南海FPSO超極限海況下抗風能力分析

李 牧，田冠楠，楊凱東

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

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南海FPSO超極限海況下抗風能力分析

李 牧，田冠楠，楊凱東

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

在三維勢流理論的基礎上，對作業于南海海域的海洋石油111FPSO進行時域內的系泊分析，獲得在該海況不同裝載量和不同裝載方式錨鏈的系泊力，利用Weibull分布函數推導超百年一遇環境條件，通過對比系泊力大小，選取最惡劣海況下安全系數最大的最優裝載形式進行極限抗風能力分析，得到海洋石油111FPSO最大可以抵抗的臺風等級。

單點系泊；Weibull分布；超百年一遇海況；極限抗風能力

近年來南海環境愈加惡劣，超強臺風頻發，超百年一遇臺風的出現已不罕見，給油田安全及正常生產帶來很大程度的威脅，浮式生產儲油裝置(FPSO)是海洋油氣資源生產的主要裝備，一旦出現問題將造成極為嚴重的后果[1]。而且南海FPSO的單點系泊系統大都現已服役多年，由于系統磨損、老化、銹蝕及疲勞等情況引起系泊強度降低，為保證FPSO的安全，現有必要分析超極限海況下FPSO抵抗風、浪、流的能力，以更加真實有效地評估FPSO及單點系統的作業狀態，為業主及作業者決策提供更有利的理論依據。

國內外學者針對FPSO系泊系統進行了大量的研究。對風浪流作用下的FPSO響應進行研究，提出了不規則波作用下，風浪流聯合作用下系統系泊力的時域計算方法[2]，應用多體水動力學軟件AQWA，對系泊系統進行頻域水動力分析和時域運動響應分析，從而得到FPSO時歷運動響應曲線和各系泊線的受力情況[3-4]。

以海洋石油111FPSO為研究目標，研究其可以抵抗的最惡劣海況，根據由ARIANE進行系泊分析計算的29種裝載工況對應的安全系數最大的裝載工況，利用Weibull分布原理推導超極限海況。

1 理論基礎

海洋石油111FPSO極限抗風能力分析首先進行水動力計算、結合工程實際針對29種典型裝載工況進行了系泊計算，通過系泊分析結果對比，在5種海況下，選取29種裝載工況對應的安全系數最大的裝載工況進行極限系泊分析，以得到滿足最小安全系數的極限生存海況。

1.1 極限載荷分析方法

基于BV規范NR493，采用ARIANE V7軟件，通過時域分析得到船體的低頻響應，經過所有時間序列的數值積分后與波頻運動進行疊加，進而通過張力-變形曲線(系纜特性)得到瞬時張力。

1.2 設計張力計算方法

為了達到統計目的，單個海況組合至少需要計算10 800 s(3 h)的時間歷程，然后從錨鏈載荷3 h的時間曲線中選取最大值。由于相同的波浪或風的譜參數對應的時歷曲線具有隨機性，所以對一個給定海況，考慮種子的隨機性進行n次重復計算。 錨鏈的設計張力由下式計算。

(1)

(2)

(3)

式中：Tk——單次計算錨鏈載荷時歷曲線中的最大值(單個種子)；

Tμ——n次計算得到所有最大值的平均值(n個種子)；

Tσ——n次計算得到所有最大值的標準差；

TD——錨鏈的設計張力；

a——系數，取決于計算的種子數。

1.3 安全系數

錨鏈的安全系數(SF)是錨鏈的破斷載荷除以錨鏈的最大設計張力，根據BV規范NR493，在完整狀態下，錨鏈的安全系數要大于等于1.75。

1.4 Weibull分布

目前在海洋工程極限海況的推算上有些公認方法，如，指數分布函數、皮爾遜Ⅲ型曲線、耿貝爾分布曲線及威布爾分布函數，不同方法都有各自的實用性。本文采用Weibull分布函數[5], 該分布對于年最大風速、波高、降水量等氣候極值具有很高的擬合精度和很強的適應性。

已知不同重現期下有義波高的極值，設三參數Weibull分布函數分布：

(4)

(5)

則重現期T(x)的函數式：

(6)

2 工程實例分析

2.1 極限海況

極限海況的環境條件參數見表1。

表1 百年一遇臺風海況

注：考慮了Tp減小10%的敏感性計算分析。

2.2 模型參數

海洋石油111號FPSO在番禺油田服務，作業水深105 m。船體主尺度見表2，綜合考慮FPSO海上生產實際及穿梭油輪周期選取裝載工況，通過調節壓載以保證FPSO的浮態和強度滿足要求。

表2 海洋石油111FPSO主尺度 m

對FPSO濕表面進行網格劃分，建立水動力模型見圖1。

圖1 FPSO水線以下整體網格(Add_lc1工況)

111號FPSO系泊系統為內轉塔系泊系統，錨鏈為3×3布置形式，即9根系泊錨鏈構成，各組錨鏈間隔120°，一組內的錨鏈間隔5°，各組錨鏈布置見圖2、3，系泊錨鏈通過內轉塔式STP浮筒與船體連接。

圖2 系泊系統三維視圖

圖3 系泊系統布置

2.3 裝載工況

從裝載手冊中選擇6個原始裝載工況，根據工程實際配置23種新的裝載工況進行計算分析,見表3。

表3 29種裝載工況列表

2.4 計算小結

由海洋石油111FPSO百年一遇極限海況系泊分析[4]結果得出，在5種海況下，29種裝載工況對應的最大載荷均發生在A1海況下，因此選取A1海況下對應的安全系數最大的裝載工況進行極限系泊分析，以得到滿足最小安全系數的極限生存海況.。如圖4所示，Add_lc5裝載工況是最優的裝載工況。

圖4 A1海況下29種裝載工況系泊力安全系數統計

2.5 極限海況計算

計算所選取海洋環境數據為風、浪、流主導下的百年一遇海況，選取JONSWAP譜作為分析波浪形態的波浪譜。

由海洋石油111FPSO百年一遇極限海況系泊分析結果得出，在5種海況中，24種裝載工況對應的最大載荷均發生在A1海況下。因此，對海洋石油111FPSO做超極限生存海況計算，僅考慮A1浪主導海況對應的超級限海況即可。

A1海況為浪主導海況，對應的1年一遇，5年一遇，10年一遇，20年一遇，25年一遇，50年一遇，100年一遇的海況信息見表4[5]。

表4 番禺海域浪主導海況

根據表4信息，采用Weibull統計方法獲取超過100年一遇的超極限海況數據。

波浪Hs的Weibull曲線見圖5，當考慮1年一遇的數據時，Weibull曲線與7個點的吻合性差一些，當去除1年一遇數據后獲得的Weibull曲線與其他6個點高度吻合，因此該海域海況統計采用該Weibull曲線結果。

圖5 有義波高Hs的Weibull曲線結果與環境條件比較

此外超極限海況下各Hs對應的Tp按照百年一遇的Hs和Tp對應的波陡值0.037 6。

風速的Weibull曲線見圖6，當考慮1年一遇的數據時，Weibull曲線與7個點的吻合性差一些，當去除1年一遇數據后獲得的Weibull曲線與

圖6 風速Weibull曲線與環境條件統計比較

其他6個點高度吻合，因此該海域海況統計采用該Weibull曲線結果。

流速的Weibull曲線與現有的7個數據點也非常吻合，如圖7所示。

圖7 流速Weibull曲線與環境條件統計比較

超極限海況得到數據見表5(有義波高和風速是由去除1年一遇數據的Weibull曲線得到)。

表5 超極限海況(浪主導海況)

注：考慮了Tp-10%的敏感性分析。

2.6 結果分析

根據BV規范NR493，錨鏈張力安全系數需要大于1.75。

此次計算分析考慮了種子數目是20 。

通過對超極限海況計算分析，得到安全系數接近1.75的2組海況，見表6。由表6可以得出，滿足安全系數1.75的最惡劣海況信息,見表7。

表6 超極臺風海況計算結果

注：Hs表示有義波高，m；Tp表示譜峰周期，s；DirH表示波向角度，(°)；Uw表示風速，m/s;DirV表示風向角度，(°)；Uc表示流速，m/s；DirC表示流向角度，(°)。

表7 滿足安全系數1.75的最惡劣海況

臺風等級以10 min平均風速劃分，浪主導海況對應的1年一遇，5年一遇，10年一遇，20年一遇，25年一遇，50年一遇，100年一遇海況的1 h平均風速和10 min平均風速信息見表8。

由表8知，番禺海域10 min與1 h平均風速的比值約為1.06，滿足安全系數1.75時的最惡劣海況對應的1 h平均風速為47.58 m/s，對應的10 min平均風速為約50.43 m/s，對應的臺風海況等級為15級海況。

表8 1小時平均風速和10分鐘平均風速的比值

3 結論

1)由海洋石油111FPSO百年一遇5種極限海況下，各儲油量最安全裝載工況對應的系泊載荷極值最小的是53 000 t時對應的裝載工況Add_lc5；

2)滿足安全系數的最惡劣海況下，最安全的裝載工況可以抵抗最大的臺風等級為15級，可以為生產作業方合理評估系泊系統安全狀況提供可靠的理論依據。

[1] 余小川,謝永和,李潤培,等.水深對超大型FPSO運動響應與波浪載荷的影響[J].上海交通大學學報,2005,39(5)：1-6.

[2] 聶孟喜,王旭升,王曉明,等.風、浪、流聯合作用下系統系泊力的時域計算方法[J].清華大學學報(自然科學版),2004(9):1214-1217.

[3] 劉元丹,劉敬喜,譚安全.單點系泊FPSO風浪流載荷下運動及其系泊力研究[J].船海工程,2011,40(6)：146-149.

[4] 呂立功,景勇,溫寶貴,等.FPSO系泊系統設計上的考慮[C].吳有生.2005年度海洋工程學術會議論文集.上海:中國造船工程學會,2005:348-356.

[5] 嚴曉東,馬翔,鄭榮躍,等.三參數威布爾分布參數估計方法比較,寧波大學學報,2005,18(3)：301-305.

On the Ultimate Wind Resistant Ability of the FPSO in South China Sea

LI Mu, TIAN Guan-nan, YANG Kai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

Based on the 3D potential flow theory, the mooring analysis in time domain was carried out for HYSY 111 FPSO to get the mooring force in south China sea at different loading quantity and different loading forms. The environmental conditions once in a hundred years were deducted with Weibull distribution function. By comparison of mooring forces, the optimal loading form was selected to take the extreme wind resistance analysis. The maximum resistance of the typhoon level for HYSY 111 FPSO was gotten.

single point mooring system; Weibull distribution; sea condition over 100 years; ultimate wind resistant capacity

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.001

2016-07-10

中海石油總公司項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 13 LTD NFCY 2012-01)

李牧(1986—)，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0001-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:浮體結構

E-mail:limu@cnooc.com.cn