軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的最優(yōu)配載工況研究

楊 碩

(必維船級(jí)社(中國)有限公司,上海 200011)

0 引 言

軟鋼臂單點(diǎn)系泊是渤海淺水浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油(FPSO)的主要系泊方式，其系泊系統(tǒng)主要分為水上軟鋼臂式單點(diǎn)系泊和水下軟鋼臂式單點(diǎn)系泊，主要部件包括單點(diǎn)系泊塔筒、軟鋼臂、系泊腿、旋轉(zhuǎn)接頭以及由上部組塊立管跨接軟管等組成的輸送系統(tǒng)，但是隨著單點(diǎn)系泊系統(tǒng)運(yùn)營年限的增加，會(huì)出現(xiàn)軸承磨損以及系泊鏈疲勞等問題，該一系列問題會(huì)對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全產(chǎn)生很大影響。一些學(xué)者嘗試研究優(yōu)化配載以提高單點(diǎn)系泊的安全性，且能夠以更安全的狀態(tài)抵抗極限海況[1-2]。

針對(duì)軟鋼臂系泊系統(tǒng)，國內(nèi)很多學(xué)者展開了一些學(xué)術(shù)研究，所涉及的大都是常規(guī)的穩(wěn)定風(fēng)浪流環(huán)境條件對(duì)系泊系統(tǒng)的影響[3-4]。其中對(duì)于軟鋼臂系泊的安全性問題研究得比較少，所涉及的一般是故障分析和安全預(yù)警[5-6]等問題。目前的工程經(jīng)驗(yàn)表明，軟鋼臂系泊塔的軸承壽命對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的安全和壽命有重要影響，為減小單點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)營年限中的安全隱患且延長系泊塔壽命，需在保證FPSO穩(wěn)性和強(qiáng)度的前提下進(jìn)行合理配載，使單點(diǎn)受到的系泊力減小以改善作業(yè)期間系泊塔軸承的應(yīng)力分布，同時(shí)須限制FPSO與系泊塔之間的距離極值，以減小FPSO運(yùn)動(dòng)對(duì)軟管及上部模塊的受力影響，綜上所述在不同海況下對(duì)FPSO進(jìn)行合理配載具有重要意義。

如圖1所示，本文研究目標(biāo)為渤海某水下軟鋼臂單點(diǎn)，根據(jù)海域環(huán)境條件以及FPSO配載參數(shù)，以改善水下軸承應(yīng)力分布，減少軟鋼臂(yoke)回轉(zhuǎn)行程及上部組塊和軟管受力等目的，通過時(shí)域內(nèi)耦合分析在環(huán)境載荷作用下，不同配載工況對(duì)FPSO-水下軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)特性的影響，最終根據(jù)分析結(jié)果推薦不同水深、不同環(huán)境條件下的最優(yōu)配載作業(yè)工況表。

圖1 FPSO-系泊纜-軟鋼臂系統(tǒng)模型

1 最優(yōu)配載作用工況計(jì)算和評(píng)估流程

1.1 計(jì)算方法

本文利用AQWA軟件中的AQWA-LINE和AQWA-DRIFT對(duì)FPSO-軟鋼臂系泊系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，其中AQWA-LINE模塊主要用于計(jì)算浮體水動(dòng)力系數(shù)，包括由于波浪入射、輻射和衍射作用而產(chǎn)生的波浪力，同時(shí)還求解浮體的附加質(zhì)量和附加阻尼[7-8]等，并考慮平均漂移力和慢漂力對(duì)浮體的影響。AQWA-DRIFT模塊則通過調(diào)用AQWA-LINE所計(jì)算的幅值響應(yīng)算子、附加質(zhì)量和附加阻尼等，計(jì)算在隨機(jī)風(fēng)浪流條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及受力隨時(shí)間變化的曲線，AQWA可以通過后處理AGS讀取結(jié)果。

1.2 最優(yōu)配載作業(yè)工況評(píng)估流程

為了分析FPSO-軟鋼臂多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，本文基于三維波浪勢(shì)流理論計(jì)算FPSO的水動(dòng)力參數(shù)，再根據(jù)時(shí)域耦合分析[9]浮體運(yùn)動(dòng)以及軟鋼臂受力隨時(shí)間的變化情況。FPSO會(huì)根據(jù)儲(chǔ)油情況的不同進(jìn)行配載作業(yè)，不同的配載工況則對(duì)單點(diǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)塔軸承和軟鋼臂旋轉(zhuǎn)行程等產(chǎn)生影響，而本文最優(yōu)配載作業(yè)工況篩選流程如圖2所示，篩選過程中需要優(yōu)先考慮的是對(duì)水下軸承磨損的影響，所以須選擇較佳的配載工況以改善水下軸承的應(yīng)力分布，從而降低磨損量以延長使用壽命，本文使用AQWA軟件輸出的是轉(zhuǎn)臺(tái)傳遞給軸承的載荷，軸承載荷與軸承應(yīng)力成正比。其次需要考慮的是選擇較佳的配載工況降低軟鋼臂的首搖行程及幅度，降低對(duì)軸承的磨損行程以達(dá)到降低磨損量延長系泊塔使用壽命的效果。最后考慮的篩選參數(shù)為上部模塊及外輸軟管的受力情況，盡可能選擇較佳的配載工況以改善浮體的縱蕩極值，減少上部模塊和外輸軟管受到極大拉力的可能性。

圖2 最優(yōu)配載作業(yè)工況篩選流程

2 軟鋼臂單點(diǎn)系泊水動(dòng)力分析

2.1 FPSO-軟鋼臂單點(diǎn)系泊水動(dòng)力模型

渤海海某軟鋼臂系泊系統(tǒng)水下部分主要包括FPSO主船體、系泊纜、yoke臂、轉(zhuǎn)塔的下部連接軸承和外塔筒。其中，轉(zhuǎn)塔和外塔筒為貼近海底的扁平狀和細(xì)長圓柱結(jié)構(gòu)，對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)性能的影響不大，可以忽略不計(jì)。因此，建立FPSO-系泊纜-軟鋼臂系統(tǒng)水動(dòng)力模型如圖3所示，本文將FPSO和軟鋼臂分別建立成兩個(gè)6自由度的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。目標(biāo)FPSO相關(guān)參數(shù)如下[10-11]： FPSO總長為276.8 m、垂線間長為262 m、型深為23.6 m、型寬為51 m、平均吃水為15.5 m、排水體積為199 435.0 m3等。

表1所示為FPSO的配載工況表，該表的工況是基于FPSO的穩(wěn)性和強(qiáng)度合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行的合理配載，本文將基于圖2的篩選流程選擇最優(yōu)配載作業(yè)工況。

表1 目標(biāo)FPSO配載工況

(續(xù) 表)

AQWA軟件輸出本文目前FPSO在滿載狀態(tài)下的迎浪縱蕩RAO曲線圖和斜浪首搖RAO曲線圖如圖4和圖5所示。

圖4 FPSO滿載狀態(tài)迎浪縱蕩RAO曲線

圖5 FPSO滿載狀態(tài)斜浪首搖RAO曲線

2.2 環(huán)境參數(shù)

本文依據(jù)表2中的海況對(duì)FPSO-軟鋼臂系泊系統(tǒng)的受力和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，需考慮百年一遇海況、一年一遇海況、50%遭遇概率海況以及30%遭遇概率海況。計(jì)算水深為分別為22.54 m、 23.8 m和28.17 m，環(huán)境方向分別為風(fēng)浪流同向和風(fēng)浪流異向。

表2 渤海該海域環(huán)境參數(shù)

3 最優(yōu)配載作業(yè)工況篩選結(jié)果討論

根據(jù)前面圖2所討論的流程，最優(yōu)配載作業(yè)工況篩選過程主要是優(yōu)先篩選轉(zhuǎn)臺(tái)受力(水平和垂向)較小的載況，其次在剩余工況中優(yōu)先選擇首搖幅值較小的，最終在剩余工況中優(yōu)先選擇縱蕩幅度較小的載況，從而挑選出該海況下的最優(yōu)作業(yè)工況。

如圖6所示，以23.8 m水深條件、百年一遇海況計(jì)算結(jié)果為例，LC1作業(yè)工況下單點(diǎn)系泊塔水下軸承受到的水平力最大，而LC5作業(yè)工況下水下軸承所受的垂向力最大，因而在該海況條件下應(yīng)避免將FPSO配載至LC1和LC5工況。從圖6中還可以看出，LC6至LC11載況下的計(jì)算結(jié)果差別不大，而LC3載況下水下軸承所受到水平力和垂向力相對(duì)較小，因此LC3載況是該海況下的最優(yōu)選擇。

如圖7所示，LC1作業(yè)工況以及LC6～LC10作業(yè)工況下FPSO縱蕩運(yùn)動(dòng)極值較大，同樣LC1作業(yè)工況以及LC6～LC10作業(yè)工況下軟鋼臂首搖幅度較大，因而LC1作業(yè)工況和LC6～LC10作業(yè)工況都不予推薦，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，LC3作業(yè)工況下FPSO縱蕩極值和軟鋼臂首搖幅值都相對(duì)比較小，因此在該海況下推薦LC3作業(yè)工況。

綜上所述，根據(jù)篩選流程，同時(shí)依據(jù)表3配載作業(yè)工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，水深23.8 m及百年一遇海況下以LC3配載作業(yè)工況為最優(yōu)選擇。

圖6 百年一遇單點(diǎn)系泊轉(zhuǎn)臺(tái)受力(水平和垂向)結(jié)果

圖7 百年一遇海況下軟鋼臂首搖幅度和FPSO縱蕩極值結(jié)果

表3 渤海目標(biāo)單點(diǎn)百年一遇海況下所有配載工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)(23.8 m水深)

以上述23.8 m水深、百年一遇海況下的最優(yōu)配載作業(yè)工況篩選過程為例，對(duì)其他水深及海況條件進(jìn)行最優(yōu)配載作業(yè)工況的篩選，分別為22.54 m、 23.8 m和28.17 m等條件。最終篩選結(jié)果如表4所示，從結(jié)果可以看出：

(1) LC1(滿載)工況轉(zhuǎn)臺(tái)水平力和垂向力值最大，其對(duì)于水下軸承磨損的影響較大，因此在所有海況中都應(yīng)避免該工況。

(2) FPSO半載工況(LC3工況)下，單點(diǎn)系泊塔轉(zhuǎn)臺(tái)力相對(duì)較小，可以改善對(duì)水下軸承應(yīng)力分布，且軟鋼臂首搖幅值較小，因此半載工況對(duì)軸承的磨損影響最小，同時(shí)半載工況下FPSO的縱蕩幅值也較小，所以其對(duì)上部模塊及軟管受力影響也比較小。

表4 水下軟鋼臂單點(diǎn)系泊最優(yōu)配載作業(yè)工況推薦

4 結(jié) 語

本文利用AQWA軟件建立FPSO-軟鋼臂系統(tǒng)水動(dòng)力模型，將FPSO和軟鋼臂分別模擬為兩個(gè)6自由度的獨(dú)立結(jié)構(gòu)，進(jìn)行FPSO-軟鋼臂系統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)分析。本文重點(diǎn)討論了從不同配載作業(yè)工況篩選出最優(yōu)配載工況的過程，考慮的環(huán)境條件有百年一遇、一年一遇等。篩選過程考慮的因素主要包括系泊塔水下軸承分布、軟鋼臂首搖行程和FPSO縱蕩極值等。從最優(yōu)配載工況篩選過程可以得出以下結(jié)論：

(1) FPSO滿載工況時(shí)，系泊塔轉(zhuǎn)臺(tái)所受到的水平力和垂向力最大，所以滿載工況對(duì)于系泊塔水下軸承磨損的影響較大。同時(shí)FPSO在滿載時(shí)其縱蕩運(yùn)動(dòng)也相對(duì)比較明顯，軟鋼臂首搖幅值也比較大，所以應(yīng)在作業(yè)時(shí)盡量避免FPSO滿載工況。

(2) FPSO半載工況時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)所受到的水平力和垂向力最小，且該工況下其FPSO縱蕩極值和首搖幅度也比較小，所以FPSO半載對(duì)于降低水下軸承磨損和減少上部模塊軟管的受力有很大的作用。

(3) 在某些環(huán)境條件下，應(yīng)避免75%載況和壓載工況。

綜上所述，極限海況下推薦FPSO吃水為12～13 m更利于軟鋼臂單點(diǎn)的安全。且為降低對(duì)于水下軸承的磨損，延長軟鋼臂單點(diǎn)的使用壽命，在作業(yè)過程中應(yīng)避免使FPSO處于滿載工況。