轉塔式FPSO單點系泊系統受力計算方法

李偉峰，史國友，李 偉，楊家軒

(大連海事大學航海學院，遼寧大連116026)

浮式生產/儲油/卸油船(Floating Production Storage＆Off-loading，FPSO)是20世紀80年代中期興起的一種新型海上石油開采工具，它兼有生產、儲油和卸油的功能，一般與水下采油裝置和油船共同組成一套完整的生產系統，是目前海洋工程船舶中的高技術產品。FPSO具有機動性和運移性好、抗風浪能力強、生產和儲存能力大等特點，因而適應深水采油。另外，FPSO生產系統投資成本低、建設周期短、便于維護和保養等優點。近年來，FPSO市場十分興旺，有著廣闊的應用前景。轉塔式FPSO是眾多FPSO中的一種，其在船艏部位設STP內轉塔簡體結構，FPSO首部與轉塔結構直接相連而固定與海上，轉塔系泊裝置則由多根錨鏈固定于海底。

2009年11月10日，因渤海海域遇大風天氣，海洋石油113號FPSO單點系泊距離增大，脫離原設計位置。自此，FPSO的安全問題被提上了一個新的日程，因而對FPSO系泊安全的核算是十分必要的。

1 系統所受外力

影響FPSO系泊系統的主要外力包括風作用力、流作用力和波浪作用力［1－2］。FPSO系統在這3個作用力的合力和轉塔系泊系統作用力的共同作用下保持動態平衡狀態。

1.1 風作用力

風作用力參照《港口規劃與布置》［3］中公式進行計算:

式中:Fw為風作用力，N;ρ為空氣密度，取0.123 kg·s2/m4;V為風速，m/s;C為風壓系數，按式(2)計算;A，B分別為水面以上船體正面、側面投影面積，m2，A和B的值滿載和壓載時分別按式(3)、式(4)進行計算。

上式中:θ為風向與船體中心線夾角，橫風時取90°。DW為船舶載重噸位。

1.2 流作用力

流作用力參照交通部行業規范JTJ 215—98《港口工程荷載規范》［4］進行計算:

式中:Ff為水流對船舶產生的作用力，kN;C為水流作用力系數，按式(6)計算;ρ為水的密度，t/m3;V為水流速度，m/s;S為船舶吃水線以下的表面積，m2，按式(7)計算。

式中:b為系數，取0.015;Re為雷諾數，Re=V·L/v(V是水流速度;L為船舶滿載水線長度;v為水的運動黏性系數，其值大小與水溫有關)。

式中:D為船舶吃水;B為船寬;Cb為船舶方型系數。

1.3 波浪作用力

波浪作用力計算參照原交通部行業規范JTJ 213—1998《海港水文規范》［5］進行計算。

式中:ρ為海水密度，取1.025 t/m3;H為波高，m;L為波長，m;l為柱體迎浪面的對角線長度，m;d為水深，m;D為船舶吃水，m;θ為波浪作用力與船舶縱軸的夾角，(°)。

1.4 FPSO系統所受合外力計算

假設上述各力的作用點都在船舶中心，根據力的合成原理，系統所受外力示意如圖1，合力計算公式如式(9):

圖1 力的合成Fig.1 Composition of forces

2 系統錨鏈受力分析與計算方法

轉塔系泊系統通過均勻分布的若干錨鏈固定在海上，FPSO首部與轉塔系泊系統直接相連固定在海上，在外界合作用力和轉塔系泊裝置作用力的共同作用下保持動態平衡，轉塔系泊系統結構如圖2。

圖2 系泊系統錨鏈分布Fig.2 Distribution of mooring chains

轉塔系泊系統由若干固定于海底的錨鏈共同作用固定于海上，每根錨鏈由不同段的錨鏈相互連接而成，這里假設每根錨鏈近似為一根懸垂的繩索，并非完全剛性的構件(圖3)。

圖3 錨鏈布局圖Fig.3 Assignation of the mooring chain

對錨鏈各部分精確受力的計算是非常困難的，在此通過懸鏈線方程予以計算［6］:

式中:s為錨鏈長度，m;X為錨鏈在水平面內的投影長度，m;h為出鏈孔至海底的高度，m;a按式(11)計算:

式中:Th為錨鏈在錨鏈孔處的水平張力，即單位長度錨鏈在水中的重量，t/m。

假設轉塔式FPSO系泊系統由n根均勻分布的錨鏈構成，各錨鏈的初始長度為Si，各錨鏈固定點坐標為(xi，yi)，轉塔位置中心坐標為(xw，yw)。

式中:ω為單位長度錨鏈在水中的重量，t/m;h為錨鏈出空口至海底的高度，m;Ti為各錨鏈張力大小，t;Si為懸鏈長度，m;Xi為錨鏈在水平方向上的投影長度，m。

依據方程組(12)，求取在特定的外界環境下FPSO系統作用力中心點所處的地理位置坐標(xw，yw)，及此時各根錨鏈所受的水平張力Ti，并與錨鏈所能承受的最大負荷進行比較，進而得出在特定的海況下，系統是否能夠安全工作。

3 計算實例

3.1 西江“南海開拓”號FPSO系統概況

3.1.1 “南海開拓”號FPSO主要參數(表1)

表1 “南海開拓”系統主要參數Table 1 The parameters of“South Sea Development”

3.1.2 該海域常年主要水文氣象條件

1)風。風速:8 m/s;風向:東北。

2)波浪。浪高1.9 m;周期:6 s;方向:東北。

3)流。流速0.3 m/s;流向正西。

3.1.3 轉塔系泊系統及錨鏈分布

轉塔和各錨鏈固定點中心地理坐標如表2。

表2 錨鏈固定點坐標Table 2 The coordination of mooring chains

3.1.4 錨鏈長度

“南海開拓”號FPSO系泊系統各錨鏈的長度見表3。

表3 錨鏈長度Table 3 Length of mooring chains/m

3.2 計算結果

錨鏈在無外力作用時水平投影長度X與各錨鏈張力T的計算結果如表4。

表4 各錨鏈水平投影長度Table 4 Length of mooring chains on horizontal

3.2.1 錨鏈張力與錨鏈水平長度關系

錨鏈的水平投影長度與錨鏈總長度的關系可以用來衡量錨鏈系統水平方向受力的大小［7］。根據懸鏈線方程(10)，通過計算機進行建模，進行離散和迭代計算，計算出各錨鏈在水平方向上的投影長度與該錨鏈水平方向所受張力的關系，如圖4。

轉塔式FPSO系泊系統由多根錨鏈共同作用，其系泊中心點位置也是由各根錨鏈作用力共同作用的結果，在此也可以通過將各錨鏈水平長度代替各錨鏈水平受力大小進行求解［8］。

圖4 錨鏈水平長度與錨鏈張力關系Fig.4 The relationship between the length on horizon and the force of mooring chain

3.2.2 船舶受力計算

依據所述計算方法，對中國南海西江碼頭“南海開拓”號FPSO進行受力計算，其計算結果如表5。

表5 FPSO受力詳細Table 5 Forces in FPSO system

3.2.3 轉塔系泊系統各錨鏈受力

依據系統模型，分別對滿載、半載和空載3種裝載狀態時轉塔式FPSO系泊系統各錨鏈受力情況進行計算，計算結果如表6。

表6 系泊系統各錨鏈受力Table 6 Forces of mooring chains when fully loaded

3.2.4 系泊系統各錨鏈實際受力

表7為轉塔系泊系統各錨鏈的實際受力情況。通過表6和表7的對比可知，其計算結果與實際受力情況差別不大，在可接受的范圍內。

表7 系泊系統各錨鏈實際受力Table 7 Actual forces of mooring chains

4 結語

對轉塔式FPSO系統所受風、浪、流作用力和系泊系統各錨鏈的受力情況進行研究和計算，通過靜態的方法對系泊系統各錨鏈受力情況進行核算，建立了相應的數學模型。以“南海開拓”號FPSO為例，分別從滿載、半載和空載3種裝載狀態進行受力計算，計算結果較工程設計時結果略微偏大，但差值在可接受范圍以內，且有利于實際安全，表明該計算方法具有一定的使用價值。

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［3］洪承禮.港口規劃與布置［M］.北京:人民交通出版社，2007:25－30.

［4］JTJ 215—1998港口工程荷載規范［S］.北京:中華人民共和國交通部，1998.

［5］JTJ 213—1998海港水文規范［S］.北京:中華人民共和國交通部，1998.

［6］劉超.海洋工程錨泊系統計算與分析［D］.武漢:武漢理工大學，2007.

［7］Thomas Telford LTD.Offshore Mooring［M］.London:Institution of Civil Engineers，1982:95 －115.

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