渤海單點系泊裝置設計環境工況研究

劉雪宜，于常寶，董坤

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452

渤海單點系泊裝置設計環境工況研究

劉雪宜1，于常寶1，董坤2

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300461

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452

環境工況決定了單點系泊裝置系泊力的大小，進而影響到系泊裝置的規模。文章介紹了渤海海域單點系泊裝置設計過程中需要考慮的自存、操作、外輸三種工作工況，將環境載荷分為風、波浪、海流和風、海冰、海流兩類組合方法，進行了單點系泊系統的設計環境工況分析，對今后類似單點系泊裝置的設計具有參考意義。

FPSO；單點系泊；設計環境工況；重現期

0 引言

系泊裝置是FPSO定位的關鍵系統，用于將FPSO固定在某個油田以進行油田的生產和開發。中國海洋石油總公司目前共有7條FPSO在渤海服役，其中6艘采用了水上軟剛臂單點系泊裝置（Single Point Mooring），其典型構成部件如圖1所示[1]，系泊力大小由環境工況決定。由于渤海海域水深較淺，冬季有冰，因此其環境工況選取有其獨特的特點[2]。

本文結合設計規范與經驗，論述渤海淺水型單點系泊FPSO設計環境工況的選取。

1 海洋環境

典型的海洋環境包括風、波浪、海流、潮汐、氣溫、海水溫度、鹽度、海生物、地震等因素。對于浮式裝置，風、波浪、海流、冰載荷決定了其系泊力。

（1）風。由于FPSO上有龐大的原油加工處理設施，受風面積較大，因而風載荷作用顯著。風的基本要素包括風速和風向，其設計值包括1、5、10、25、50、100 a重現期特征值。

（2）波浪，包括風成浪和涌浪[3]。FPSO漂浮在海面上，波浪載荷作用顯著。渤海海域具有半封閉的特征，通常涌浪要比風成浪小，因此設計時以風成浪為主要考慮因素。波浪的基本要素包括波高、周期和波向，其設計值包括1、5、10、25、50、100 a重現期特征值。

（3）海流，包括表層流、中層流和底層流。表層流最大，中層流次之，底層流最小，FPSO受表層流的影響較大。海流的基本要素包括流速和流向，其設計值包括1、5、10、25、50、100 a重現期特征值。

（4）冰，包括單層冰、重疊冰、堆積冰。單層冰是指整個冬季連續增長，相對未受到擾動的平坦海冰；重疊冰是指在外力作用下，一層冰疊置到另一層冰上形成的1至2層、或更多層冰，但冰面仍較平坦的海冰；堆積冰是指在外力作用下，冰塊雜亂無章地堆積在一起形成的冰。冰的基本要素為壓縮強度和彎曲強度，其設計值包括1、25、50、100 a重現期特征值。

圖1 渤海海域典型單點系泊裝置示意

2 海洋環境方向組合

海洋環境各要素有其各自的方向性，組合起來有幾十甚至上百種。對于具風標效應的FPSO，DNV規范明確要求要結合具體的海域進行環境方向組合。若無海域的具體記錄，則其環境方向組合至少包含以下兩種[4]：

（1）同向。風、波浪、海流皆指向艏部。

（2）不同向。波浪指向艏部，風與波浪成30°角，海流與波浪成45°角，如圖2所示。

圖2 風浪流不同向

渤海海域水深較淺，海流較大。由于經常出現橫流工況，即使風、波浪較小，FPSO的橫搖也比較明顯。因此，在實際設計工作中，采用了以下的風、波浪、海流環境方向組合模式，如圖3所示。

圖3 海洋環境方向組合模式

（1）風、波浪指向艏部，海流與風成90°角。

（2）波浪指向艏部，風與海流在波浪的同側，風與波浪成30°角，流與波浪成90°角。

（3）波浪指向艏部，風與海流在波浪的兩側，風與波浪成30°角，流與波浪成90°角。

（4）波浪指向艏部，風與海流在波浪的同側，風與波浪成30°角，流與波浪成45°角。

（5）風、波浪、海流皆指向艏部。

（6）風、波浪指向艏部，沒有海流。

對于渤海海域的風、冰、海流環境工況方向組合，海冰、海流的方向是一致的，而風與海冰、海流的相對方向需要結合渤海冬季季風的特點進行具體分析。

3 單點系泊裝置設計工況

單點系泊裝置為FPSO提供系泊力，長年受到風、波浪、海流、冰等環境載荷的作用。通常情況下，單點系泊裝置的設計需要考慮以下典型工作工況：

（1）自存工況。指單點系泊裝置能夠承受的最惡劣工況。在此工況下，油氣田可以停產，但是整個系泊裝置仍然是安全而可靠的。通常選擇百年一遇的環境條件作為自存工況[5]。

（2）操作工況。指單點系泊裝置能夠正常生產的允許工況。在此工況下，油氣田能維持正常生產，整個系泊裝置是安全而可靠的。通常選擇一年一遇的環境條件作為操作工況。

（3）外輸工況。指單點系泊裝置進行外輸作業的最大允許工況。在此工況下，油田仍然能維持正常生產，同時，外輸油輪利用外輸纜繩系固在FPSO上，一起圍繞單點系泊裝置做風標運動，整個系泊裝置是安全而可靠的。外輸工況的選擇要考慮到外輸裝置和可操作性的要求。

將海洋環境重現期特征值與環境方向組合模式進行搭配，即可得到單點系泊裝置的設計環境工況。自存工況的環境要素與方向組合模式搭配，即為單點系泊裝置的自存設計工況；操作工況的環境要素與方向組合模式搭配，即為單點系泊裝置的操作設計工況；外輸工況的環境要素與方向組合模式搭配，即為單點系泊裝置的外輸設計工況。以海洋石油113 FPSO的新建單點系泊系統為例，介紹設計工況的具體選擇。

3.1 風、波浪、海流設計工況（見表1）

表1 風浪流設計工況

對于自存工況，環境方向組合模式（1）～（6）均采用重現期為100 a的風和波浪。對于海流，環境方向組合模式（1）～（3）屬于橫流工況，如采用重現期為100 a的流速，將導致系泊系統異常龐大，因此采用了不超越概率大于99%的流速1.0 m/s，這與重現期為100 a的風和波浪同時發生，相當于重現期為10 000 a的極端工況，能夠滿足設計規范的要求；對于模式（2），增加譜峰周期敏感性分析，選擇譜峰周期Tp+1、Tp-1兩種狀態，以確認譜峰周期對系泊力的影響大小；模式（4）～（6）為非橫流工況，仍然采用重現期為100 a的流速。

對于操作工況，由于環境方向組合模式（2）和（5）需要的系泊力最大，因此可選擇（2）和（5）作為設計工況，采用重現期為1 a的風和浪。橫流模式（2）選用了流速0.7 m/s，其不超越概率同樣大于99%。順流模式（5）采用重現期為1 a的海流，速度1.34 m/s。

對于外輸工況，同樣選擇（2）和（5）作為設計工況，依據渤海海域的外輸操作經驗，外輸設計有效波高為3.1 m，周期為9.1 s，設計風速為18 m/s，設計流速為0.7 m/s。

據此，得到風、波浪、海流的設計環境工況，選用Jonswap波浪譜，NPD風譜，水深17.8～20.5 m。

3.2 風、海冰、海流設計工況（見表2）

渤海海域冬季有冰，因此單點系泊裝置需具備抵御冰載荷的能力，冰載荷在海流和風的聯合作用下運動對系泊裝置產生影響。海洋石油113 FPSO所在海域，海冰、海流的方向一致，而風與海冰、海流的常見相對方向為0°和67.5°。

表1 風浪流設計工況（續）

表2 風冰流設計工況

對于自存工況，一般情況，渤海海域如果遇到了重現期為25 a以上的重冰年，就需要有破冰船進行破冰，因此自存設計工況中冰載荷的重現期選擇25 a，風載荷重現期為10 a，海流載荷取1.0 m/s。如果遇到重現期為50 a的冰載荷，FPSO會解脫，僅需要考慮冰對單點系泊裝置的影響，這種自存工況下采用重現期為10 a的風和海流。

對于外輸工況，可選擇重現期為1 a的海冰和風，海流速度取為0.7 m/s。由于有外輸油輪的影響，所需要的系泊力總是大于操作冰工況，因此，設計過程中考慮冰外輸工況就足夠，不需要考慮冰操作工況。

根據以上說明，得到風、海冰、海流的設計環境工況，選用NPD風譜，水深17.8～20.5 m。

4 結束語

單點系泊裝置在渤海地區得到了廣泛應用，其設計環境工況與多種海洋環境因素相關，風、波浪、海流和風、海冰、海流構成了兩種不同類型的環境載荷組合，在確定設計工況時需要結合特定的海域環境進行具體分析。設計過程中要對其進行合理搭配，以確保單點系泊裝置的經濟、安全和可靠。特別是近年來由于氣候異常，渤海海域出現了多起單點系泊裝置失效的事件，這就要求在設計之初，對于新建或者重新利用的單點系泊裝置的海洋環境設計工況進行深入分析和研究，適當提高設計裕量，以應對氣候異常帶來的影響。

[1]劉雪宜.FPSO在YOKE損壞時的應急解脫[J].石油工程建設，2013，39（3）：26-30.

[2]Q/HSn 3000-2002，中國海海冰條件及應用規定[S].

[3]董勝，孔令雙.海洋環境工程概論[M].青島：中國海洋大學出版社，2005.

[4]DNV-OS-E301，Position Mooring[S].

[5]俞聿修.隨機波浪及其工程應用[M].大連：大連理工大學出版社，2011.

Design EnvironmentalConditions Research ofSingle Point Mooring System in BohaiBay

Liu Xueyi1，Yu Changbao1，Dong Kun2
1.China Offshore OilEngineering Company，Tianjin 300461，China
2.China NationalOffshore OilCo.，Ltd.Tianjin Branch，Tianjin 300452，China

The mooring force of single point mooring（SPM）system depends on design environmental conditions which have large effect on the size of mooring system.This paper summarizes three working conditions of SPM in Bohai Bay，i.e.survival，operating and offloading，which should be considered in the SPM design process.Then the environmental loads are divided into two group types i.e.the wind plus wave plus current and the wind plus ice plus current.Based on the combined working cases，the analyses on SPM are carried out and the results can be used as reference for similar SPM desins.

FPSO；single point mooring；design environmentalconditions；return period

圖片報道：某海洋石油生產平臺

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.008

劉雪宜（1980-），男，湖南攸縣人，工程師，2006年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計專業，碩士，主要從事海洋工程設計與安裝工作。

2014-04-23；

2014-11-23