明珠號在西非海域多點系泊系統(tǒng)可行性分析

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

浮式生產儲油裝置(FPSO)是集油氣生產、儲存、外輸于一體的海洋工程浮體裝備，考慮到我國海域環(huán)境條件比較惡劣，目前在國內服役的FPSO的系泊系統(tǒng)均為單點系泊系統(tǒng)[1]。單點系泊系統(tǒng)具有風向標效應，F(xiàn)PSO可隨著單點系泊系統(tǒng)進行旋轉，使系泊系統(tǒng)受力最小。對于國外一些沒有颶風的海域，可采用多點系泊系統(tǒng)，且能有效降低投資成本、維護成本。

將閑置FPSO-明珠號作為目標船體，分析其在幾內亞灣OKPOHO油田采用多點系泊系統(tǒng)的進行系泊的可行性，對多點系泊設計的FPSO、穿梭油輪、環(huán)境條件以及控制因素進行分析，該油田屬于淺水油田，位于尼日爾三角洲(Niger Delta)東南部，離岸5 km。其附近海域水深較小，平均水深約110 m。

1 設計基礎

1.1 明珠號介紹

明珠號FPSO于1991年建造，并先后服役于SZ36-1，PL19-3和BZ25-1，是一艘軟鋼臂系泊FPSO。主尺度信息見表1。

表1 渤海明珠號FPSO主尺度信息

滿載、中等裝載和壓載工況下FPSO的相關信息見表2。

表2 滿載、中等裝載和壓載工況下的相關信息

1.2 穿梭油輪數(shù)據(jù)

作業(yè)海域OKPOHO油田日產油能力為15 000～20 000桶，改造之后的明珠號儲油能力為300 000桶。按照每10～15 d進行一次外輸設計，選取滿載排水量48 000 t的小型油輪作為穿梭油輪，其主尺度等信息見表3、4。

表3 穿梭油輪主尺度

表4 滿載工況下重心及回轉半徑

1.3 西非海域環(huán)境條件

西非海域OKPOHO油田海況、船體設計壽命以及一些附加信息見表5。

表5 系泊系統(tǒng)設計參數(shù)

1.4 控制因素

針對外輸工況，常見的控制因素。

1)受立管影響的偏移量(Offset)限制。

2)錨鏈、系船纜(Hawser)的最大張力安全系數(shù)限制[2]。

3)兩船間距限制(受作業(yè)區(qū)域海況和穿梭油輪大小限制)。

4)錨鏈的最大張力安全系數(shù)應滿足表6的要求。

表6 張力極限與安全系數(shù)

2 計算理論

2.1 計算方法

1)非耦合或傳統(tǒng)的準靜態(tài)分析，假設系泊系統(tǒng)和立管靜態(tài)地影響平臺的運動，僅提供回復力剛度。

2)耦合分析，將平臺，系泊系統(tǒng)和立管作為一個整體，評估其相互作用，平臺運動分析中考慮系泊系統(tǒng)的阻尼和慣性效應。兩者的主要區(qū)別在于求解方程(組)的維數(shù)，耦合分析協(xié)同考慮船體與系泊系統(tǒng)的相互作用[3]。

2.2 時域控制方程

從時域控制方程的角度出發(fā)，對于諧振運動，浮體的運動方程為

M=m+A(ω)

A(ω)=A∞+a(ω)

A∞=A(ω=∞)

C(ω)=C∞+c(ω)

C∞=C(ω=∞)=0

式中：M為頻域質量矩陣；m為浮體的質量矩陣；A為頻域附加質量矩陣與浮體運動的頻率有直接關系，質量矩陣m可以通過對浮體做重量統(tǒng)計得到，A利用水動力軟件進行頻域求解；C為頻域勢流阻尼矩陣，同樣需要水動力軟件進行頻域求解；D1為線性阻尼矩陣，D2為二階阻尼矩陣，兩者均需要通過模型實驗獲得；K為靜水力剛度矩陣，對于有系泊的浮體，K為靜水剛度矩陣和系泊剛度矩陣的組合，K可以通過頻域分析軟件進行求解；x為位移矢量；q為激勵矢量矩陣，由風荷載、流荷載和一階、二階波浪力組成[4]。

3 模型建立

3.1 水動力模型

明珠號的水動力參數(shù)計算工作經由AQWA軟件完成，水動力模型文件通過ANSYS Mechanical APDL建立。ANSYS中建立濕表面模型之后，經過ANSTOAQWA命令可以導入AQWA頻域分析所需的文件，在修改相應的重量重心位置、轉動慣量數(shù)據(jù)以及粘性阻尼信息之后便可以由AQWA-Line模塊進行FPSO的水動力計算工作[5]。明珠號水動力模型見圖1。

圖1 明珠號水動力模型

3.2 時域模型

系泊設計所采用的軟件為Orcaflex，Orcaflex。由于現(xiàn)階段的Orcaflex并不能單獨計算船型浮體的水動力信息，因此本模型的水動力數(shù)據(jù)(RAOs、QTFs、靜水剛度、附加質量、輻射阻尼等)需要經其他頻域分析軟件計算并且導入到Orcaflex模型當中。明珠號FPSO的風流力系數(shù)計算參照API以及OCIMF相關規(guī)范進行，結果見圖2、3。

圖2 風載系數(shù)

圖3 流載系數(shù)

3.3 坐標系定義

考慮到OKPOHO區(qū)域常年受到大西洋傳來的涌浪影響，且涌浪方向較為固定，因此，考慮采油FPSO采用艏向迎浪的系泊方式。具體方式為船尾朝向北偏東20°的方向，見圖4。

圖4 FPSO布置示意

環(huán)境方向以及系泊線布置均采用Orcaflex全局坐標系，即以靜水面為Z坐標0點的右手坐標系，X和Y軸的坐標原點位于波浪場建模的中心位置[6]。浮體的局部坐標系以浮體的型心為坐標原點，計算中船體的型心位于中線面與中站面交線且距基平面1/2船高處。

4 系泊配置及計算結果

4.1 錨鏈選取

系泊系統(tǒng)的設計壽命為5年，屬于永久系泊，為了避免有檔錨鏈的疲勞問題，本文設計采用了無檔錨鏈的方案。為了優(yōu)化系泊線的線型，在獲得足夠系泊剛度的條件下減小系泊線的預張力，經過循環(huán)優(yōu)化最終選取2段式純錨鏈作為最終系泊線方案。其中上部錨鏈采用R4 70無檔錨鏈，破斷張力5 156 kN，長度為163 m。臥底錨鏈采用R4 120無檔錨鏈，破斷張力13 573 kN，長度為470 m。

4.2 系泊線布置

OKPOHO油田長期受到南偏西20°方向的涌浪影響，系泊系統(tǒng)設計考慮FPSO艏向迎浪以減小FPSO受到的環(huán)境載荷。針對系泊線的布置，確定了60°的最佳方案。為了保證懸鏈線系泊的末端在單根破斷工況下不會對錨產生上拔力，經計算，確定錨點和系纜點之間的間距為600 m，單根錨鏈的預張力為360 kN。

4.3 分析工況與計算結果

從作業(yè)過程考慮，總的分析工況應該分為單獨系泊和外輸作業(yè)兩大類，對于浮體的裝載情況，選取壓載和滿載兩個極端狀態(tài)，所有的外輸工況均在穿梭油輪尾部布置一艘可提供300 kN拉力的拖輪進行串靠外輸。通過計算，其在完整工況條件下，最小安全系數(shù)為2.28，滿足API-RP-2SK的要求(1.67)，在單根錨鏈破斷狀態(tài)下的最小安全系數(shù)為1.57，滿足規(guī)范的要求(1.25)[7]。因此，明珠號采用多點系泊系統(tǒng)能夠滿足在OKPOHO區(qū)域自存及串靠外輸時的系泊要求。

5 結論

1)本文提出的將單點系泊系統(tǒng)的FPSO利用多點系泊的方式進行再次利用于西非海域是可行的，多點系泊系統(tǒng)相比于單點系泊具有很強的技術優(yōu)勢。

2)系泊系統(tǒng)與浮體視域耦合分析結果顯示，多點系泊系統(tǒng)設計合理，系泊運動響應和系泊錨鏈張力滿足規(guī)范要求，能夠實現(xiàn)有效的系泊定位。