軟剛臂單點系泊系統環境參數敏感性分析

白雪平， 王忠暢， 李 達， 易 叢， 唐友剛

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 天津大學建筑工程學院，天津 300072)

軟剛臂單點系泊系統環境參數敏感性分析

白雪平1， 王忠暢1， 李 達1， 易 叢1， 唐友剛2

(1. 中海油研究總院，北京 100028； 2. 天津大學建筑工程學院，天津 300072)

以我國渤海“海洋石油113”浮式生產儲卸裝置(FPSO)的軟剛臂單點系泊系統為例，研究軟剛臂單點系泊系統受作業海域環境參數影響的敏感性。主要從風速、流速、波高、波浪周期、譜峰因子等環境參數的變化，通過分析確定了FPSO的運動和單點系泊系統的動力響應對于環境參數的敏感程度。

單點系泊系統；軟剛臂；環境參數；敏感性分析

0 引 言

浮式生產儲卸裝置(FPSO)是全海式油田開發的重要設施，作業應用范圍可覆蓋從淺水到深水。軟剛臂式單點系統是淺水FPSO的重要系泊方式，目前我國渤海已有7艘FPSO采用軟剛臂單點系泊定位，主要分為水上和水下兩種形式。近年來，多個渤海海域單點系泊系統陸續發生一些故障問題，給油田安全生產和經濟性帶來很大影響。對于特定海域長期作業的FPSO，其受到的環境載荷處在不斷的變化中，研究單點系泊系統的受力性能隨環境條件的變化規律，確定系泊載荷受不同環境參數的影響程度，對于確定軟剛臂單點系泊FPSO的設計環境條件，預測作業狀態下軟剛臂系泊系統可能受到的最大載荷，具有十分重要的意義。

本文建立FPSO和單點系泊系統的全耦合有限元模型，根據商業軟件計算FPSO水動力結果，分析得出FPSO在風、浪、流聯合作用下的運動及受力動力響應特性[1]。

1 分析基礎

1.1 系泊系統及FPSO主尺度參數

“海洋石油113”號FPSO位于渤中25-1油田，載重量約為16萬噸，其作業水深為17.9m，設計壽命是25年。FPSO主要參數如表1所示，其作業情況如圖1所示。

圖1 FPSO及單點系泊系統示意圖Fig.1 FPSO and single point mooring system

項目滿載時取值項目滿載時取值總長LOA/m287.9型深D/m20.6垂線間長LPP/m282吃水T/m14.5型寬B/m51排水量Δ/t200783

1.2 全耦合有限元模型的建立

軟剛臂系泊系統(SYMS)由軟剛臂及系泊腿組成，其提供作業時所需的回復力，主尺度和坐標系統定義如圖2所示。以靜水面為基準，軟剛臂系泊系統各參數值為： 塔架系泊點高度為27m，系泊剛架高度為37m，系泊腿長度為21m，軟剛臂長度為40m，壓載艙重量為1300t，整個軟剛臂重量為1850t。

圖2 軟剛臂及系泊腿的主要尺度Fig.2 Main dimensions of the yoke and pendent

對于軟剛臂單點系泊系統，一般來說簡化為非線性剛度彈簧來研究FPSO的動力響應，而這種方法依然很難模擬系泊機構的實際受力特性[2—3]。本文考慮FPSO與軟剛臂之間的耦合，用ANSYS GUI建立全船及系泊剛架的多體耦合有限元模型，導入AQWA DRIFT中進行水動力及時域響應計算[4]。FPSO及系泊剛架的有限元模型如圖3所示。

圖3 軟剛臂單點系泊FPSO全耦合有限元模型Fig.3 Completely-coupled model of the FPSO and SYSM

根據對軟剛臂單點系泊系統的研究及機械結構原理，在多體耦合分析模型中，FPSO及船首系泊剛架組成一個結構，左右兩側系泊腿為兩個結構，上端與船首系泊剛架間的雙軸鉸連接，需釋放橫搖、縱搖兩個自由度的約束；下端與軟剛臂間三軸鉸連接，釋放3個轉動自由度的約束；軟剛臂與轉塔連接點處釋放3個轉動自由度的約束[5]。

2 環境參數敏感性分析

2.1 系泊系統受力分析

系泊系統的受力分析選取兩種典型的海洋環境工況(見表2)，分別考慮了風浪流不同向與同向兩種工況。表中各環境參數的角度規定為： 在全局坐標系下，風、浪、流皆以x軸正向(入射方向為船尾指向船首)為0°，逆時針轉動為正，y軸正向(入射方向指向右舷)所指角度為90°。

通過對FPSO和軟剛臂多體耦合分析，塔架系泊點處軟剛臂坐標系下三個方向的載荷(即單點主軸承受力)Fx、Fy、Fz以及兩側系泊腿軸力Pt的最大值，計算結果如表3所示。

表2 該海域作業環境條件Table 2 Ocean environment conditions

表3 軟剛臂單點系泊系統動力響應結果Table 3 Dynamic responses of the SYMS t

軟剛臂單點系泊系統的作用體現在通過機構將壓載艙的重力轉化為系泊系統的回復力。根據文中系泊系統的形式及計算結果可以看出，壓載艙重力主要由系泊腿承受，小部分由塔架系泊點z方向承受，因此，Pt可作為衡量系泊系統垂向受力的主要參數。系泊機構所轉化的水平回復力主要由單點處x、y的系泊載荷承受，從計算結果可以看出，由于系泊系統風標作用，x方向的載荷要遠大于y方向的系泊載荷，因此，Fx可作為衡量系泊系統橫向載荷的主要參數。在本文所選取的兩種計算工況中，風、浪、流同向時，結構近似于縱蕩方向的單自由度運動；當風浪流不同向時，更能反映其復雜海況下的耦合動力響應，是更具有代表性的環境工況。因此，僅選取工況1中Fx、Pt兩項作為參考物理量對單點系泊系統各項參數進行敏感性分析。

2.2 參數敏感性分析

本文針對環境參數的影響，選取風速、流速、有義波高、譜峰周期、譜峰因子這5個環境參數分別進行敏感性分析，研究各參數變化對單點系泊FPSO受力的影響。分析原則是考慮其中一個參數變化，其他4個參數不變，且參數分別變化約為±20%、 ±10%時進行系泊系統受力分析，尋求系泊系統載荷隨各參數變化的規律。

(1) 風速。根據敏感性分析原則，選取5種大小不同的風速，系泊系統載荷Fx、Pt隨風速變化的曲線如圖4所示。結果表明，系泊系統載荷Fx、Pt隨風速的增大逐漸增大，系泊腿軸力增幅不大，而塔架系泊點處載荷Fx增幅較為明顯。原因在于，隨著風速的增大，FPSO的所受到的風載荷作用逐漸增大，為平衡風載荷的作用，系泊系統載荷也隨之逐漸增大。

圖4 Fx、 Pt隨風速變化的曲線Fig.4 Behavior of Fx and Pt versus wind speed

(2) 流速。在流速敏感性分析中，選取5種不同大小的流速大小，系泊系統載荷Fx、Pt隨流速變化的曲線如圖5所示。結果表明，系泊系統載荷Fx、Pt隨流速增大呈現緩慢增加的趨勢。可見，由于流速的增大，FPSO所受流載荷作用逐漸增大，為與流載荷的作用平衡，系泊系統載荷也隨之增大。

圖5 Fx、 Pt隨流速變化的曲線Fig.5 Behavior of Fx and Pt versus current speed

(3) 波高。在波高敏感性分析中，選取5種不同大小的有義波高，其對應的波浪能量依次為1.198、 1.486、 1.804、 2.154、 2.535，如圖6所示。系泊系統載荷Fx、Pt隨波高的變化曲線如圖7所示，結果表明，系泊系統載荷Fx、Pt隨波高增加逐漸增大，且增大趨勢比較明顯。

圖6 不同波高對應的波浪譜密度函數Fig.6 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various wave height

圖7 Fx、 Pt隨有義波高變化曲線Fig.7 Behavior of Fx and Pt versus wave height

(4) 譜峰周期。在譜峰周期敏感性分析中，選取了5個不同大小的譜峰周期，其對應的波浪能量依次為1.754、 1.782、 1.804、 1.816、 1.814。各譜峰周期對應的波浪譜如圖8所示，系泊系統載荷Fx、Pt隨波高的變化曲線如圖9所示。結果表明，隨著譜峰周期的增加，系泊系統載荷Fx、Pt明顯增大，且增大速率越來越快。隨著譜峰周期的增加，尤其是接近FPSO固有周期，系泊系統載荷將增大。

圖8 不同波浪周期對應的譜密度函數Fig.8 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various wave period

圖9 Fx、 Pt隨波周期的變化曲線Fig.9 Behavior of Fx and Pt versus wave period

(5) 譜峰因子。在譜峰因子敏感性分析中，依次選取5個不同因子作為分析值，各譜峰因子對應的波浪能量依次為1.792、 1.804、 1.819、 1.834、 1.846，其對應的波浪譜如圖10所示，系泊系統載荷Fx、Pt隨波高的變化曲線如圖11所示。結果表明，系泊系統載荷Fx、Pt隨譜峰因子的增加均呈現出先增大后減小的趨勢；但整體變化不大。本文計算的軟剛臂單點系泊FPSO，當譜峰因子介于1.3～2.3時，波浪能量的增加對系泊系統的影響較大，系泊系統載荷略有增大；當譜峰因子介于2.3～3.3時，波浪能量向譜峰周期的聚集對系泊系統載荷的影響較大，系泊系統載荷略有減小；但總體來說，譜峰因子對單點系泊系統載荷的影響不大。

圖10 不同波高對應的波浪譜密度函數Fig.10 Behaviour of the spectra density versus the frequencies for various spectral peak factor

圖11 Fx、 Pt隨流速的變化曲線Fig.11 Behavior of Fx and Pt versus spectral peak factor

2.3 環境參數敏感性對比

為研究不同參數對軟剛臂單點系泊系統載荷(Fx、Pt)影響程度的大小，須計算各參數在一定變化范圍內的敏感度。通過對敏感度的大小進行排序，確定單點系泊系統各物理量對不同環境參數的敏感性大小。根據統計分析結果，單點系統受力對環境參數的敏感度結果如圖12、圖13所示。

圖12 參數變化10%環境參數的敏感度Fig.12 Sensitivity of different environment parameters in range of 10%

圖13 參數變化20%環境參數的敏感度Fig.13 Sensitivity of different environment parameters in range of 20%

根據敏感度分析的結果可以看出：

(1) 對于所選取的風速、流速、波高、譜峰周期、譜峰因子等5個環境參數，變化大小分別為10%和20%時，單點x方向的載荷Fx對環境參數變化的敏感性要遠大于系泊腿軸力Pt對于環境參數的敏感性。

(2) 以單點載荷Fx為參考物理量，在環境參數變化大小分別為10%和20%時，Fx對各環境參數的敏感度由大到小排序為： 波高>譜峰周期>風速>流速>譜峰因子。

(3) 綜合考慮Fx對不同環境參數的敏感性可知，對于軟剛臂單點系泊系統而言，波高、譜峰周期的增大，既增加了系泊系統所受的定常力，又會對波頻運動有所影響，導致單點載荷對波高和譜峰周期的變化最為敏感；風速、流速的增加，僅增加了系泊系統所受定常力，單點受這兩個參數變化的影響次之；譜峰因子的變化僅對波浪譜和波浪能量產生很小的影響，其變化對單點統載荷的影響也是最小的。

3 結 語

本文通過建立FPSO和單點系泊系統的多體耦合模型，分析了兩種作業工況下軟剛臂單點系泊FPSO的受力分析，全面分析了風速、流速、有義波高、譜峰周期以及譜峰因子等環境參數變化對軟剛臂單點系泊FPSO動力響應性能的影響。綜合本文的分析，對軟剛臂單點系泊設計提供以下幾個方面的建議：

(1) 在各環境參數變化范圍相同時，系泊系統載荷受波高和譜峰周期這兩個參數變化的影響最大，受風速和流速變化的影響次之，受譜峰因子變化的影響最小。在軟剛臂單點系泊系統設計階段考慮FPSO所受環境載荷時，應尤其注意使FPSO的固有振動周期遠離其所在海域的波浪譜峰周期。

(2) 隨著風速、流速、波高的增加，單點系統載荷逐漸增大，在設計階段選取環境載荷時，僅需對最大風速、流速、波高進行方向組合，作為單點系泊系統的設計環境載荷，即可達到安全的設計要求。

(3) 隨著譜峰因子的增加，波浪譜從窄帶譜向寬帶譜過渡，系泊系統載荷并非單調變化，而是存在極大值；但總體來說，單點系泊系統載荷受譜峰因子變化的影響較小，在設計階段選取環境載荷時可最后考慮該參數的影響。

[1] 劉成義，唐友剛，李焱，等.淺水單點系泊FPSO軟剛臂參數敏感性分析[J].中國艦船研究,2014(5)： 69.

[2] Guo B, Xiao L, Yang J. Analysis on motions and green water of FPSOs in shallow water with non-collinear environments [C]. Proceedings of the ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2010： 419.

[3] Phadke A C, Liao S, Chen D. Assessment of SYMS survival limit for “Pengbo” FPSO during installation[C]. Proceedings of the ASME 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2010： 541.

[4] 劉成義，唐友剛，李焱.水深對軟剛臂單點系泊FPSO動力響應的影響[J].海洋工程,2016,34(1)： 25.

[5] 秦堯.軟剛臂單點系泊FPSO動力響應特性研究[D].天津： 天津大學，2013.

SensitivityAnalysisofEnvironmentParametersforSoftYokeMooringSystem

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

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China；2.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniveristy,Tianjin300072,China)

Based on the soft yoke mooring system (SYMS) of “HYSY113” operating in the Bohai Bay, the sensitivity analysis of environment conditions for SYMS is analyzed. The main environment parameters are wind speed, current speed, wave height, significant wave spectra period and wave spectra factor. With the dynamic response results of the soft yoke system, the main environment parameters are proposed for the design of SYMS.

single point mooring system; soft yoke; environment parameters; sensitivity analysis

P751

A

2095-7297(2017)02-0096-06

2017-02-06

白雪平(1986—)，女，高級工程師，主要從事浮托安裝、運動性能計算和浮式生產儲卸裝置(FPSO)設計等方面的研究。