(huán)境載荷時(shí)，應(yīng)尤其注意使FPSO的固有振動(dòng)周期遠(yuǎn)離其所在海域的波浪譜峰周期。

(2) 隨著風(fēng)速、流速、波高的增加，單點(diǎn)系統(tǒng)載荷逐漸增大，在設(shè)計(jì)階段選取環(huán)境載荷時(shí)，僅需對最大風(fēng)速、流速、波高進(jìn)行方向組合，作為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境載荷，即可達(dá)到安全的設(shè)計(jì)要求。

(3) 隨著譜峰因子的增加，波浪譜從窄帶譜向?qū)拵ёV過渡，系泊系統(tǒng)載荷并非單調(diào)變化，而是存在極大值；但總體來說，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)載荷受譜峰因子變化的影響較小，在設(shè)計(jì)階段選取環(huán)境載荷時(shí)可最后考慮該參數(shù)的影響。

[1] 劉成義，唐友剛，李焱，等.淺水單點(diǎn)系泊FPSO軟剛臂參數(shù)敏感性分析[J].中國艦船研究,2014(5)： 69.

[2] Guo B, Xiao L, Yang J. Analysis on motions and green water of FPSOs in shallow water with non-collinear environments [C]. Proceedings of the ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2010： 419.

[3] Phadke A C, Liao S, Chen D. Assessment of SYMS survival limit for “Pengbo” FPSO during installation[C]. Proceedings of the ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2010： 541.

[4] 劉成義，唐友剛，李焱.水深對軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO動(dòng)力響應(yīng)的影響[J].海洋工程,2016,34(1)： 25.

[5] 秦堯.軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO動(dòng)力響應(yīng)特性研究[D].天津： 天津大學(xué)，2013.

SensitivityAnalysisofEnvironmentParametersforSoftYokeMooringSystem

BAI Xue-ping1，WANG Zhong-chang1，LI Da1，YI Cong1，TANG You-gang2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China；2.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniveristy,Tianjin300072,China)

Based on the soft yoke mooring system (SYMS) of “HYSY113” operating in the Bohai Bay, the sensitivity analysis of environment conditions for SYMS is analyzed. The main environment parameters are wind speed, current speed, wave height, significant wave spectra period and wave spectra factor. With the dynamic response results of the soft yoke system, the main environment parameters are proposed for the design of SYMS.

single point mooring system; soft yoke; environment parameters; sensitivity analysis

P751

A

2095-7297(2017)02-0096-06

2017-02-06

白雪平(1986—)，女，高級工程師，主要從事浮托安裝、運(yùn)動(dòng)性能計(jì)算和浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)設(shè)計(jì)等方面的研究。