南海FLNG系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模型試驗(yàn)對(duì)比分析

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

FLNG裝置直接系泊于氣田上方進(jìn)行作業(yè)，其系泊性能是系統(tǒng)的核心技術(shù)[1-5]。本文以南海某氣田FLNG為研究對(duì)象，通過(guò)選型設(shè)計(jì)確定系泊基本方案，由數(shù)值計(jì)算和水池試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期設(shè)計(jì)出適用于南海FLNG的系泊方案。

1 系泊方案選型

目標(biāo)氣田位于南海，其水文環(huán)境見(jiàn)表1。

表1 極限條件下的風(fēng)浪流

該氣田水深h為1 336 m，平均潮高1.16 m，年產(chǎn)氣量約為120萬(wàn)t，周邊無(wú)依托設(shè)施，采用常規(guī)平臺(tái)處理+管線上岸非常不經(jīng)濟(jì)，考慮采用FLNG開(kāi)發(fā)該氣田，其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 船體主要參數(shù)

2)系泊類型選擇。海上浮式設(shè)施常用的系泊方式包括單點(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊，常用的單點(diǎn)系泊分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式和外轉(zhuǎn)塔式。

南海風(fēng)浪大，而多點(diǎn)系泊系統(tǒng)一般應(yīng)用在風(fēng)、浪、流方向穩(wěn)定或環(huán)境較溫和的海域。因此，陵水FLNG不宜用多點(diǎn)系泊；外轉(zhuǎn)塔系泊一般用于中等以下環(huán)境，應(yīng)用于中等以下水深，目標(biāo)氣田水深大，環(huán)境惡劣，不適合用外轉(zhuǎn)塔；內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊能夠適應(yīng)南海惡劣海況條件，且在南海已有30年的使用經(jīng)驗(yàn)，該系統(tǒng)是南海FLNG裝置理想的系泊類型。

3)解脫和不解脫單點(diǎn)的選擇。內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)可以設(shè)計(jì)為在臺(tái)風(fēng)環(huán)境條件下解脫式和不解脫式。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，解脫式系泊多用于由舊油輪改造成的FPSO，他們常具備自航能力，且抵抗臺(tái)風(fēng)的能力有限。隨著單點(diǎn)及船舶設(shè)計(jì)建造技術(shù)的不斷發(fā)展，船體與單點(diǎn)可抵御更為惡劣的海況，且不解脫式系泊系統(tǒng)可操作性好，停產(chǎn)損失小，氣田生產(chǎn)的總體經(jīng)濟(jì)性好。因此，新建FPSO幾乎都采用不解脫式單點(diǎn)?？紤]極端惡劣海況存在的可能性以及將來(lái)的塢修，本方案采用帶有可解脫功能的百年一遇臺(tái)風(fēng)海況下無(wú)需解脫的系泊系統(tǒng)。

4)系泊纜形式的選擇。單點(diǎn)系泊纜布一般采用多組的非對(duì)稱布置形式，這可以改善每根系泊纜的受力狀態(tài)。對(duì)于海況惡劣的臺(tái)風(fēng)海域，采用這種系泊布置形式的單點(diǎn)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性。本方案對(duì)3×3和3×4兩種布置形式進(jìn)行系泊估算，結(jié)果表明采用3×3系泊纜布置形式即可滿足氣田的設(shè)計(jì)海況要求。目前，中海油FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)均采用“鏈-纜-鏈”這種形式，雖然聚酯纜重量輕，但有蠕變，易受損，海油無(wú)使用經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮，本FLNG的單點(diǎn)系泊纜組合形式為“鏈-纜-鏈”。

5)錨的選擇。系泊纜常使用大抓力錨、樁錨和吸力錨。一般對(duì)于使用荷載較大的不解脫單點(diǎn)，后兩種錨固方式更為可靠，但是安裝成本及深海施工難度較大。目標(biāo)氣田水深為1 336 m，樁錨的安裝難度較吸力錨更大。因此，當(dāng)前階段初步選定采用吸力錨。

由此確定系泊系統(tǒng)布置，見(jiàn)圖1。

圖1 系泊系統(tǒng)布置示意

6)敏感性分析。根據(jù)母型法及工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整預(yù)張力和單纜各段錨纜長(zhǎng)度，獲得9根錨纜初始基本參數(shù)。以基本錨纜參數(shù)為依據(jù)，分別增加3個(gè)案例，開(kāi)展預(yù)張力和錨點(diǎn)水平距離敏感性分析，以獲得優(yōu)化配置。其中錨點(diǎn)水平距離敏感性分析中，保持錨纜組成及總長(zhǎng)不變。此初步選型計(jì)算，以百年一遇環(huán)境作為輸入條件，考察各參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響，具體結(jié)果見(jiàn)表3～6。

由表3、4可知，調(diào)整中段鋼纜長(zhǎng)度，得到不同的預(yù)張力，增加預(yù)張力則將減小浮體最大水平位移，縮短系泊纜總長(zhǎng)度，但對(duì)應(yīng)的系泊平均張力和極端張力也將增大。

表3 預(yù)張力敏感性分析參數(shù)調(diào)整

表4 預(yù)張力敏感性分析結(jié)果

表5 錨點(diǎn)水平半徑敏感性分析參數(shù)調(diào)整

表6 錨點(diǎn)水平半徑敏感性分析結(jié)果

由表5、6可知，錨點(diǎn)水平半徑增加，則錨纜總長(zhǎng)增加，F(xiàn)LNG的最大水平位移增大，極限系泊張力將減小。最大位移受立管性能限制，一般深水中最大位移/水深比在10%～15%以下比較好。綜上分析，從錨纜的總長(zhǎng)、最大水平位移、極限張力等結(jié)果，最終確定錨纜組成見(jiàn)表7。

表7 錨纜組成

2 數(shù)值分析

通過(guò)系泊參數(shù)敏感性分析確定系泊系統(tǒng)的配置，接下來(lái)需要綜合考慮各種工況進(jìn)行計(jì)算校核。數(shù)值分析中，波浪采用Jonswap譜，極端工況譜峰因子γ取2.4，操作工況γ取2.6。風(fēng)采用NPD譜，采用定常流。風(fēng)、流力采用OCIMF系數(shù)計(jì)算。WAMIT作為水動(dòng)力分析軟件，采用全耦合的ORCAFLEX作為系泊分析軟件。計(jì)算工況考慮：滿載、壓載；計(jì)算環(huán)境為百年一遇臺(tái)風(fēng)工況和一年一遇操作工況；系泊系統(tǒng)分析分別考慮了浪主導(dǎo)、風(fēng)主導(dǎo)、流主導(dǎo)等工況，根據(jù)規(guī)范指導(dǎo)，考慮風(fēng)浪流之間的夾角組合，為了捕捉到峰值，考慮了譜峰周期的敏感性，即分別計(jì)算了(1-8.75%)Tp、Tp、(1+10%)Tp的不同敏感性；其中，百年一遇計(jì)算考慮了錨鏈完整工況和單纜破斷工況。系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則見(jiàn)表8。

表8 完整和破斷工況系泊安全因子

圖2 WAMIT水動(dòng)力網(wǎng)格模型

頻域水動(dòng)力模型見(jiàn)圖2，網(wǎng)格數(shù)為3 360，輸入WAMIT進(jìn)行計(jì)算，得到附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、一階二階波浪激勵(lì)力等水動(dòng)力系數(shù)。FLNG船體的垂蕩、橫搖和縱搖的臨界阻尼分別考慮為3%、5%和3%。限于篇幅，列出最終計(jì)算的極值結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 完整工況最大位移和張力

由表9可知，壓載工況是水平偏移和極限張力的計(jì)算極限值。其中，對(duì)于破斷工況，最大系泊力求解是假定完整工況的第二大系泊力錨纜破斷；最大偏移求解是假定完整工況的最大系泊力錨纜破斷。破斷工況結(jié)果見(jiàn)表10，破斷工況的最大位移和張力都出現(xiàn)在壓載工況。

表10 破斷工況最大位移和張力

3 模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行系泊方案的水池模型截?cái)嘣囼?yàn)，水池方位及坐標(biāo)定義見(jiàn)圖3。

圖3 水池坐標(biāo)系定義

由于該水池造流方向單一，在模擬不同方向流的工況時(shí)需轉(zhuǎn)動(dòng)錨鏈以滿足對(duì)應(yīng)工況的流向。其中180°、240°和270°流向，分別對(duì)應(yīng)圖4中的場(chǎng)景。

根據(jù)系泊設(shè)計(jì)要求，參考工程經(jīng)驗(yàn)，選取典型工況進(jìn)行試驗(yàn)見(jiàn)表11、12。

其中，(浪，風(fēng)，流) = (α,α,α)，表示風(fēng)浪流同向； (浪，風(fēng)，流) = (α,α+30°,α+45°)，為交叉工況；(浪，風(fēng)，流) = (α,α+30°,α+90°)，為垂直工況，α為風(fēng)浪流角度。

4 數(shù)值分析與模型試驗(yàn)對(duì)比

1)6自由度運(yùn)動(dòng)的RAO對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 不同流向下的錨鏈場(chǎng)景

表11 壓載試驗(yàn)工況

注：錨鏈破斷工況包括最大載荷錨鏈【1】和第二大載荷錨鏈【2】破斷工況。

表12 滿載試驗(yàn)工況

圖5 RAO結(jié)果對(duì)比

對(duì)比圖5結(jié)果可以看出：FLNG的頻域分析和模型試驗(yàn)結(jié)果十分吻合。

2)不同海況下的錨鏈最大張力對(duì)比分析。

(1)完整工況。纜力最大值結(jié)果見(jiàn)圖6、7。

圖6 纜力最大值結(jié)果(in-line)

圖7 纜力最大值結(jié)果(between -line)

(2)破斷工況。最大拉力破斷時(shí)纜力最大結(jié)果見(jiàn)圖8，大水平偏移破斷時(shí)纜力最大結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖8 最大拉力破斷時(shí)纜力最大結(jié)果(in-line)

圖9 最大水平偏移破斷時(shí)纜力最大結(jié)果(between-line)

其中，in-line和between-line的布局參考船級(jí)社相應(yīng)的系泊規(guī)范。

3)船體最大水平偏移對(duì)比分析。

(1)完整工況。不同工況下FLNG最大水平偏移結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同工況下FLNG最大水平偏移對(duì)比

(2)破斷工況。不同破斷工況下FLNG最大水平偏移結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 不同破斷工況下FLNG最大水平偏移對(duì)比

上述RAO運(yùn)動(dòng)、錨鏈最大張力及船體水平最大偏移的數(shù)值對(duì)比表明，模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果吻合較好。

5 結(jié)論

系泊選型結(jié)果：南海深遠(yuǎn)海FLNG的系泊系統(tǒng)宜采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊，年產(chǎn)百萬(wàn)噸級(jí)的南海氣田能夠采用3×3系泊布置，單點(diǎn)建議采用可解脫的永久式系泊，系泊纜宜采用鏈-纜-鏈的配置形式，宜采用吸力錨。系泊數(shù)值計(jì)算表明，該系泊配置方案滿足規(guī)范要求的安全因子限制，其中FLNG在完整工況和破斷工況時(shí)的最大水平偏移分別為120.1 m和154.2 m，偏移與水深比分別為8.9%和11.5%，能滿足工程要求。采用模型試驗(yàn)對(duì)系泊計(jì)算進(jìn)行校核，結(jié)果表明，兩者比較吻合，系泊設(shè)計(jì)和計(jì)算方法合理，能夠用于指導(dǎo)南海FLNG工程實(shí)施。