南海FPSO 單點系泊系統(tǒng)設(shè)計驗證

趙晶瑞，李清平，王世圣

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 國家能源深水油氣工程技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

0 引 言

FPSO 是一種可對海上油田進(jìn)行全海式開發(fā)的工程裝備，其主要優(yōu)勢在于集油氣生產(chǎn)處理、原油儲存、外輸功能于一體，并具有良好的水深適應(yīng)性。到目前為止全球大約有200 多艘FPSO 服役，均取得了良好的應(yīng)用效果。

由于FPSO 具有很大的水線面面積，導(dǎo)致其船體運動對環(huán)境載荷的影響十分敏感且容易產(chǎn)生很大的波頻與低頻運動。此外，盡管一些FPSO 采用單點系統(tǒng)實施定位因而具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，但交叉的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件可能會導(dǎo)致船體受載面積的增加，導(dǎo)致更加極端的船體偏移與系泊載荷，因此從設(shè)計角度，系泊方案的制定必須根據(jù)FPSO 船型，海區(qū)特定的環(huán)境條件特點，從而涵蓋最不利環(huán)境載荷組合以及裝載工況。

本文展示了1 艘應(yīng)用于中國南海的FPSO 單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計與驗證過程，介紹系泊系統(tǒng)的設(shè)計衡準(zhǔn)，給出主要的強度與疲勞分析結(jié)果。計算表明，單點系泊系統(tǒng)在完整工況與單纜破損工況能夠承受目標(biāo)油田百年一遇環(huán)境條件，預(yù)期疲勞壽命滿足設(shè)計要求。此外當(dāng)波浪周期略低于設(shè)計海況的譜峰周期時，將激發(fā)起更大的船體低頻運動進(jìn)而導(dǎo)致最大的系泊張力。對于單點系泊系統(tǒng)而言，其最不利工況通常并非環(huán)境載荷沿同方向入射時，而是呈一定夾角入射時，此時由于船體受載面積的增加，將產(chǎn)生更大的船體偏移與系泊張力。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

FPSO 擬作業(yè)目標(biāo)油田位于南海北部，水深為267～330 m。為開發(fā)該油田，將新建1 艘FPSO 用于原油生產(chǎn)、儲存與外輸。FPSO 配備有電站、熱站、原油處理設(shè)施、水處理系統(tǒng)、原油計量系統(tǒng)和儲油艙。來自臨近開發(fā)井的油、氣、水將首先被井口平臺分解成含水40% 的原油，之后油、氣通過水下管線混輸至FPSO 進(jìn)行下一步的生產(chǎn)、儲存與外輸。FPSO 在東南方向?qū)⒃O(shè)有3 根立管，因此系泊系統(tǒng)必須限制FPSO的水平向偏移以滿足立管疲勞的要求，特別是在東南方向。系泊纜繩的設(shè)計壽命為20 年，單點系泊系統(tǒng)其他模塊的設(shè)計壽命為30 年。

1.1 FPSO

FPSO 的主尺度參數(shù)為船體總長244.60 m，垂線間長237.00 m，船寬46.700 m，型深26.300 m。在系泊校核中FPSO 采用2 種典型的裝載工況，分別為滿載工況并帶有100% 消耗品（最大吃水工況），以及壓載工況并帶有10%的消耗品（最小吃水工況），主要參數(shù)如表1 所示。

表 1 系泊分析中FPSO 裝載參數(shù)表Tab. 1 Typical loading conditions of FPSO in mooring design progress

1.2 設(shè)計環(huán)境條件

FPSO 就位位置的水深為290 m。在FPSO 系泊系統(tǒng)強度校核采用百年一遇臺風(fēng)作為設(shè)計條件，同時基于波浪的有義波高Hs 和譜峰周期Tp 包絡(luò)線考慮譜峰周期的變化，百年一遇臺風(fēng)條件下風(fēng)、浪、流方向極值如表2 所示。

在本文中，考慮了風(fēng)、浪、流3 種主控方式。對于每種主控方式，環(huán)境載荷強度 X計算如下：

其中：下標(biāo)X 包括H（波浪）、V（風(fēng)）、C（海流），XN為回歸周期N 下的強度主極值。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，系數(shù)CH，CV和CC的取值如表3 所示。

表中，V，H，C 分別表示風(fēng)、浪、流入射方向，衰減系數(shù) qv計算如下式：

表 2 臺風(fēng)條件下風(fēng)、浪、流方向極值Tab. 2Directional extreme value of wind, wave and current in typhoon condition

表 3 環(huán)境載荷強度系數(shù)Tab. 3Intensity coefficients of environmental loads

在系泊疲勞分析中，采用該海區(qū)一年一遇季風(fēng)作為計算環(huán)境條件。根據(jù)年度波浪散布圖得到的年度環(huán)境條件出現(xiàn)概率玫瑰圖如圖1 所示。

1.3 系泊系統(tǒng)的設(shè)計橫準(zhǔn)

系泊系統(tǒng)的強度分析依據(jù)文獻(xiàn)[4 - 5]進(jìn)行。根據(jù)該規(guī)范，若采用時域全耦合方法計算系統(tǒng)響應(yīng)時，纜繩張力的安全系數(shù)在完整工況下取1.67，在單根纜繩破斷工況下取1.25，對于船體的許用極限水平偏移而言，主要取決于FPSO 東南方向的3 根立管，系泊系統(tǒng)需要控制FPSO 的偏移以滿足立管疲勞要求，特別是在東南方向，要求單點位置的最大水平偏移小于70 m，單點位置沿東南方向的最大水平偏移小于60 m。在錨鏈的腐蝕方面，假設(shè)在波浪飛濺區(qū)內(nèi)的錨鏈腐蝕率為0.3 mm/年，在與海底接觸點位置的錨鏈腐蝕率為0.4 mm/年。此外下端錨鏈需要有足夠的長度以保證在極端環(huán)境條件下，下風(fēng)向纜繩的鋼纜部分不接觸海底以避免發(fā)生磨損。

系泊的疲勞分析依據(jù)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行，要求在可檢測區(qū)內(nèi)疲勞的安全壽命為3.0 以上。

圖 1 年度環(huán)境條件玫瑰圖Fig. 1Rose diagrams of environment load (Annual)

2 單點系泊設(shè)計方案

FPSO 采用非解脫的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，包含9 根系泊纜繩呈3 組布置，3 組系泊纜繩均勻分布，在每組纜繩中相鄰纜繩間的夾角為5°，2 組纜繩之間夾角為110°，F(xiàn)PSO 的水動力模型與系泊系統(tǒng)布置如圖2 與圖3 所示。

圖 2 滿載工況下FPSO 水動力模型Fig. 2Hydrodynamic model of FPSO in load condition

圖 3 單點系泊系統(tǒng)布置Fig. 3Arrangement of mooring system

在單根纜繩構(gòu)型方面，從錨點至導(dǎo)纜孔的水平距離為1 194.5 m。每根纜繩的分段結(jié)構(gòu)由內(nèi)部開發(fā)的軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以保證在極端環(huán)境載荷作用下系泊系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計規(guī)范要求，同時也盡量提升了系統(tǒng)整體水平回復(fù)剛度，并控制系泊張力、總體用鋼量和單根纜繩的預(yù)張力。系泊纜繩的詳細(xì)組份參數(shù)如表4 所示。

3 單點系泊系統(tǒng)規(guī)范校核步驟

單點系泊系統(tǒng)的強度與疲勞分析采用法國船級社的軟件Hydro Star 與Ariane 進(jìn)行。

3.1 強度分析

1）船體水動力計算

首先采用Hydro Star 軟件建立不同裝載工況下FPSO船體的水動力分析模型，如圖2 所示。采用三維勢流理論求解船體水動力系數(shù)如附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)，一階波浪激勵力與波浪漂移力等，和船體運動RAO。

文獻(xiàn)[4]給出了FPSO 縱蕩、橫蕩與首搖運動的推薦的線性化阻尼系數(shù)如下式：

其中：Bxx, Byy,Bφφ分別為縱蕩、橫蕩與首搖運動的線性化阻尼系數(shù)； m為FPSO 船體質(zhì)量； L為FPSO 船長； B 為FPSO 船寬；g 為重力加速度。

表 4 錨鏈線組份參數(shù)表Tab. 4 Component of mooring line

2）定義系泊纜繩

在Ariane 軟件中疏如纜繩的分段結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性，如原長、空氣與水中的單位長度重量、軸向剛度，水動力參數(shù)等，并驗證典型吃水條件下單根纜繩的預(yù)張力與靜態(tài)回復(fù)剛度。

3）FPSO 船體上的風(fēng)、流載荷計算

FPSO 船體上的風(fēng)、流載荷需依據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行輸入。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，作用于FPSO 上的平均風(fēng)流力與力矩確定如下：

其中：Cwx，Ccx為縱向風(fēng)流力系數(shù)；Cwy， Ccy為橫向風(fēng)流力系數(shù)；Cwxy為首搖風(fēng)流力矩系數(shù)； ρw，ρc為空氣與海水密度； Vw,Vc為風(fēng)速和流速； AT為船體縱向受風(fēng)面積； AL為船體橫向受風(fēng)面積；LBP為船體垂線間長； T 為船體吃水。

4）批處理分析

基于以上模型，對每一個船體吃水下的一系列環(huán)境組合進(jìn)行耦合分析，包括滿載與壓載吃水，以及系泊完整與單纜破損狀態(tài)。對于每一個環(huán)境條件，采用Ariane 分析軟件獲得錨腿張力與平臺偏移，記錄和進(jìn)行統(tǒng)計處理。在進(jìn)行單纜破損狀態(tài)計算時，假定在相同環(huán)境條件系泊完整工況下出現(xiàn)最大系泊張力纜繩的旁邊一根纜繩發(fā)生失效。

5）考慮動態(tài)放大因子的結(jié)果

由于所采用的Ariane 分析軟件為準(zhǔn)動力分析軟件，無法準(zhǔn)確模擬系泊纜本身的動態(tài)響應(yīng)，因此所獲得的結(jié)果需要考慮動力放大因子DAF。采用全耦合分析軟件DEEP C 軟件對典型結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，將所獲得的動力放大因子DAF 將與已有的計算結(jié)果相乘得到最終的系泊張力與單點偏移。

3.2 疲勞分析

1）設(shè)計疲勞工況

疲勞分析也將在時域內(nèi)進(jìn)行。首先根據(jù)一年一遇環(huán)境條件的波浪散布圖獲得短期預(yù)報的環(huán)境載荷組合，并考慮環(huán)境載荷入射方向和FPSO 裝載工況，之后每個短期預(yù)報的結(jié)果將和其發(fā)生概率一起合成整體疲勞結(jié)果。

2）計算疲勞損傷

每根纜繩上的疲勞損傷依據(jù)米勒積分法則獲得，在ARIANE 軟件中，采用雨流技術(shù)法對每一個獨立的海況計算疲勞損傷，然后合并為總體的累積損傷，整體纜繩的疲勞計算如下式：

其中； N 為載荷循環(huán)次數(shù)； R為 張力幅值范圍； M為TN 曲線斜率； K為T-N 截點；M 與K 的取值如表5 所示。

表中Lm為平均載荷與破斷拉力之比。

3）計算疲勞壽命

每根纜繩的疲勞壽命如下式：

表 5 M 與K 取值Tab. 5Value of M and K

4 系泊校核結(jié)果

4.1 FPSO 單點系泊耦合分析模型

FPSO 單點系泊耦合分析模型如圖4 所示。

圖 4 FPSO 與系泊系統(tǒng)耦合分析模型Fig. 4Coupled model of FPSO and mooring system

2 階縱蕩漂移力計算結(jié)果如圖4 所示。平臺的風(fēng)流載荷系數(shù)如圖5 與圖6 所示，F(xiàn)PSO 滿載狀態(tài)的平均漂移力如圖7 所示。

圖 5 FPSO 風(fēng)力系數(shù)Fig. 5Wind coefficient of FPSO

圖 6 FPSO 流力系數(shù)Fig. 6Current coefficient of FPSO

4.2 強度分析結(jié)果

通過計算確定的系泊完整與單根纜繩破斷工況下的極端張力與平臺偏移如表6 所示。

表6 的計算結(jié)果顯示，系泊系統(tǒng)全部指標(biāo)滿足設(shè)計規(guī)范與設(shè)計基礎(chǔ)要求，說明系泊系統(tǒng)可承受目標(biāo)油田百年一遇環(huán)境條件。

圖 7 FPSO 船體2 階縱蕩漂移力Fig. 7Steady drift force of FPSO

表 6 系泊系統(tǒng)極端響應(yīng)Tab. 6 Extreme strength response of mooring system

4.3 疲勞分析

表7 為采用雨流計數(shù)法的疲勞分析結(jié)果。FPSO 滿載與壓載工況下不同幅值范圍張力的循環(huán)次數(shù)如表8所示。

表7 結(jié)果顯示，安裝在東南方向的第3 組系泊纜繩（第7 根和第9 根）相對于其他2 組系泊纜繩具有最少的疲勞壽命，頂部錨鏈的最小疲勞壽命為179.7年，符合設(shè)計要求。

5 系泊設(shè)計參數(shù)的敏感性分析

為了研究設(shè)計方案對環(huán)境條件的適應(yīng)性，本文還開展了一些針對環(huán)境條件因子的敏感性分析，如波浪譜峰周期，環(huán)境載荷夾角以及波浪譜峰因子等。

5.1 譜峰周期敏感性

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，對于波浪主控條件，推薦考慮有義波高Hs 和譜峰周期Tp 的包絡(luò)線，計算當(dāng)波浪周期在譜峰周期左右±10%變化時的情況。目標(biāo)海區(qū)百年一遇波浪的Hs 與Tp 包絡(luò)線如圖8 所示，典型環(huán)境條件如表9 所示。

表 7 系泊系統(tǒng)疲勞損傷和預(yù)期壽命結(jié)果Tab. 7 Result of fatigue damage and expected fatigue life results for mooring system

表 8 不同幅值范圍張力的循環(huán)次數(shù)Tab. 8 Loop cycles of tension at different amplitude envelope

圖 8 Hs 與Tp 包絡(luò)線Fig. 8Hs and Tp contour line

典型結(jié)果對比如圖9～圖12 所示。

結(jié)果顯示，當(dāng)波浪周期圍繞Tp 標(biāo)準(zhǔn)值變化時，系泊張力與平臺運動也將相應(yīng)發(fā)生改變，需要注意的是，當(dāng)Tp 小于標(biāo)準(zhǔn)值時，盡管有義波高Hs 降低，由于此時波浪周期接近船體縱蕩2 階波浪力的峰值周期（見圖7），導(dǎo)致FPSO 船體產(chǎn)生了更大的低頻運動，因此最大系泊張力與單點偏移均會上升。當(dāng)譜峰周期Tp 大于其標(biāo)準(zhǔn)值時，由于有義波高衰減迅速，最大系泊張力與平臺偏移均會明顯降低。

表 9 典型環(huán)境條件Tab. 9Typical environmental conditions

5.2 載荷作用角度的影響

為了研究載荷入射角度的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[7]選取了5 種典型環(huán)境載荷方向組合，包括平行工況，交叉流工況，交叉風(fēng)工況，平行風(fēng)與流和交叉浪工況，對稱風(fēng)與流和交叉浪工況，環(huán)境載荷特定的入射角度如圖12 所示，最大系泊張力與偏移的對比如圖13 與圖14所示。

由圖可知，當(dāng)處于交叉風(fēng)條件時，最大系泊張力與平臺偏移均取得最大值。這表明對于單點系泊系統(tǒng)而言，最不利工況可能不是風(fēng)浪流呈同方向入射時，而是非共線狀態(tài)，此時交叉的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件可能會導(dǎo)致FPSO 船體受載面積的增加，導(dǎo)致更大的張力和偏移響應(yīng)。

圖 9 導(dǎo)纜器位置處張力時間歷程Fig. 9Time series of tension at fairlead

圖 10 導(dǎo)纜器位置處張力頻譜Fig. 10tension spectrum at fairlead

圖 11 轉(zhuǎn)塔處最大偏移Fig. 11maximum offset of turret

5.3 波浪譜峰因子的影響

針對東向載荷，分別選取譜峰因子為1.8，2.4，3.0，系泊張力對比如圖15 和圖16 所示。

由圖可知，波浪譜峰因子對于平臺偏移影響較小，其頻譜成分幾乎沒有差異，但對于系泊張力而言，系泊纜繩的最大張力將隨譜峰因子的提升而增加。

圖 12 系泊分析中的典型環(huán)境方向組合Fig. 12Typical direction combination of environmental load in mooring analysis

圖 13 導(dǎo)纜器處最大系泊張力Fig. 13Maximum tension at fairlead

圖 14 轉(zhuǎn)塔處最大偏移Fig. 14Maximum offset of turret

圖 15 導(dǎo)纜器處最大張力Fig. 15Maximum tension at fairlead

圖 16 內(nèi)轉(zhuǎn)塔處動態(tài)偏移頻譜Fig. 16Spectrum of horizontal offset of turret

6 結(jié) 語

本文展示了1 艘應(yīng)用于中國南海FPSO 單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計與驗證過程。給出了系泊系統(tǒng)的設(shè)計衡準(zhǔn)與規(guī)范校核結(jié)果以及主要的強度與疲勞分析結(jié)果。主要結(jié)論如下：

1）該單點系泊系統(tǒng)在完整工況與單纜破損工況能夠承受目標(biāo)油田百年一遇環(huán)境條件，預(yù)期疲勞壽命滿足設(shè)計要求。

此外當(dāng)波浪周期略低于設(shè)計海況的譜峰周期時，將激發(fā)起更大的船體低頻運動進(jìn)而導(dǎo)致最大的系泊張力。對于單點系泊系統(tǒng)而言，其最不利工況通常并非環(huán)境載荷沿同方向入射時，而是呈一定夾角入射時，此時由于船體受載面積的增加，將產(chǎn)生更大的船體偏移與系泊張力。

2）當(dāng)Tp 小于標(biāo)準(zhǔn)值時，盡管有義波高Hs 降低，由于此時波浪周期接近船體縱蕩2 階波浪力的峰值周期，導(dǎo)致FPSO 船體產(chǎn)生了更大的低頻運動，因此最大系泊張力與單點偏移均會上升。當(dāng)譜峰周期Tp 大于其標(biāo)準(zhǔn)值時，由于有義波高衰減迅速，最大系泊張力與平臺偏移均會明顯降低。

3）對于單點系泊系統(tǒng)而言，其最不利工況通常并非環(huán)境載荷沿同方向入射時，而是呈一定夾角入射時，這將導(dǎo)致暴露在環(huán)境載荷下的船體受載面積的增加，進(jìn)而產(chǎn)生更加大的系泊張力與平臺偏移。