內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)敏感性研究

王忠暢，白雪平，李 達(dá)，易 叢，唐友剛

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)敏感性研究

王忠暢1，白雪平1，李 達(dá)1，易 叢1，唐友剛2

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 天津大學(xué)，天津 300072)

本文以我國南海某條FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)為例，研究內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊的不同參數(shù)對于FPSO的運動和系泊張力的影響，確定單點系泊系統(tǒng)不同參數(shù)的敏感性。本文從系泊系統(tǒng)材料、系泊系統(tǒng)重量以及系泊纜預(yù)張力3個方面考慮其對系泊系統(tǒng)受力及FPSO的運動等設(shè)計參數(shù)進行敏感性分析。通過分析確定了FPSO的運動和單點系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)對于系泊系統(tǒng)不同參數(shù)的敏感程度。

單點系泊；內(nèi)轉(zhuǎn)塔；FPSO；敏感性分析

0 引 言

根據(jù)不同的海域和海況條件，目前世界上的FPSO主要采用以下3種系泊方式：單點系泊系統(tǒng)、多點系泊系統(tǒng)以及動力定位系統(tǒng)。在世界上環(huán)境條件最惡劣的三大海域（北海、墨西哥灣和南中國海），幾乎所有的FPSO都配置內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)。雖然南中國海由于風(fēng)浪流等環(huán)境參數(shù)極為惡劣，環(huán)境條件的方向性不明顯，但內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)在南中國海具有多年安全生產(chǎn)的經(jīng)驗，因此其成為了南中國海FPSO定位的唯一選擇。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)承擔(dān)著FPSO定位、油氣水生產(chǎn)及信號傳輸功能，并使FPSO具有了風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，這樣FPSO能夠隨著風(fēng)浪流進行360°回轉(zhuǎn)，且在各種風(fēng)浪流作用下FPSO的受力最小。

我國8艘在南海服役的FPSO均采用轉(zhuǎn)塔式單點系泊方式[1]，但在臺風(fēng)過程中，都曾發(fā)生過系泊系統(tǒng)損傷的事故。對于單點系泊系統(tǒng)來說，某一個設(shè)計參數(shù)的變化有可能會對整個系泊系統(tǒng)的剛度特性產(chǎn)生極大的影響，從而影響系統(tǒng)動力響應(yīng)特性。因此在單點設(shè)計分析階段，有必要對系泊系統(tǒng)進行參數(shù)敏感性分析。本文以南海某內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)為研究對象，如圖1所示，對其系泊系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，進行敏感性分析。

1 計算模型及分析方法

FPSO一般是由船體與系泊纜、立管等組成的多體耦合系統(tǒng)。通常系泊系統(tǒng)響應(yīng)的分析采用準(zhǔn)靜力分析以及動力分析2種方法。準(zhǔn)靜力分析忽略系泊纜的質(zhì)量、阻尼以及動力效應(yīng)。但隨著水深的逐步增加，這些被忽略的因素對系統(tǒng)響應(yīng)造成的影響開始逐步顯現(xiàn)，而動力分析恰恰可以彌補這些不足[2]。此外，浮體運動主要受系統(tǒng)的慣性、阻尼、回復(fù)剛度以及環(huán)境載荷影響，而浮體的運動則是引發(fā)系泊系統(tǒng)響應(yīng)的主要因素，因此系泊系統(tǒng)與浮體之間相互影響，其求解并不能完全獨立。基于這些因素，當(dāng)前普遍采用的分析方法是時域耦合動態(tài)分析方法。

1.1 系泊系統(tǒng)耦合時域響應(yīng)分析運動方程

FPSO時域運動控制方程如下式所示：

FPSO所受風(fēng)流載荷按照OCIMF[3]給出的計算公式計算，船體所受的波浪載荷通常采用三維勢流理論進行計算，由于FPSO在水平面內(nèi)的運動屬于低頻運動，而差頻力會產(chǎn)生低頻激勵，容易引發(fā)系統(tǒng)共振，因此系泊系統(tǒng)分析中通常關(guān)注二階力中的差頻成分。時域分析中，二階低頻波浪載荷通常需要計算二階波浪載荷傳遞函數(shù)（QTF）獲得，通常采用Newman近似方法近似計算。

1.2 計算模型相關(guān)參數(shù)

本文以南海某油田服役中的某內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊FPSO為研究對象，其作業(yè)水深為100 m，相關(guān)主尺度如表1所示。

FPSO系泊系統(tǒng)布置如圖2所示，由3組、每組3根系泊纜組成。組與組之間的夾角為120°，夾角為5°。每根系泊纜由鋼纜與錨鏈組成，各段參數(shù)見表2，其中長纜的LCS、短纜的UCS1段與海底相連，長、短纜的UWS段與內(nèi)轉(zhuǎn)塔相連。由于計算采用動態(tài)方法，將考慮系泊纜的動力特性，因此按照規(guī)范[4 – 5]選取系泊纜的水動力系數(shù)，如表3所示。

表 1 南海某FPSO主尺度Tab. 1 The main particulars of FPSO in the South China Sea

表 2 系泊纜相關(guān)參數(shù)Tab. 2 The parameters of mooring lines

表 3 系泊纜水動力參數(shù)Tab. 3 The dynamic parameters of mooring lines

1.3 環(huán)境條件

坐標(biāo)系統(tǒng)和浪向定義如圖3所示。單點是采用百年一遇環(huán)境條件不解脫標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，波浪譜為JONSWAP譜，風(fēng)譜采用NPD風(fēng)譜，海流處理為定常流，具體環(huán)境條件參數(shù)如表4，方向示意圖如圖4所示。

表 4 環(huán)境條件參數(shù)Tab. 4 The parameters of environment condition

1.4 敏感性分析方法

對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊FPSO，各系泊纜的張力以及轉(zhuǎn)塔位移大小是衡量一套單點系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)，對系泊纜設(shè)計參數(shù)研究對FPSO的系泊系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。計算時采用SESAM軟件中的DeepC模塊進行系泊系統(tǒng)與FPSO之間的時域耦合動力分析，模型如圖5所示，計算各系泊纜的張力以及轉(zhuǎn)塔水平面內(nèi)位移的時間歷程響應(yīng)曲線，結(jié)果形式如圖6所示。

由于波浪譜、風(fēng)譜轉(zhuǎn)化的波面升高以及風(fēng)速的時歷曲線是隨機的，因此在計算時參考BV規(guī)范[4]進行，即每個計算工況選取若干不同的隨機種子數(shù)，隨機生成不同的環(huán)境載荷的時間歷程，并將不同的隨機種子數(shù)的時域計算結(jié)果得到該工況下的預(yù)報值，具體如下所示：式中：Sk為各次計算得到的極值；n為模擬次數(shù)；SM為樣本均值；SS為樣本標(biāo)準(zhǔn)差；SD為響應(yīng)預(yù)報值；a的取值參考規(guī)范取值。由于敏感性分析的目的是為了尋找參數(shù)變化引起的響應(yīng)變化的規(guī)律，因此綜合考慮時間成本與計算精度，每次計算隨機種子數(shù)取5。

2 系泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)敏感性分析

2.1 敏感性分析參數(shù)

影響內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)剛度的因素主要包括以

下3點：系泊纜材料、系泊纜重量以及系泊纜預(yù)張力。系泊纜材料的影響因素主要考慮系泊纜材料自身抗拉剛度的變化，系泊纜的重量主要從系泊纜配重塊重量以及系泊纜成分配比角度進行考慮，而影響系泊纜預(yù)張力最主要的因素是系泊纜自身長度與導(dǎo)纜孔到錨點之間距離，因此本文也將從以上幾個方面對該內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)進行敏感性分析。

2.2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)敏感性衡量指標(biāo)與基準(zhǔn)

2.2.1 敏感性衡量指標(biāo)

對于轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)一個重要的動力響應(yīng)參數(shù)就是系泊纜的最大張力，當(dāng)系泊纜張力超過其最小破斷張力時，將有可能發(fā)生斷裂，從而對系統(tǒng)的定位能力以及安全性產(chǎn)生巨大的影響。而在實際工程中，通常將安全系數(shù)定義為系泊纜最小破斷張力與系泊分析中得到的系泊纜最大張力的比值。規(guī)范[12]規(guī)定完整系泊狀態(tài)下，動態(tài)方法模擬計算得到的安全系數(shù)須大于1.67。

此外，對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)塔上不僅掛載了系泊纜，此外其作為連接生產(chǎn)平臺與FPSO的裝置，還起到了輸送原油、水以及電力的作用，因此轉(zhuǎn)塔上還連接著立管、復(fù)合電纜等設(shè)備，而這些管線不僅對于張力有一定的要求，其對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔在水平面內(nèi)的位移也有著相關(guān)要求，因此轉(zhuǎn)塔的位移也是敏感性分析的一個重要指標(biāo)。

綜上所述，本文以系泊纜的最小安全系數(shù)以及轉(zhuǎn)塔最大水平面內(nèi)位移作為衡量指標(biāo)。

2.2.2 敏感性分析基準(zhǔn)

敏感性分析是一個對比的過程，因此在分析的過程中應(yīng)確定某一種作為基準(zhǔn)的狀態(tài)。本文以滿載工況的FPSO在百年一遇環(huán)境條件下的動力響應(yīng)作為基準(zhǔn)，結(jié)果如表5所示。

2.3 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)材料敏感性分析

本內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)主要有錨鏈、鋼纜2種主要材料構(gòu)成，因此通過改變這2種材料抗拉剛度的大小，從而研究系泊系統(tǒng)材料對系泊系統(tǒng)剛度的影響。

表 5 敏感性分析基準(zhǔn)狀態(tài)計算結(jié)果Tab. 5 The results of sensitive analysis’s basic condition

2.3.1 錨鏈剛度的敏感性分析

為分析系泊纜錨鏈剛度對系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響，分別計算錨鏈軸向剛度減小50%，25%，增加25%，50%的系泊系統(tǒng)主要響應(yīng)。圖7為錨鏈剛度的敏感性分析結(jié)果。從分計結(jié)果來看，系泊纜的安全系數(shù)變化不大，但轉(zhuǎn)塔位移隨著剛度的增加，位移值變小。

2.3.2 鋼纜剛度的敏感性分析

為分析鋼纜剛度對系泊系統(tǒng)的影響，同樣分別計算鋼纜軸向剛度減小50%，25%，增加25%，50%的系泊系統(tǒng)主要響應(yīng)。圖8為鋼纜剛度的敏感性分析結(jié)果。從分析結(jié)果來看，系泊纜的安全系數(shù)變化不大，但轉(zhuǎn)塔位移隨鋼纜剛度的增加而減小。

2.4 系泊纜重量敏感性分析

2.4.1 配重段重量的敏感性分析

長、短系泊纜中包含長度相同的加有配重塊的一段錨鏈，稱之為配重段，即UCS2段。改變配重段系泊纜的單位長度重量，分析其對系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響。從實際設(shè)計角度考慮，配重段懸掛配重塊的位置有限，且配重塊容易丟失，因此考慮重量減少的情況，以模擬配重塊丟失。由于設(shè)計中每根長纜上掛有12塊配重塊，短纜上掛有6塊配重塊，因此計算每根系泊纜上的配重塊丟失17%，33%，50%，67%，83%以及100%的情況，圖9為其分析結(jié)果。從分析結(jié)果來看，轉(zhuǎn)塔位移與系泊纜安全系數(shù)均隨著配重塊的丟失數(shù)量的增多而增大。

2.4.2 錨鏈重量所占比例的敏感性分析

重力式系泊錨鏈重量是提供回復(fù)剛度的主要因素，因此在各系泊纜長度不變的條件下，通過調(diào)節(jié)UCS3段以及UWS段長度，增大錨鏈重量所占比例，進行敏感性分析，結(jié)果如圖10所示。由于錨鏈所占比例增加，系泊纜重量增大，回復(fù)剛度增大，轉(zhuǎn)塔位移呈減小趨勢，安全系數(shù)總體上呈減小趨勢。

2.4.3 上部錨鏈成分配比的敏感性分析

由于配重段（UCS2）濕重是上部錨鏈最大的，因此通過調(diào)節(jié)UCS段中UCS2段長度所占比例，進行敏感性分析。由于UCS3段長度僅10 m，因此僅分析UCS2段靠近導(dǎo)纜孔的端點位置不變、另一端伸長或縮短，UCS1段隨之相應(yīng)變化，保證系泊纜總長不變的情況，結(jié)果如圖11所示。從分析結(jié)果來看，改變配重段在系泊纜中所占位置與比例，對系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響并不明顯。

2.5 系泊纜預(yù)張力敏感性分析

2.5.1 系泊纜長度的敏感性分析

改變UWS段長度，分別計算鋼纜長度加減5 m、10 m情況下系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)特性，分析其對系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖12所示。從結(jié)果中明顯看出，系泊系統(tǒng)響應(yīng)對UWS段長度變化非常敏感。這是由于系泊纜長度的變化，將會引起預(yù)張力的變化，從而引起系泊剛度的顯著變化。

2.5.2 錨點位置的敏感性分析

系泊系統(tǒng)安裝時容易產(chǎn)生誤差，因此通過改變錨點位置，分析其對系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖13所示。（+）表示錨點遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)塔位置，（–）表示靠近轉(zhuǎn)塔位置。

在系泊纜長度不變的情況下，錨固點位置的移動導(dǎo)致系泊纜的形態(tài)發(fā)生變化，從而影響系泊纜上的預(yù)張力，從而導(dǎo)致系泊系統(tǒng)的回復(fù)剛度發(fā)生變化。

2.6 小結(jié)

從上述計算結(jié)果中不難看出，系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)對于系統(tǒng)材料相關(guān)參數(shù)的敏感性，無論從安全系數(shù)角度還是轉(zhuǎn)塔位移角度來看，都是鋼纜剛度大于錨鏈剛度；對于系統(tǒng)重量相關(guān)參數(shù)的敏感性，當(dāng)配重塊丟失量超過50%時，將對系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，而且系統(tǒng)重量相關(guān)參數(shù)的影響對于轉(zhuǎn)塔位移要比安全系數(shù)顯著；而系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)對于系泊纜的預(yù)張力最為敏感，微小的參數(shù)變化將會導(dǎo)致系統(tǒng)動力響應(yīng)的劇烈變化。因此系泊系統(tǒng)敏感性參數(shù)中系泊系統(tǒng)預(yù)張力影響最大，因此在設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注系泊纜長度、錨點位置、配重塊重量。

3 結(jié) 語

本文通過FPSO、系泊纜和立管多體時域耦合分析方法，對內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊的FPSO進行了系泊系統(tǒng)的敏感性分析。通過系泊系統(tǒng)參數(shù)的敏感性分析，得出系泊系統(tǒng)響應(yīng)的變化規(guī)律：

1）系泊纜材料相關(guān)參數(shù)中，配重段重量是影響系泊系統(tǒng)響應(yīng)的主要因素。配重段部分連接的配重塊對于調(diào)節(jié)系泊系統(tǒng)的剛度具有較大影響，改變配重塊的重量，可以有效改變系泊纜的剛度；

2）系泊纜長度、位置參數(shù)中，錨點位置與系泊纜長度的變化將會大幅影響系泊纜的預(yù)張力，使得系泊剛度變化很大，從而嚴(yán)重影響系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)，因此在系泊系統(tǒng)安裝中應(yīng)合理的選擇錨固點和系纜長度；

3）單點系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)對系泊纜長度、錨固點位置非常敏感，對配重段的重量較為敏感。

[1]吳家鳴. FPSO 的特點與現(xiàn)狀[J]. 船舶工程, 2012, 2.

[2]鄭成榮, 范菊, 繆國平, 等. 深水 FPSO 時域耦合動力分析[J].水動力學(xué)研究與進展: A 輯, 2012, 27(4): 376–382.

[3]OCIMF. Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs[M].London: WITHERBY & CO. LTD, 1994.

[4]VERITAS B. NR 493 Classification of mooring systems of permanent offshore units[J]. NT, 2004.

[5]VERITAS D N. Offshore Standard DNV-OS-E301 Position Mooring[J]. 2008.

The sensitivity analysis for internal turret single point mooring system

WANG Zhong-chang1, BAI Xue-ping1, LI Da1, YI Cong1, TANG You-gang2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China; 2. Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Based on a turret-moored FPSO and STP mooring system working in the South China Sea, the influence on turret’s motion and mooring lines’ tension affected by different coefficients of STP are analyzed. Considering mixed mooring line and clumps, a FPSO-mooring system coupled model is built up. From three aspects which are the materials, weight and the pre-tension of the mooring system, the sensitivity of the design parameters of the mooring system is checked. According to the analysis, the sensitivity of mooring system’s coefficients, influencing on the dynamic response of FPSO and mooring system, is checked.

single point mooring；turret；FPSO；sensitivity analysis

P751

A

1672 – 7649(2017)09 – 0085 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.017

2016 – 12 – 15；

2017 – 02 – 06

王忠暢(1973 – )，男，高級工程師，研究方向為海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。