海洋石油112冬季海況單點系統受力分析

海洋石油112冬季海況單點系統受力分析

嚴明，李德斌，田冠楠

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300452)

摘要：考慮到渤海灣冬季大風頻發，為有效提高FPSO系統的抗風浪能力，采用時域模擬計算方法，針對冬季海況對海洋石油112FPSO 18種裝載工況進行動力響應分析，找出系泊力相對較小的裝載工況，對FPSO冬季惡劣海況下作業的裝配載提出建議。

關鍵詞：海洋石油112；系泊系統；冬季；裝載

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.023

中圖分類號：U661.2;P751

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0080-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一嚴明(1983-)，男，碩士，工程師

Abstract:In recent years, gale occurs frequently in winter in Bohai bay. In order to improve effectively the wave resistance capacity of FPSO system, the dynamic responses of the HYSY112 FPSO under 18 loading conditions are calculated for mooring analysis by using time domain simulation method. The loading condition that mooring force is relatively small is found out, and loading suggestions in harsh winter are given for operating the FPSO.

修回日期：2015-09-01

資助項目：工信部項目(2069F1130011)

研究方向:海工浮體

E-mail:yanming2@cnooc.com.cn

浮式生產儲油裝置(FPSO)是海洋油氣資源生產的主要裝備，一但出現問題將造成極為嚴重的后果[1]。近年來海洋環境條件愈加惡劣，渤海灣冬季大風頻發，給海上現已服役多年的FPSO的安全生產帶來極大挑戰。如何能夠科學有效地降低惡劣環境條件下FPSO的系泊力，提高其抵抗風浪流聯合作用的能力是作業者及其關心的問題。

單點系泊系統系泊力的大小與FPSO船體的運動緊密相關，而裝載不同船體的運動是不同的。本文以作業于CFD11-1/11-2油田的海洋石油112為研究對象，應用HydroSTAR及ORCAFLEX軟件分別對18種不同裝載工況的FPSO進行三維水動力分析及系泊時域模擬，從而得到FPSO的時歷運動響應曲線及系泊受力情況。通過對計算結果的分析，找到了冬季海況條件下系泊力相對較小的裝載工況，為提高FPSO冬季作業的安全提供參考。

1FPSO頻域水動力分析

1.1FPSO主尺度參數及水動力模型

FPSO主尺度及水動力網格模型見表1，圖1。

1.2裝載工況的選擇

從裝載手冊中選擇18種工況，見表2。

表1　HYSY112 FPSO主尺度

圖1　HydroSTAR水動力網格模型

工況裝載形式平均吃水/mLc1100%FullLOAD+100%BUNK-ER15.6Lc2100%FullLOAD+10%BUNKER15.3Lc375%FullLOAD+100%BUNK-ER13.1Lc475%FullLOAD+10%BUNKER12.8Lc550%FullLOAD+100%BUNK-ER10.3Lc650%FullLOAD+10%BUNKER10.0Lc725%FullLOAD+100%BUNK-ER10.5Lc825%FullLOAD+10%BUNKER10.2Lc9BALLAST+100%BUNK-ER9.2Lc10BALLAST+10%BUNKER9.1Lc11NO1EMPTY+OTHERFULL15.4Lc12NO2EMPTY+OTHERFULL15.5Lc13NO3EMPTY+OTHERFULL15.3Lc14NO4EMPTY+OTHERFULL15.1Lc15NO5EMPTY+OTHERFULL15.4Lc16NO6EMPTY+OTHERFULL15.6Lc17NO1、3、5EMPTY+N0246FULL13.3Lc18NO1、3、5FULL+N0246EMP-TY13.4

1.3水動力分析

應用基于三維勢流理論的水動力分析軟件HydroSTAR進行頻域水動力分析，求得FPSO的運動位移RAO、二階平均漂移力系數、輻射阻尼系數和附加質量系數等參數。

2FPSO單點系泊系統的時域分析

2.1系泊系統的組成

海洋石油112FPSO采用由APL公司設計的水下軟剛臂式單點系泊系統，水下YOKE通過兩條系泊錨鏈同船體支撐結構相連接提供恢復力，使FPSO在風浪流聯合作用下產生風向標效應，圍繞系泊轉塔作360°旋轉，見圖2，水動力參數見表3。

圖2　系泊系統示意

2.2環境條件

根據CFD11-1/11-2油田現場的監測數據，從中截取11月份～ 2月份冬季條件下的環境數據，根據渤海灣的季風氣候的特點，選取了風、浪、流的主方向和最大值，見表4。

作業海域潮汐值，低潮時為-0.03 m，高潮時為+2.26 m。

2.3系泊計算與分析

系泊系統動力分析采用全耦合動態分析的方法，將之前得到的各裝載狀況FPSO的運動響應傳遞函數導入到系泊系統模型中(見圖3)，然后根據非線性時域理論，應用3D纜索動力學時域求解工具ORCAFLEX軟件進行系泊系統3 h的時域模擬分析，同時進行Tp和潮汐的敏感性分析[2-6]。

表4　環境條件

圖3　ORCAFLEX單點系泊模型

系泊轉塔系統的準靜態剛度曲線由YOKE的重量決定，同時也與連接FPSO和YOKE的系泊錨鏈長度以及FPSO艏部吃水有關。

圖4是以FPSO艏部和轉塔之間距離S為參數的水平系泊力曲線圖。

圖4　壓載和滿載工況剛度

該距離指的是轉塔中心到FPSO艏部系泊支撐結構與系泊錨鏈連接處的縱向距離。水下YOKE壓載濕重750 t，每根系泊錨鏈預張力均為3 750 kN。

圖4中，FxBall和FxLoad是APL原始設計報告中得到的，OrcaBall和OrcaLoad是軟件模型校驗結果。由圖4可見，模型剛度曲線與APL設計報告擬合較好；壓載工況(ballast)的剛度曲線比滿載工況(loaded)要稍陡峭一些。

根據BV規范(NI461&NI493)，系泊分析中所使用的FPSO線性阻尼系數采用以下公式進行計算。

(1)

艏搖阻尼系數：0.083L2Byy；

式中：m——FPSO的總質量；

L、B——FPSO的長與寬。

應用統計學的方法，定義設計張力為

(2)

式中：TM——n次分析下最大系泊張力的平均值；

TS——n次分析下最大系泊張力標準差；

a—— 比例因子。

3計算結果分析

3.1轉塔受力分析

不同裝載工況下轉塔最大系泊力見圖5、6。

圖5　風浪同向，轉塔最大受力

圖6　風浪不同向，轉塔最大受力

在不同環境工況組合下，隨著FPSO吃水增加，SPM轉塔上最大受力會變小一些，這是因為按照圖4所示的剛度曲線，當裝載減小時(即吃水變淺時)，剛度曲線變得更加陡峭。

3.2錨鏈受力分析

不同裝載工況下錨鏈最大受力見圖7、8。

圖7　風浪同向，錨鏈最大受力

圖8　風浪不同向，錨鏈最大受力

在不同的環境工況組合下，隨著FPSO吃水增加，錨鏈最大受力會變小一些，原因同轉塔受力的分析。

3.3敏感性分析

針對波浪周期±10%，轉塔上最大系泊力計算結果如下。

分析對比可以看到，波浪周期Tp±10%對于轉塔最大受力是一個很敏感的參數，在Tp+10%時尤其明顯。隨著Tp的減小，轉塔最大受力也會隨之變小一些。

圖9　風浪同向，T p+10%，轉塔最大受力

圖10　風浪不同向，T p+10%，轉塔最大受力

Tp增大后，波浪周期與船體橫搖周期接近，改變了船體波頻運動同時，也改變了船體慢漂運動的特性。

圖11　風浪同向，T p-10%，轉塔最大受力

圖12　風浪不同向，T p-10%，轉塔最大受力

Tp減小后，對船體的運動和轉塔受力比較有利，減小了轉塔受力。

圖13　考慮潮汐，壓載工況轉塔最大受力

圖14　考慮潮汐，滿載工況轉塔最大受力

在系泊錨鏈長度和FPSO吃水不發生變化的條件下，潮汐的增加相當于改變了初始的剛度曲線，使在壓載時剛度曲線更加陡峭，在高潮位2 m的情況下，計算結果顯示潮汐對轉塔最大受力的影響不大。

4結論

1)從剛度曲線上看，隨著吃水減小，剛度曲線變得陡峭，系泊力增長較快。因此FPSO在吃水較淺時，SPM單點上系泊力會比較大，所以不建議采用空載方案；

2)隨著吃水的增加，SPM單點上系泊力會變的小一些，這在一定程度上能優化系泊力，但是對于目前已經存在諸多問題的SPM單點系統，這種裝載方案并不能足以確保系泊系統的安全；

3)Tp的改變能顯著的改變系泊力的大小，波浪的Tp也是影響系泊力大小的一個關鍵參數；

4)潮汐的變化對轉塔受力影響不大。

5)通過提高儲油量增加吃水的方式來降低系泊力的同時也必須警惕由此可能導致的環保風險等。

參考文獻

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The Mooring Analysis of the SPM System for HYSY112 in Winter Sea State

YAN Ming, LI De-bin, TIAN Guan-nan

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tanggu 300452, China)

Key words: HYSY112; mooring system; winter; loading