單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的模擬建模

段立志 梁光強(qiáng) 石錦坤 方 霖 張人公

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518054；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

南海某油田水深117 m。在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的常規(guī)年檢過程中發(fā)現(xiàn)，其9條系泊鋼纜均有不同程度的斷絲（如圖1所示），并且個(gè)別配重鏈與四角板的連接斷開（如圖2所示）。為了保證生產(chǎn)的安全，業(yè)主決定先解脫FPSO，然后再更換系泊系統(tǒng)的錨腿。

圖1 系泊鋼纜斷絲

圖2 配重鏈與四角板連接斷開

該系泊系統(tǒng)及其油田設(shè)施由FPSO、STP單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔、9條系泊錨腿、2條柔性立管和2條電纜組成。其中，STP的東北方向和西南方向各有1條柔性立管和1條電纜。該立管和電纜先跨過中水浮橋（Mid Water Arch，MWA），再鋪設(shè)到海床，最后分別與東北方向和西南方向的平臺(tái)進(jìn)行連接；立管將各自平臺(tái)所產(chǎn)的原油輸送到FPSO，并用電纜給FPSO輸送電力。立管、電纜和9條系泊錨腿與STP單點(diǎn)的中心對(duì)稱，9條錨腿中每3條錨腿組成1簇，簇與簇之間間隔120 °，每簇內(nèi)的錨腿之間相隔5 °。整個(gè)系泊系統(tǒng)的模型布置圖如圖3所示。

單條系泊錨腿的組成圖如圖4所示，其具體組成和尺寸見表1。

在系泊更換施工期間，F(xiàn)PSO進(jìn)塢維修，F(xiàn)PSO不在位。該系泊系統(tǒng)更換項(xiàng)目的主要工作包括以下4個(gè)：1） 對(duì)該系泊系統(tǒng)的9條錨腿進(jìn)行更換。2） 對(duì)吸力樁和STP的上陽極進(jìn)行修復(fù)。3） 棄置8條舊錨腿（將8條舊錨腿丟棄至油田區(qū)域海底的指定區(qū)域）。4） 對(duì)1條錨腿進(jìn)行回收并檢測(cè)其斷絲和腐蝕情況。其中，不更換下錨鏈，也就是不更換與吸力樁連接的樁鏈，對(duì)其進(jìn)行重復(fù)利用。為了縮短項(xiàng)目工期，讓油田盡快復(fù)產(chǎn)，在該項(xiàng)目中采用3條船在系泊系統(tǒng)的3個(gè)扇區(qū)進(jìn)行同步作業(yè)。系泊系統(tǒng)是開采海洋石油的常見方式之一，與系泊系統(tǒng)有關(guān)的海油工程項(xiàng)目較多。，張人公等人[1]給出了西江油田BTM及其軟管回收棄置的方案，鄒佳星等人[2]評(píng)估了某系泊系統(tǒng)的剩余強(qiáng)度。該文將基于系泊系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完成對(duì)系泊系統(tǒng)的建模，同時(shí)還要完成對(duì)系泊系統(tǒng)極端海況的在位分析和鋼纜的鋪設(shè)分析，進(jìn)而為設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的更換程序提供參考。

圖3 系泊系統(tǒng)計(jì)算模型

圖4 單條系泊錨腿組成圖

1 系泊系統(tǒng)建模

1.1 系泊系統(tǒng)軟件建模方法

在該系泊系統(tǒng)的更換作業(yè)過程中，F(xiàn)PSO處于解脫狀態(tài)；其完整的系泊系統(tǒng)OrcaFlex模型如圖3所示。STP單點(diǎn)為圓錐體（如圖4所示），采用正浮力的六自由度Spar Buoy（Spar Buoy是OrcaFlex軟件的六自由度浮體單元，形狀為直立圓柱體）進(jìn)行模擬；系泊錨腿由鋼纜、上錨鏈（包括配重錨鏈和調(diào)整鏈）和下錨鏈?zhǔn)孜策B接組成，各段的單位長(zhǎng)度，重量、外徑、彎曲剛度、拖拽力系數(shù)以及附加質(zhì)量系數(shù)等都不相同，采用不同“l(fā)ine_type”來模擬錨腿各部分不同的物理屬性和水動(dòng)力屬性，將錨腿整體模擬成1根“l(fā)ine”；采用正浮力的六自由度lumped Buoy（lumped Buoy是OrcaFlex軟件的六自由度浮體單元，可以自定義它的形狀）模擬支撐電纜和柔性立管的中水浮橋，電纜和柔性立管搭在中水浮橋上的U型槽中，并對(duì)其進(jìn)行軸向固定。

表1 單條錨腿的組成及尺寸（單位：mm）

1.2 環(huán)境載荷

系泊系統(tǒng)承受的基本環(huán)境載荷主要有風(fēng)、浪和流。其中，相對(duì)于波浪載荷和流載荷來說，風(fēng)載可以忽略不計(jì)，其原因包括以下2點(diǎn)：1） 空氣密度約是海水的1‰，其結(jié)構(gòu)在空氣中受到的拖拽力和附加質(zhì)量的慣性力也是海水的1‰。2） 除了在個(gè)別工況情況下STP單點(diǎn)會(huì)有小部露出水面，其余時(shí)間整個(gè)系泊系統(tǒng)都位于海平面以下。

系泊系統(tǒng)的更換作業(yè)還需要考慮極端風(fēng)暴工況。這是為了應(yīng)對(duì)施工作業(yè)時(shí)可能會(huì)遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣，詳細(xì)情況如下：1） 極端風(fēng)暴工況的海況考慮具有50年重現(xiàn)期的波浪和流，具體見表2。2） 將極端風(fēng)暴工況中系泊系統(tǒng)的狀態(tài)考慮為不完整的系泊系統(tǒng)，分別考慮9條系泊腿（分為3條在位、6條已移除和6條在位、3條已移除2種情況）。這樣就可以論證在9條系泊腿中的部分舊系泊腿已經(jīng)移除并且新的系泊腿還沒有連接到位的不完整系泊系統(tǒng)在極端風(fēng)暴工況下的完整性。如果不完整的系泊系統(tǒng)在極端風(fēng)暴工況下的完整性沒問題，則可以驗(yàn)證對(duì)應(yīng)系泊腿的更換施工作業(yè)也是安全的。

表2 油田水文數(shù)據(jù)

1.3 系泊腿的建模

系泊腿由鋼纜和錨鏈組成，錨鏈又分為單根的錨鏈和3根并聯(lián)的配重鏈。在建模過程中，將配重鏈等效模擬成1根錨鏈。參考項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件、相關(guān)文獻(xiàn)和OrcaFlex軟件的資料庫，設(shè)置鋼纜和錨鏈的主要物理屬性參數(shù)和水動(dòng)力參數(shù)，見表3 。錨腿的部件，例如鋼纜索接頭、鋼纜和錨鏈之間的連接卸扣和四角板，其重量大約為1 t，為了保證模型的準(zhǔn)確性，錨腿部件不可忽略；建模時(shí)，將部件模擬成為錨腿（line）的附件。

表3 錨鏈和鋼纜的水動(dòng)力參數(shù)

1.4 STP的建模

該項(xiàng)目STP的3D圖及其模型圖如圖5所示。STP是通過六自由度浮體（Spar Buoy）來進(jìn)行模擬的，其實(shí)體為圓錐體，軟件模型是5個(gè)首尾相連的圓柱。已有文獻(xiàn)設(shè)置了STP的水動(dòng)力參數(shù)，見表4。經(jīng)驗(yàn)證，STP模型的浮心和重心與現(xiàn)實(shí)STP的浮心和重心是一致的。按該方法在高度方向?qū)TP進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑梢跃_模擬STP質(zhì)量、體積、拖拽力參數(shù)、附加質(zhì)量參數(shù)及其水動(dòng)力載荷的分布。特別是當(dāng)系泊系統(tǒng)移除6條錨腿（只剩3條錨腿懸掛在STP上）時(shí)，STP將會(huì)隨波浪升沉而穿刺水面，STP在高度方向上的有限元?jiǎng)澐?，可以更精確地模擬STP穿刺水面的現(xiàn)象。

圖5 某項(xiàng)目STP 3D圖及其分析模型

表4 STP水動(dòng)力參數(shù)

當(dāng)STP穿刺水面時(shí)，在波浪的作用下，STP會(huì)產(chǎn)生橫搖和縱搖。為了得到準(zhǔn)確的錨腿、電纜、柔性立管頂部張力以及運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)，需要在軟件模型中精確地捕捉 STP的橫搖和縱搖，并準(zhǔn)確地設(shè)置STP的拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)面積距。如圖6所示，可以計(jì)算得到矩形的拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)面積距AM，相關(guān)推算如下。

圖6 圓柱軸截面拖拽力計(jì)算示意圖

記拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為Md，ρ為密度，Cd為拖拽力系數(shù)，AM拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)面積矩，可得表達(dá)式，如公式（1）所示。

設(shè)Md的表達(dá)式，如公式（2）所示。

根據(jù)公式（2）可得新表達(dá)式，如公式（3）所示。

2 系泊系統(tǒng)的極端工況分析

在分析之前要驗(yàn)證計(jì)算分析模型的正確性。對(duì)完整的系泊系統(tǒng)執(zhí)行靜態(tài)分析，得到STP的底部位于水下46.84 m，與系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件中的47 m基本吻合。

如1.2節(jié)所述，為了保證系泊系統(tǒng)在施工周期內(nèi)的安全，選取50年一遇的極端風(fēng)暴對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行在位的動(dòng)態(tài)分析，參考DNV規(guī)范，并考慮相同方向的波浪和來流工況以及不同方向的波浪和來流工況，從而更好地捕捉惡劣工況。其具體的波浪與流的參數(shù)見表2。同時(shí)考慮系泊系統(tǒng)本身6條錨腿在位（9條錨腿中的3條已經(jīng)移除）和3條錨腿在位（9條錨腿中的6條已經(jīng)移除）2種系泊狀態(tài)，可以得出相關(guān)數(shù)據(jù)，見表5。根據(jù)表5可知，錨腿、立管和電纜在極端風(fēng)暴情況下所承受的張力都在允許的范圍內(nèi)，立管和電纜的MBR也在可接受的范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)過彎現(xiàn)象。綜上所述，6條腿和3條腿的系泊系統(tǒng)在極端風(fēng)暴下是安全的。

表5 極端風(fēng)暴計(jì)算結(jié)果

3 系泊鋼纜的鋪設(shè)分析

對(duì)于下鋼纜的鋪設(shè)，項(xiàng)目將采用DP2等級(jí)的作業(yè)船舶來完成該工作。施加2.5 m有效浪高和1年一遇的流的環(huán)境荷載。其鋪設(shè)分析工況矩陣見表6；其鋪設(shè)作業(yè)分析如圖7所示。

表6 下鋼纜鋪設(shè)的計(jì)算工況

圖7 下鋼纜的鋪設(shè)

下鋼纜鋪設(shè)計(jì)算結(jié)果，見表7。由表7可知，船舶在進(jìn)行下鋼纜的鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)該將作業(yè)船的艏向控制在±30 °首浪或尾浪范圍內(nèi)；并推薦采用50 m～70 m的Layback來對(duì)鋼纜進(jìn)行鋪設(shè)；鋪設(shè)過程中應(yīng)采用安全工作載荷為25 t以上的張緊器夾持鋼纜進(jìn)行鋼纜的鋪設(shè)。

表7 下鋼纜鋪設(shè)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

在海洋工程的建設(shè)中，基于系泊系統(tǒng)的FPSO原油生產(chǎn)和儲(chǔ)卸方式使用普遍。該文對(duì)系泊系統(tǒng)的建模方法、模型參數(shù)設(shè)置和參數(shù)求解等做了初步介紹，并對(duì)系泊系統(tǒng)展開極端風(fēng)暴工況下的分析和鋪設(shè)系泊鋼纜的分析，其分析結(jié)果對(duì)系泊系統(tǒng)的工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義?？梢詾轭愃葡挡聪到y(tǒng)的更換和安裝以及鋼纜、海管和海纜的鋪設(shè)提供參考。