基于實(shí)測數(shù)據(jù)的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)鋼纜觸地分析

王偉,李牧,劉學(xué)濤,李鵬,劉詩學(xué),齊曉亮

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司,北京 100010;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

系泊系統(tǒng)作為FPSO重要的設(shè)備設(shè)施,包括塔架式系泊系統(tǒng)、多點(diǎn)系泊系統(tǒng)和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)等多種形式。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)由于采用“點(diǎn)系泊”方式,具有良好的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng),能有效抵抗惡劣的環(huán)境,因此常被應(yīng)用于我國南海等深海海域。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊纜由多個(gè)構(gòu)件組成,包括錨鏈、浮筒、配重塊、鋼纜、錨樁等組件。在鋼纜與海底接觸的管理規(guī)范上,BV船級(jí)社、DNV船級(jí)社等知名船級(jí)社的基本要求為:作業(yè)條件下鋼纜不應(yīng)與海底接觸;系泊纜鎖接頭不應(yīng)出現(xiàn)在系泊纜觸地點(diǎn)位置附近。但在實(shí)際運(yùn)營過程中,由于超極限海況等因素,發(fā)現(xiàn)部分FPSO有上部鋼纜觸地、斷絲、接頭陽極丟失的情況。鋼纜觸地可能導(dǎo)致鋼纜損壞,進(jìn)而導(dǎo)致系泊系統(tǒng)事故的發(fā)生,如2005年Kumul buoy號(hào)、2006年南海勝利號(hào)、2009年南海勝利號(hào)、2011年Volve號(hào)均發(fā)生過系泊系統(tǒng)事故[1]。針對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)鋼纜觸地問題,學(xué)者的研究集中于系泊纜配置方案[2],無損檢測等新型檢測技術(shù)[3],鋼纜連接頭末端的局部扭曲[4],內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)[5],系泊纜觸地點(diǎn)位置的疲勞壽命[6],鋼纜接觸分析的簡化方法[7]。本文以南海某FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為原型,基于系泊系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備采集到的實(shí)測數(shù)據(jù),對(duì)系泊系統(tǒng)開展時(shí)域動(dòng)力分析,針對(duì)系泊系統(tǒng)中上鋼纜觸地現(xiàn)象進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和統(tǒng)計(jì)分析,為實(shí)際工程中的系泊系統(tǒng)完整性管理提供參考。

1 數(shù)值模型的建立

某FPSO作業(yè)于南海海域,作業(yè)水深105 m,其主尺度信息見表1。

表1 FPSO船體主尺度參數(shù)

應(yīng)用AQWA對(duì)目標(biāo)FPSO進(jìn)行水動(dòng)力分析,通過AQWA建立的滿載工況下FPSO船體濕表面模型見圖1。

圖1 FPSO船體濕表面模型

目標(biāo)FPSO采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊定位,系泊系統(tǒng)布置示意圖見圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)布置示意

系泊系統(tǒng)由9根懸鏈線組成,采用3×3分組形式,每組間隔120°,組內(nèi)每根系泊纜間隔為5°,系泊系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初考慮環(huán)境方向進(jìn)行了優(yōu)化,其中兩組系泊纜長度較長,另一組朝西的7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)系泊纜較短。每根系泊纜的組成及材料屬性分別見表2、3。

表2 系泊纜組成

表3 系泊纜材料屬性

Orcaflex是一款用于分析海洋結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的軟件,其內(nèi)含python等自動(dòng)化編程軟件接口,并應(yīng)用Orcaflex對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析,建立FPSO系泊系統(tǒng)數(shù)值模型。為了使數(shù)值模型更加準(zhǔn)確,根據(jù)系泊系統(tǒng)海上安裝完工報(bào)告提供的實(shí)際錨點(diǎn)安裝位置、纜繩切割記錄以及接頭的詳細(xì)圖紙等資料,對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行修改。結(jié)果表明,滿載工況下,完工狀態(tài)系泊纜的預(yù)張力比設(shè)計(jì)狀態(tài)系泊纜預(yù)張力減小50 kN,且完工狀態(tài)系泊纜鋼纜躺底更多,平衡位置向短鏈方向偏移。

2 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬

在傳統(tǒng)的數(shù)值模擬分析中,一般通過對(duì)特定海洋結(jié)構(gòu)物施加環(huán)境載荷的方式,計(jì)算海洋結(jié)構(gòu)物在環(huán)境自然激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。但實(shí)測數(shù)據(jù)最能真實(shí)地反應(yīng)系泊系統(tǒng)的響應(yīng)情況,通過在Orcaflex中施加強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)激勵(lì),讓單點(diǎn)在實(shí)測運(yùn)動(dòng)的軌跡下進(jìn)行強(qiáng)制運(yùn)動(dòng),可以更加準(zhǔn)確地還原真實(shí)環(huán)境條件下FPSO和系泊纜的真實(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。因此,通過在Orcaflex中施加實(shí)測運(yùn)動(dòng)激勵(lì),對(duì)系泊纜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而對(duì)上鋼纜(UWS)末端的觸地情況進(jìn)行分析。

通過單點(diǎn)位置的橫蕩、縱蕩、垂蕩以及FPSO的艏向角數(shù)據(jù)可以基本確定FPSO的所處位置,針對(duì)這4個(gè)自由度的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以2016年3月1日19:00-22:00的3 h日常海況實(shí)測運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)為輸入,導(dǎo)入到Orcaflex進(jìn)行數(shù)值模擬,3 h內(nèi)的單點(diǎn)縱蕩、橫蕩、垂蕩以及FPSO艏向角變化曲線分別見圖3。

圖3 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)實(shí)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)果分析

通過對(duì)Orcaflex數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)9根系泊纜中上鋼纜末端均有觸地情況發(fā)生。為了進(jìn)一步研究每根系泊纜上鋼纜的觸地情況,通過python編寫程序調(diào)用Orcaflex數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)9根系泊纜上鋼纜末端在3 h內(nèi)的觸地次數(shù)和觸地時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.1 觸地次數(shù)統(tǒng)計(jì)

系泊纜觸地點(diǎn)處的弧長可以反應(yīng)系泊纜的觸地位置,提取9根系泊纜觸地點(diǎn)處弧長結(jié)果,對(duì)系泊纜上鋼纜觸地次數(shù)進(jìn)行分析。1號(hào)～9號(hào)系泊纜觸地點(diǎn)處弧長見圖4。

通過圖4可以看出,1號(hào)～6號(hào)的觸地點(diǎn)處弧長較長,7號(hào)～9號(hào)觸地點(diǎn)處弧長較短,由于單點(diǎn)的位置更加偏向西向,7號(hào)～9號(hào)系泊纜的上鋼纜觸地長度最長可達(dá)70 m。

圖4 各系泊纜觸地點(diǎn)處弧長

由于完工文件與設(shè)計(jì)文件存在細(xì)微的差距,因此根據(jù)完工文件進(jìn)一步修正模型。1號(hào)上鋼纜下部末端的弧長為211.5 m,因此,當(dāng)觸地點(diǎn)處弧長小于211.5 m時(shí),認(rèn)為上鋼纜已經(jīng)發(fā)生觸地。采用python編寫程序?qū)ι箱摾|末端觸地情況進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和統(tǒng)計(jì)分析,得出1號(hào)系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜觸地106次。同樣的方法得出其余系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜的觸地次數(shù),結(jié)果匯總見表4。

表4 1號(hào)～9號(hào)系泊纜上鋼纜觸地次數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表4可知,1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)系泊纜上鋼纜往復(fù)觸地次數(shù)較多,7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)系泊纜上鋼纜往復(fù)觸地次數(shù)較少。由于鋼纜觸地-抬起-觸地的過程會(huì)加劇鋼纜的磨損,造成鋼纜鎖接頭脫落、鋼纜斷絲等問題,并對(duì)鋼纜的疲勞性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此,在日后的檢修和維護(hù)工作中應(yīng)對(duì)1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)系泊纜予以更多關(guān)注。

3.2 觸地時(shí)長統(tǒng)計(jì)

上鋼纜往復(fù)觸地次數(shù)多少僅能反應(yīng)鋼纜觸地-抬起-觸地情況,但僅通過觸地次數(shù)的多少并不能夠全面的反映每根系泊纜的觸地情況。如7號(hào)～9號(hào)系泊纜,雖然觸地次數(shù)僅為1,但這是由于7號(hào)～9號(hào)系泊纜上鋼纜末端一直處于觸地狀態(tài),這顯然不滿足當(dāng)前規(guī)范對(duì)避免鋼纜與海底接觸的相關(guān)要求。因此,除觸地次數(shù)統(tǒng)計(jì)之外,有必要對(duì)9根系泊纜上鋼纜末端的觸地時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過python編寫程序?qū)ι箱摾|末端觸地時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出1號(hào)系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜觸地時(shí)長為8 710 s。以同樣的方法得出其余系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜的觸地時(shí)長,結(jié)果見表5。

表5 1號(hào)～9號(hào)系泊纜上鋼纜觸地時(shí)長統(tǒng)計(jì)

由表5可知,1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)系泊纜上鋼纜末端觸地時(shí)長較長,2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)系泊纜上鋼纜末端觸地時(shí)長相對(duì)較短,應(yīng)較為關(guān)注1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)這些系泊纜的上鋼纜實(shí)際情況。

4 結(jié)論

本文基于南海某FPSO上系泊系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備采集到的實(shí)測數(shù)據(jù),應(yīng)用Orcaflex建立數(shù)值模型,并通過python編寫程序?qū)ο挡聪到y(tǒng)中系泊纜上鋼纜末端的觸地次數(shù)及觸地時(shí)長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。值得注意的是,該FPSO所在海域的環(huán)境方向主要是西向,系泊系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初也考慮環(huán)境方向進(jìn)行了優(yōu)化,兩組系泊纜長度較長,另一組朝西的系泊纜較短,這與7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)系泊纜上鋼纜長期處于觸地狀態(tài)的情況相一致。因此無論從設(shè)計(jì)還是基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析,1號(hào)和6號(hào)較其他系泊纜更容易出現(xiàn)鋼纜磨損,鋼纜鎖接頭脫落、鋼纜松股、斷絲等情況,在實(shí)際工程中應(yīng)給予更多關(guān)注。