深水錨系更換數(shù)值模擬分析方法及其工程應(yīng)用*
——以流花11-1 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)為例

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 廣東深圳 518067）

隨著單點(diǎn)系泊技術(shù)的應(yīng)用，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)發(fā)生故障和失效事件的數(shù)量逐年上升。近年來，國內(nèi)外多個(gè)專家學(xué)者對單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的失效原因進(jìn)行了研究。Brown M G等[1]通過23個(gè)單位參與的工業(yè)聯(lián)合項(xiàng)目，研究了系泊系統(tǒng)性能降低的原因、錨系失效的后果、檢查錨系的重點(diǎn)區(qū)域、因彎曲引起摩擦導(dǎo)致的疲勞失效、水中檢查的方法、連接器設(shè)計(jì)的重要性、檢測系泊腿的方法、應(yīng)急計(jì)劃，系統(tǒng)性地提出了如何改善和提高系泊系統(tǒng)完整性的方法。Brown M等[2]基于工業(yè)界的系泊系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給出了系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和完整性管理的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域和指導(dǎo)意見。Gordon R B等[3]研究了系泊系統(tǒng)完整性管理的現(xiàn)狀，包括系泊系統(tǒng)失效模式、系泊構(gòu)件性能降低原因、監(jiān)控和檢測技術(shù)以及系泊系統(tǒng)完整性管理。陳捷俊等[4]開展了南海某FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)水下錨泊設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)分析，使用半定量方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評級(jí)，提出并優(yōu)化了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的水下錨泊設(shè)施的檢驗(yàn)策略。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效的主要原因有臺(tái)風(fēng)等極端天氣、腐蝕、磨損、疲勞、脆性斷裂等，其中單根系泊腿失效是系泊系統(tǒng)失效的主要表現(xiàn)形式[4]。自2006年至今，南海東部及西部海域至少維修和改造了10套系泊系統(tǒng)[5-7]。根據(jù)北海和西非海域的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[8]，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)系泊腿失效的頻率為8.8年/次，單根系泊腿失效造成的費(fèi)用約為1 700萬～9 300萬元人民幣。以前國內(nèi)大多數(shù)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的修復(fù)需要由國外公司提供施工方案和計(jì)算分析支持，工期長且價(jià)格昂貴，但隨著國內(nèi)錨系維修船舶和設(shè)備資源的布局、錨系修復(fù)工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的積累以及工程技術(shù)人員技術(shù)水平的提高，2016年我國已實(shí)現(xiàn)了全自主掌握中國現(xiàn)役最深水FPSO在位情況下的系泊系統(tǒng)系泊腿的更換技術(shù)。

本文以流花11-1油田NHSL FPSO系泊系統(tǒng)為例，從安裝設(shè)計(jì)分析方面考慮，深入結(jié)合工程實(shí)踐，系統(tǒng)性地提出了錨系更換分析的指導(dǎo)方法，建立了錨系更換分析模型并進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，通過分析結(jié)果和現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證了分析方法的準(zhǔn)確性，對我國海上目前在役的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)以及未來的深水系泊系統(tǒng)安裝和修復(fù)項(xiàng)目提供了重要借鑒，從而為我國單點(diǎn)系泊系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和完整性管理中快速應(yīng)急解決方案的制定奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)概況及相關(guān)參數(shù)

1.1 系泊系統(tǒng)概況及錨系修復(fù)工程面臨的挑戰(zhàn)

NHSL FPSO由一艘14萬噸級(jí)的舊油輪改裝而成，總長280 m，型寬44 m，型深23 m，吃水17 m。FPSO采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，通過10條系泊腿固定于海底，油輪可繞單點(diǎn)作360°的旋轉(zhuǎn)，單根系泊腿的最大系泊力為600 t。NHSL FPSO系泊系統(tǒng)總體布置如圖1所示。

圖1 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)總體布置Fig.1 Mooring system general arrangement of NHSL FPSO

基于2016年的ROV調(diào)查發(fā)現(xiàn)，NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2系泊腿的上鋼纜出現(xiàn)6根斷絲，下鋼纜出現(xiàn)5根斷絲、2根松弛。考慮系泊系統(tǒng)有備用鋼纜，故計(jì)劃當(dāng)年10月在FPSO在位的情形下完成該系泊腿的上下鋼纜更換修復(fù)工作，具體更換操作如圖2所示。

圖2 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)2＃系泊腿更換細(xì)節(jié)Fig.2 ＃2 mooring leg replacement details of NHSL FPSO mooring system

該錨系修復(fù)工程面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①準(zhǔn)備周期短：1個(gè)月時(shí)間完成采辦、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方案編制、計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)物預(yù)制等工作；②屬于國內(nèi)首次全自主實(shí)施FPSO在位不停產(chǎn)條件下的深水單點(diǎn)錨系更換作業(yè)；③系泊腿更換作業(yè)需要連續(xù)的作業(yè)天氣窗口，但9月下旬施工處在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)期，需要妥善應(yīng)對臺(tái)風(fēng)并積極捕捉完整施工窗口；④技術(shù)上圍繞保證中水浮筒和新鋼纜的絕對安全為原則，對項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)方案把控、方案設(shè)計(jì)與具體實(shí)施提出了很高的要求，作業(yè)期間需要2條拖輪進(jìn)行限位，同時(shí)一艘空潛支持船輔助安裝船完成錨腿解脫和回接工作。

1.2 系泊系統(tǒng)組成及參數(shù)

10根系泊腿上部懸掛在距離內(nèi)轉(zhuǎn)塔中心的5.5 m處，從上到下依次是上錨鏈、1＃連接板、上鋼纜、三角板和中水浮筒、下鋼纜、2＃連接板、躺地鏈、連接板、躺地纜、3＃連接板、錨頭鏈、抓力錨，具體參數(shù)見表1、2。中水浮筒的直徑為4.06 m，高度為3.48 m，在空氣中重量為15.72 t，凈浮力為25.75 t。使用OrcaFlex建立的分析模型如圖3所示，系泊腿的波浪和海流載荷主要以莫里森公式進(jìn)行計(jì)算，其拖曳力和附加質(zhì)量系數(shù)根據(jù)DNV RP C205進(jìn)行設(shè)定。

表1 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)系泊腿各組件參數(shù)Table1 Mooring line component parameters of NHSL FPSO mooring system m

表2 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)系泊腿質(zhì)量Table2 Mooring line component mass of NHSL FPSO mooring system

1.3 安裝船舶參數(shù)

主安裝船有5臺(tái)錨處理絞車，包括1臺(tái)500 t的錨處理絞車、2臺(tái)500 t的拖帶絞車、2臺(tái)副絞車（圖4），其中鋼纜儲(chǔ)存狀態(tài)見圖5。2臺(tái)軌道吊位于兩個(gè)舷側(cè)，便于協(xié)助操作三角板、連接板等。250 t折臂吊位于船舶右舷，可以輔助回收中水浮筒。船尾有左右兩個(gè)艉滾筒，最大可以承受750 t受力，另外還有鯊魚鉗和導(dǎo)向柱以便于操作錨鏈和鋼纜。主甲板配備一臺(tái)ROV，用于水下作業(yè)和監(jiān)控。主安裝船的主尺度參數(shù)如表3所示。在執(zhí)行動(dòng)力分析時(shí)，安裝船舶和FPSO的運(yùn)動(dòng)邊界條件僅考慮各自的一階波浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。安裝船舶RAO數(shù)據(jù)由AQWA軟件計(jì)算提供，F(xiàn)PSO RAO數(shù)據(jù)由業(yè)主提供。

圖3 采用OrcaFlex建立的NHSL FPSO系泊系統(tǒng)模型Fig.3 Model of NHSL FPSO mooring system by OrcaFlex

圖4 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)維修所采用的主安裝船及設(shè)備Fig.4 Main installation vessel and equipment for the repairing of NHSL FPSO mooring system

圖5 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)維修時(shí)主安裝船上的鋼纜儲(chǔ)存狀態(tài)Fig.5 Storage status of wires on main installation ship during NHSL FPSO mooring system maintenance

表3 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)維修采用的主安裝船參數(shù)Table3 Data of main installation vessel for the repairing of NHSL FPSO mooring system

1.4 海洋環(huán)境參數(shù)

作業(yè)水深為295～310 m，分析中采用的波浪參數(shù)為：平均跨零周期5～15 s、有義波高0.5～3.0 m。海流采用一年一遇孤立波，詳細(xì)參數(shù)見表4。動(dòng)力分析采用規(guī)則波分析方法，采取最大波高的方式定義波浪，具體波浪定義方式參見文獻(xiàn)[9-10]。

表4 孤立波數(shù)據(jù)Table4 Soliton wave data

1.5 維修過程技術(shù)指標(biāo)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

在安裝分析過程中作業(yè)控制的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足表5中的要求。

表5 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)維修過程技術(shù)指標(biāo)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)Table5 Technical indicators and acceptance standards of the repairing of NHSL FPSO mooring system

2 錨系更換分析方法

2.1 整體分析思路

錨系更換工作的安裝分析是為了驗(yàn)證系泊系統(tǒng)能夠完整地、不發(fā)生損壞地實(shí)現(xiàn)安裝鋪設(shè)。安裝分析從理論上應(yīng)囊括所有安裝階段內(nèi)應(yīng)考慮的計(jì)算分析問題，其分析類型包括3種：快速反應(yīng)分析、靜力分析、動(dòng)力分析。錨系安裝分析內(nèi)容包括載荷、模型與邊界條件的定義，求解方式的選擇，分析接受標(biāo)準(zhǔn)的制定，分析結(jié)果的評價(jià)等內(nèi)容，具體分析思路如圖6所示。所有這些分析內(nèi)容應(yīng)給出明確的說明和描述，使得分析具有可重復(fù)性和可積累性。安裝分析過程所需要的數(shù)據(jù)主要包括海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、安裝船舶數(shù)據(jù)、FPSO數(shù)據(jù)、系泊腿以及附屬結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等。在獲取數(shù)據(jù)之后，應(yīng)針對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和再確認(rèn)。錨系安裝分析結(jié)果應(yīng)是明確的，安裝方應(yīng)根據(jù)安裝分析結(jié)果和結(jié)論進(jìn)一步完善安裝鋪設(shè)方案，從而在海上施工前最大化地預(yù)演施工過程，識(shí)別項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)，為順利施工打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖6 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)維修過程中錨系安裝分析思路Fig.6 Analysis of mooring installation during maintenance of NHSL FPSO mooring system

2.2 快速反應(yīng)分析

在項(xiàng)目前期階段，為了快速地判斷一種錨系應(yīng)急修復(fù)解決方案的可行性，根據(jù)初步的模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行合理的簡化，建立有效的快速反應(yīng)分析模型，從而獲得初步的靜力分析結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果，判斷所提方案的可行性，如不可行則更新方案，直到新方案可行。

2.3 靜力分析

靜力分析流程如下：①根據(jù)所提出的錨系安裝方案，劃分不同分析階段，每個(gè)分析階段的目的是明確的；②對每個(gè)分析階段，劃分為足夠多的分析步驟，建立細(xì)化模型，設(shè)定載荷和邊界條件，對這些步驟進(jìn)行靜力分析；③提取相應(yīng)靜力分析結(jié)果，從而制定施工靜態(tài)分析步驟表格；④根據(jù)施工靜態(tài)分析步驟表格的結(jié)果判斷是否滿足接收標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足則細(xì)化和修改模型，重新進(jìn)行靜力分析；⑤根據(jù)施工靜態(tài)分析步驟表格的數(shù)據(jù)獲取關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢，從而由關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別各階段的臨界步驟；④如有必要，對某些步驟執(zhí)行敏感性分析。

對于NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2系泊腿的更換修復(fù)工作，可以劃分為10個(gè)分析階段：①＃2系泊腿從FPSO傳遞到主安裝船；②回收上錨鏈和調(diào)整船舶首向；③回收上鋼纜；④回收浮筒；⑤回收下鋼纜；⑥鋪設(shè)新下鋼纜；⑦下放浮筒；⑧鋪設(shè)新上鋼纜；⑨鋪設(shè)上錨鏈和調(diào)整船舶首向；⑩完成＃2系泊腿的傳遞和回接。其中，后5個(gè)階段和前5個(gè)階段正好是相反過程，不再進(jìn)行分析。

2.4 動(dòng)力分析

在靜力分析完成后，須對臨界步驟執(zhí)行動(dòng)力分析，動(dòng)力分析工況矩陣主要考慮波高、波浪周期、浪向、流向的變化（表6），必要時(shí)對其中的臨界步驟進(jìn)行敏感性分析。最后對動(dòng)力分析結(jié)果進(jìn)行處理，針對這些大量的、批量的動(dòng)力分析計(jì)算文件，認(rèn)真設(shè)計(jì)提取計(jì)算結(jié)果的方式（圖7），并根據(jù)計(jì)算分析接受標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析結(jié)果的評價(jià)，從而為海上作業(yè)活動(dòng)獲取最大的容許作業(yè)海況。

表6 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)錨系安裝臨界步驟動(dòng)力分析工況矩陣Table6 Loadcase matrix for dynamic analysis of critical step of NHSL FPSO mooring system installation

圖7 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)錨系安裝臨界步驟動(dòng)力分析結(jié)果提取思路Fig.7 Approach of critical step dynamic analysis results for installation of NHSL FPSO mooring system

3 分析結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證

3.1 靜力分析結(jié)果

NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿的更換修復(fù)工作中5個(gè)分析階段的靜力分析結(jié)果如表7所示，各階段的修復(fù)安裝操作步驟如圖8所示。

3.2 動(dòng)力分析結(jié)果

根據(jù)鋼纜張力、吊機(jī)張力、最小間隙等關(guān)鍵參數(shù)，選取各個(gè)階段的臨界步驟進(jìn)行動(dòng)力分析（表8），從而獲得各個(gè)階段的最大容許作業(yè)海況，并將各個(gè)階段最大容許作業(yè)海況取最小值，匯總得到整個(gè)更換作業(yè)的最大容許作業(yè)海況見表9?？紤]到匯總后所有階段的最大容許作業(yè)海況較低，建議在施工過程中參考單獨(dú)每個(gè)階段的最大容許作業(yè)海況。

表7 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿更換修復(fù)的靜力分析結(jié)果Table7 Static analysis results of NHSL FPSO mooring system＃2 mooring leg replacement and repair work

圖8 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿更換修復(fù)操作步驟（階段1～5）Fig.8 Replacement and repair procedure of NHSL FPSO mooring system＃2 mooring leg（Phase 1～5）

表8 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿更換修復(fù)臨界步驟Table8 Critical steps for the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg

表9 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿更換修復(fù)所有階段的最大容許有義波高Table9 Maximum allowable H s for all phases of the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg m

3.3 分析結(jié)果與現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)對比

1）系泊腿上錨鏈角度對比。對于系泊腿上錨鏈的傾斜角度（相對于豎直方向），現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)為51°，靜力分析結(jié)果為52.8°，動(dòng)力分析結(jié)果為35.1～55.4°，數(shù)據(jù)基本一致。

2）系泊系統(tǒng)關(guān)鍵位置信息對比。對于系泊系統(tǒng)關(guān)鍵位置信息，將作業(yè)前后調(diào)查打點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)和靜力分析結(jié)果對比，位置誤差見表10。由表10可知，系泊系統(tǒng)位置存在一定的位置誤差，但可以滿足工程使用要求。分析認(rèn)為，誤差的來源首先有輸入數(shù)據(jù)誤差，如FPSO吃水、從導(dǎo)纜孔開始的上錨鏈長度、索接頭的長度、系泊腿沿線水深的變化等；其次是分析結(jié)果為靜力結(jié)果，而現(xiàn)場在進(jìn)行記錄時(shí)有一定的風(fēng)浪，同時(shí)各個(gè)位置信息是單獨(dú)打點(diǎn)進(jìn)行記錄的，并不是在某一瞬間同時(shí)打點(diǎn)記錄的；此外，作業(yè)調(diào)查設(shè)備也有一定的精度誤差。

表10 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)關(guān)鍵位置分析結(jié)果與現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)對比Table10 Comparison of analysis results of key positions of the NHSL FPSO mooring system with field recorded data m

3）張力數(shù)據(jù)對比。基于動(dòng)力分析獲得的最大容許作業(yè)海況為1～3 m，結(jié)合現(xiàn)場天氣預(yù)報(bào)情況，選擇合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行作業(yè)，成功地避開了當(dāng)月臺(tái)風(fēng)。在作業(yè)時(shí)，前5個(gè)階段的有義波高為1.6～2.8 m，后5個(gè)階段的有義波高為0.9～2.1 m。錨系更換的張力分析結(jié)果和現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)對比見表11。由表11可以看出：大部分計(jì)算分析結(jié)果貼近實(shí)際記錄數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了計(jì)算分析結(jié)果的有效性，其中靜力分析結(jié)果較動(dòng)力分析結(jié)果更貼近實(shí)際。整體而言，計(jì)算分析結(jié)果偏于保守，結(jié)果差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是模型輸入數(shù)據(jù)及記錄的數(shù)據(jù)的誤差；二是因?yàn)榉治鼋Y(jié)果和實(shí)際記錄數(shù)據(jù)并不完全處于同一情境下。在實(shí)際項(xiàng)目分析時(shí)，建議對可能存在的應(yīng)急維修設(shè)施搜集相關(guān)資料，并建立對應(yīng)的Orcaflex模型，以快速應(yīng)對和滿足項(xiàng)目要求；對于模擬分析的相關(guān)細(xì)節(jié)和實(shí)際作業(yè)流程存在差異，建議在執(zhí)行過程中提高精細(xì)化建模水平，更為合理地簡化和模擬實(shí)際作業(yè)過程；建議在執(zhí)行動(dòng)力分析之前，讓其他工程師檢查模型，以提高計(jì)算分析精準(zhǔn)度。

表11 NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿更換修復(fù)時(shí)各組件張力分析結(jié)果和現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)對比Table11 Comparison between tension analysis results and field recorded data of various components during the replacement and repair of NHSL FPSO＃2 mooring leg t

4 結(jié)論及建議

本文基于300 m水深NHSL FPSO系泊系統(tǒng)＃2號(hào)系泊腿應(yīng)急修復(fù)工程項(xiàng)目實(shí)踐，系統(tǒng)性地提出了錨系更換分析的指導(dǎo)方法，建立了對應(yīng)的分析模型并進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，通過分析結(jié)果和現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證了分析方法的準(zhǔn)確性，對我國目前在役的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)以及未來的深水系泊系統(tǒng)安裝和修復(fù)工程項(xiàng)目提供了重要借鑒。海洋工程領(lǐng)域的數(shù)據(jù)化是未來的發(fā)展趨勢，為了更好地實(shí)施系泊系統(tǒng)完整性管理，以便在系泊系統(tǒng)應(yīng)急維修項(xiàng)目開展時(shí)提出一種有效、快速、合理、安全的解決方案，從安裝分析角度提出以下幾點(diǎn)建議：

1）建議形成一套精細(xì)化建模技術(shù)，包括正確的階段劃分、合理的模型簡化、充分定義模型的細(xì)節(jié)以及保證模型輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

2）建議在海洋石油開發(fā)工程領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合，匯總整理相關(guān)安裝船舶、南海生產(chǎn)平臺(tái)、水下生產(chǎn)系統(tǒng)等最新數(shù)據(jù)資料，建立相關(guān)模型示范庫，以便應(yīng)急使用；

3）建議重視現(xiàn)場施工作業(yè)數(shù)據(jù)的記錄和反饋，提出一套數(shù)據(jù)采集、匯總、處理、反饋的機(jī)制，改善現(xiàn)場施工作業(yè)數(shù)據(jù)的收集渠道和方式，最大化地通過工程實(shí)踐促進(jìn)安裝設(shè)計(jì)分析技術(shù)水平的提升。