基于FPSO運動響應的系泊力監測方法

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

基于FPSO運動響應的系泊力監測方法

田冠楠，李鵬，王連佳

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

基于懸鏈線原理，開發一種穩定性好、采樣頻率較高的系泊力監測方法，利用監測得到的運動響應推算得到系泊力值，并通過實船測量“海馬”臺風過境中海洋石油111FPSO的運動響應，計算得到系泊力。

系泊力監測；運動響應；實船測量；臺風

單點系泊系統是惡劣海況下作業的FPSO最好的系泊方式之一，已被廣泛應用于我國海域的FPSO。目前南海海域的內轉塔型單點系泊系統通常由轉塔、浮筒和錨纜等主要結構構成，錨纜均為懸鏈線式系泊方式，由錨鏈-鋼纜-錨鏈組成[1]。由于FPSO無法像其他船舶一樣隨時離開，而是永久系泊于固定海域，因此系泊系統在極限環境荷載作用下的安全特性一直是研究的重要問題之一[2-5]。目前，針對系泊系統載荷研究手段主要通過數值模擬、模型試驗及現場實測手段。然而，由于海洋工程結構物受到來自于海洋環境、作業等復雜載荷，采用傳統的商業數值仿真軟件及模型試驗研究均無法準確還原實際的海洋環境，具有一定的局限性。現場實測手段能夠考慮現場復雜狀況而獲得實際的FPSO數據，眾多學者在這方面進行了相關的研究[6-9]。針對單點系泊系統系泊力監測系統存在穩定性不足、監測精度低等問題，對作業于南海海域的海洋石油111FPSO，提出通過采用GPS/IMU測量FPSO運動響應，進而推算系泊力的監測方法。

1 應用現狀及問題

作業于我國南海地區的內轉塔型FPSO，包括海洋石油111、115、118等，均裝備了單點錨纜系泊力監測系統，3套系統都采用水下傾角儀采集器獲得錨纜實時的角度，并將數據傳給服務器進行存儲和處理，通過數據分析處理獲得各條錨纜的系泊力。但各套系統在設備選型、采樣頻率、數據傳輸方式上有所差異，見表1。

表1 系泊力監測系統參數對比

2套設備在監測時均采用了水下傾角儀設備，傾角儀安裝于錨纜靠近導攬孔一側的端部。其中海洋石油118FPSO的傾角儀采用電纜對傾角儀設備進行供電以保證其連續工作，但由于海洋環境復雜，水下電纜接頭在長期受到海洋環境載荷、錨纜搖晃引起的振動等多個因素影響下出現腐蝕并最終斷開，最終系泊力監測系統失效，如圖1所示。

圖1 傾角儀電纜失效

海洋石油111FPSO的傾角儀采用自帶電池對傾角儀設備進行供電，數據傳輸采用無線聲學傳輸至船底側安裝的接收器。由于電池體積較小，無法保證傾角儀的連續工作，因此傾角儀每6 h開啟并開始記錄一定時長的傾角數據，該系統避免了電纜斷開導致的整個系統失效，但采樣頻率較低，可能無法記錄臺風期間的關鍵數據。

綜上，目前采用的2種系泊力監測方式都無法充分滿足需求，需應用穩定性及數據采集能力更好的監測方案，因此，本文提出采用GPS/IMU測量獲得FPSO 6自由度的運動響應數據，進而推算系泊力方法。

2 理論基礎

該方法是通過應用懸鏈線理論計算得到動態響應-系泊力數據庫，數據庫覆蓋整個FPSO的運動范圍，通過實時測量得到的動態響應數據，通過插值計算得到各條錨纜實時的系泊力大小，并獲得錨纜的分布形態。

內轉塔單點系泊模型在物理概念上可簡化為質量-彈簧系統[10]，船體為集中質量，系泊系統則為彈簧，保證整個系統受到外界環境力擾動下在平衡位置附近振蕩，但位移過大將造成立管損壞或壽命降低，因此，要求系泊系統有足夠的剛度，把浮式生產裝置的位移限制在允許范圍內。南海所采用的系泊系統為鋼質懸鏈系泊系統，由9～12根錨纜組成，錨纜在水下呈懸鏈線狀態分布，通過自身重量提供剛度，當FPSO偏移平衡位置后，一側的錨纜懸鏈線被拉起，躺地段減少，從而產生回復力。

假定海床是平坦的，纜線在平面內運動，忽略纜線的彎曲剛度和動力響應，建立懸鏈線求解方程組[11]。

V=Sw+V0

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：S為纜線懸垂部分的未拉伸長度；L為纜線懸垂部分拉伸后的長度；X，Z分別為拉伸后懸垂長度的水平和垂向投影分量；V,H分別為等效軸向拉力的垂直和水平分量；V0為在觸地點V的值；w為纜線的單位長度濕重；E為彈性模量；A為纜線截面積。

由于南海FPSO均采用懸鏈線式系泊，觸地點在纜線內，即纜線處于懸垂狀態，觸地點V0=0，同時通過GPS可測得水平和垂向投影分量X、Z。

3 誤差分析

目前，海洋工程領域常用的浮體運動響應測量方法包括衛星導航技術(GPS)或水聲定位技術，由于水聲定位技術精度低、成本高，而衛星導航具有低成本、高精度的優點，FPSO位置測量采用衛星導航技術。GPS動態定位是利用GPS信號，測定相對于地球運動的用戶天線的狀態參數，包括三維坐標、三維速度和時間7個參數，動態定位原理為載波相位實時動態差分技術，該項技術定位精度可以達到厘米級精度，而目前傾角儀測量精度0.2°，通過在同等工況下使用“傾角計算”與“坐標推算”對比，“坐標推算”較“傾角推算”誤差大50 kN，精度相差6%。

拉力變化區間在300 kN～1 100 kN之間的情況下，對應的傾角變化約為13°，而對應位移約7 m，(見圖2)，因此“傾角反推”也較“坐標反推”方法計算更敏感。但采用GPS反推方案也可對每根錨纜所受載荷進行模擬仿真，且誤差為工程應用可接受范圍。

圖2 系泊力-位移/傾角關系

4 數據記錄與分析

2016年10月21日，第22號臺風“海馬”經過番禺海域，海洋石油111FPSO執行油田關停避臺程序，監測系統在臺風期間記錄下了FPSO的運動響應。本次臺風中心等級高，距離作業區距離較近，對作業區影響顯著且時間長，因而本次分析選取影響最為明顯的3 h進行數據分析及系泊力的計算，對數據進行篩查處理[12]，FPSO在該期間的運動響應見圖3。

圖3 FPSO運動響度

由圖3可見，臺風對FPSO影響顯著，運動位移最大可達15 m，最大橫搖角接近8°。由此推算出各條錨纜的系泊力狀況，由于同一組錨纜所受系泊力相近，因此僅從每組錨纜選取一根進行分析計算。見圖4。

圖4 錨纜系泊力時歷值

計算表明，由于臺風期間風向標效應導致各組錨纜在相同海洋環境下受力差異較大，其中2號錨纜在該3 h期間，受到錨纜系泊力較大，最大值為4 950 kN，而5號、8號錨纜所受系泊力較小，所有錨纜所受系泊力依然處于設計的安全范圍內。

5 結論

1)本文方法具有穩定性好、采樣頻率高的優點，經過與傾角儀監測誤差分析，該方法精度可應用于工程實際，并成功用于臺風期間海洋石油111FPSO的監測，獲取臺風期間系泊力的時歷變化值，該方法可廣泛推廣應用于內轉塔型單點系泊系統的FPSO。

2)本方法依然基于靜態系泊力的推導計算理論，需在未來的研究中考慮系泊纜水下的動態響應，以進一步提高精度。

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On Quick Monitoring Method of Mooring Load Based on Motion Response of FPSO

TIANGuan-nan,LIPeng,WANGLian-jia

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

A method which has the character of good stability and high sampling frequency was developed based on the catenary theory. The method can calculate mooring force with monitored motion response. The motion response data of HYSY 111 FPSO during the typhoon Haima were obtained by field measurement to calculate the mooring force.

mooring force monitor; motion response; field measurement; typhoon

P751

A

1671-7953(2017)05-0075-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.019

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

田冠楠(1989—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋結構物水動力性能