水下軟剛臂FPSO數值計算與監測數據對比分析

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

水下軟剛臂FPSO數值計算與監測數據對比分析

李牧

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

針對數值仿真軟件計算僅依賴于規范要求，并不能完全適應海上瞬息萬變實際情況的問題，以作業于渤海地區的水下軟剛臂“海洋石油112”FPSO為研究對象，對其現場監測數據(環境條件，船體運動姿態及位移，系泊響應數據)進行后處理，對比分析監測數據和數值計算的差異，修正仿真軟件數值模型，以適應海洋工程的實際情況。

FPSO；水下軟剛臂；數值計算；監測數據

FPSO作為一種重要的海洋工程設施，由于其處于海上風浪多變的復雜環境之中，自身存儲原油載重變化不斷，且外輸油船對FPSO船體產生拉力，因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力異常復雜。軟剛臂系泊FPSO多數是由壓載艙、系泊腿和系泊臂組成，通過鉸接將上述構件聯接在一起，最終由滑環固定在單點平臺上，由于FPSO不能像其他船舶一樣隨時離開，而是永久系泊于某一固定海域，所以系泊系統在極端環境荷載作用下的安全特性一直是學者所關心的問題[1-3]，渤海灣海洋石油112作為國內惟一一艘水下軟剛臂單點系泊系統的FPSO，其安全性備受關注。

日趨惡劣的海洋環境使得系泊系統的安全性備受考驗[4-5]，針對系泊系統載荷的主要研究方法為數值模擬和實驗研究，也形成了較為成熟的系泊分析軟件，如Araine、OrcaFlex、Moses、AQWA等，應用這些方法都取得了較好的仿真計算效果，并獲得驗證[6-8]。

但應用數值仿真軟件計算僅依賴于規范要求，并不能完全適應海上瞬息萬變的實際情況，而渤海的FPSO水下軟剛臂系泊監控系統目前可以實現對環境條件(風、浪、流)，船體運動姿態及位移，系泊響應數據等進行實時在線監測。為了更好地修正數值模型以適應海洋工程實際情況，擬就以作業于渤海地區的水下軟剛臂海洋石油112FPSO為研究對象，對其現場監測數據進行進一步的后處理，修正仿真軟件數值模型，對數值模擬計算開展合理有效的后評估工作。

1 水下軟剛臂系統

FPSO112系泊系統包括：船首支撐結構、錨鏈、水下軟剛臂、系泊轉盤、轉塔樁基礎[9]等。如圖1所示。

圖1 系泊系統示意

軟剛臂(見圖2)是三角形框架結構，一端與系泊轉盤連接，另一端與船艏支撐結構相連。軟剛臂及系泊鏈的參數如表1所示。

圖2 軟剛臂

表1 軟剛臂及系泊鏈參數

2 實測數據分析

2.1 數據處理流程

FPSO 112監測系統所采集的原始數據是某設定采樣頻率下采集的與某時間序列相對應的數據，故原始采集數據可視為時間序列數據。

對于原始采集數據，由于環境噪聲、儀器設備等原因，在長時間的連續采集中不可避免會出現異常數據，因此，FPSO監測數據處理流程第一步就是進行數據可靠性檢驗[10]，分析數據異常原因，剔除異常數據。對于經過可靠性檢驗后的原始采集數據，根據采集數據類型的不同，將分別在時域和頻域內進行處理分析。

2.2 環境數據統計

監測系統中，波浪數據記錄間隔為30 min，流數據為5 min或20 min，風數據為1 s。可以看出環境要素數據完整度不夠，波浪數據和流數據缺失比較嚴重。

2.3 傾角儀監測數據統計

監測數據從2015年2月6日—11月6日，共計268 d，其中有209 d數據記錄是完整的。數據采集頻率為1 Hz，數據存儲格式為txt，每個txt文檔中有2列數據，分別為時間列和數據列，每日有86 400×2個數據，數據按傾角儀編號存儲。

2.3.1 理論模型

圖3 軟剛臂系泊結構受力分析

假定軟鋼臂系泊系統是靜態的，根據靜力學力平衡和力矩平衡的[11]原理，軟剛臂系泊系統無論在縱向還是在垂向運動時，都滿足力平衡和力矩平衡。當縱向和橫向為一時，軟剛臂系泊結構上的受力如圖3所示[12]。根據軟剛臂單點系泊結構的幾何關系，可以得到水平距離xh、豎直距離xv與傾角φ的關系式：

(1)

根據力矩平衡關系，可得

(2)

根據力矩的平衡原理，點左右兩邊分別達到力矩的平衡狀態：

(3)

根據式(1)～(3)，得到軟剛臂水平系泊力為

(4)

系泊腿軸向力為

(5)

2.3.2 分析結果

1)位移和受力極值分析。由圖4可知，在利用傾角儀解算可得到，FPSO最大縱蕩偏移32.5 m。

圖4 每日最大水平偏移

圖5 每日最大水平回復力

圖6 系泊腿每日最大受力

由圖5和圖6可知，在利用傾角儀解算的系泊腿受力理論解的情況來看，系泊系統水平恢復力最大700 kN，系泊腿的最大受力4 020 kN。

3 數值模型分析

采用AQWA和Orcaflex軟件對FPSO 112水動力及軟剛臂系統受力進行數值分析。

3.1 數值分析與監測結果對比

3.1.1 環境條件篩選

從監測環境數據來看，風浪流大小、方向時刻都在發生變化。

數值分析模型中，輸入波浪、流都是穩定的，輸入風既可以是穩定的，也可以是時變的。為開展數值分析與監測結果對比，需要篩選出浪、流比較穩定的工況。篩選時間間隔為30 min。波浪篩選條件為：30 min內浪向角度變化小于1°，有義波高變化小于5%。流篩選條件為：30 min內流向角度變化小于5°，流速變化小于0.1 m/s。經過篩選得到滿足條件的環境工況見表2。

3.1.2 位移對比分析

通過選取的5組工況位移對比結果。

1)數值分析與監測結果在縱蕩和垂蕩運動方向吻合較好，如圖7、圖8所示。

表2 篩選環境條件

注：風速和風向直接采用相對應的監測時間歷程,未在上表列出。

圖7 縱蕩運動標準差對比

圖8 垂蕩運動標準差對比

2)數值分析與監測結果在橫搖、縱搖、艏搖方向吻合度較差，如圖9～圖11所示。存在差別的主要原因如下：監測環境數據中，波浪數據間隔30 min，流數據間隔10～20 min，波浪與流的數據并不完全；數值分析方法分析的是一個穩態過程，FPSO會在一個平衡位置附近做往復運動，監測數據記錄結果顯示FPSO艏向總是在調整變化，實際FPSO艏搖變化較大。

圖9 橫搖運動標準差對比

圖10 縱搖運動標準差對比

圖11 艏搖運動標準差對比

3.1.3 系泊張力對比

通過對比系泊張力結果，可以得出如下結論。

1)數值分析得到動態系泊張力明顯大于監測結果。主要原因是系泊張力監測結果是通過傾角儀數據按照靜平衡方程得到，沒有考慮慣性力。見圖12所示。

圖12 系泊張力標準差對比

2)系泊張力均值和最大值趨勢一致，相差不大。主要原因是環境條件比較溫和，相對于平均系泊力，動態系泊力比較小。見圖13。

圖13 系泊張力均值對比

4 結論

1)軟剛臂系泊形式多見于淺水系泊，在數值計算過程有必要考慮波浪譜中的低頻成分；

2)數值分析與監測結果在縱蕩和垂蕩運動方向吻合較好，在橫搖、縱搖、首搖方向吻合度較差，因為數值計算的前提假設是船體裝載平衡、吃水穩定，因此誤差主要來源于船體實際的裝載情況；

3)數值分析得到的動態系泊張力明顯大于監測結果。但由于渤海灣環境條件比較溫和，相對于平均系泊力，動態系泊力比較小。系泊張力均值和最大值趨勢一致，相差不大，因此該海域動態部分差異可忽略不計。

[1] 呂立功，景勇，溫寶貴，等．FPSO系泊系統設計上的考慮[J]．中國造船，2005，46(增刊):348-356.

[2] 田冠楠，劉昊，李牧.FPSO軟剛臂單點系泊系統載荷數值分析[J].船海工程，2016，45(5)：16-19.

[3] 李德斌，嚴明.渤海灣水下軟剛臂式單點系泊系統現場監測預警技術研究與應用[J].船海工程，2015，44(5)：43-46.

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[5] 楊貴強，孫麗萍.FPSO失效數據庫系統開發[J].船海工程，2015,44(5):68-71.

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[8] 夏華波.水下軟剛臂單點系泊研究[J].船海工程，2014，43(3)：166-170.

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[10] 李金昌.大數據與統計新思維[J]. 統計研究，2014，31(1):10-17.

[11] 肖龍飛，楊建民，胡志強.極淺水單點系泊FPSO低頻響應分析[J].船舶力學，2010，14(4)：372-378.

[12] 樊哲良,岳前進，武文華.軟剛臂系泊系統水平系泊力原型測量方法[J].上海交通大學學報，2014,48(4)：475-481.

Comparison and Analysis of Numerical Calculation and Monitoring Data of Underwater Yoke FPSO

LIMu

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

The numerical simulation software only depends on the specification requirements, can not fully adapt to the changing characteristics of the actual situation of the sea. Taking the underwater soft yoke offshore HYSY 112 FPSO in Bohai as the research object, based on the monitoring data (environmental conditions, ship motion attitude and displacement response of mooring data) post processing, the monitoring data was compared with the numerical analysis results. The differences were analyzed in order to modify the simulation model to adapt to the actual situation of marine engineering.

FPSO; underwater Yoke; numerical simulation; monitoring data

P754

A

1671-7953(2017)05-0061-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.018

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.017

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

李牧(1986—)，女，碩士，工程師

研究方向：浮體結構