單點系泊系統的模擬建模

段立志 梁光強 石錦坤 方 霖 張人公

（1.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518054；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

南海某油田水深117 m。在浮式生產儲卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）單點系泊系統的常規年檢過程中發現，其9條系泊鋼纜均有不同程度的斷絲（如圖1所示），并且個別配重鏈與四角板的連接斷開（如圖2所示）。為了保證生產的安全，業主決定先解脫FPSO，然后再更換系泊系統的錨腿。

圖1 系泊鋼纜斷絲

圖2 配重鏈與四角板連接斷開

該系泊系統及其油田設施由FPSO、STP單點轉塔、9條系泊錨腿、2條柔性立管和2條電纜組成。其中，STP的東北方向和西南方向各有1條柔性立管和1條電纜。該立管和電纜先跨過中水浮橋（Mid Water Arch，MWA），再鋪設到海床，最后分別與東北方向和西南方向的平臺進行連接；立管將各自平臺所產的原油輸送到FPSO，并用電纜給FPSO輸送電力。立管、電纜和9條系泊錨腿與STP單點的中心對稱，9條錨腿中每3條錨腿組成1簇，簇與簇之間間隔120 °，每簇內的錨腿之間相隔5 °。整個系泊系統的模型布置圖如圖3所示。

單條系泊錨腿的組成圖如圖4所示，其具體組成和尺寸見表1。

在系泊更換施工期間，FPSO進塢維修，FPSO不在位。該系泊系統更換項目的主要工作包括以下4個：1） 對該系泊系統的9條錨腿進行更換。2） 對吸力樁和STP的上陽極進行修復。3） 棄置8條舊錨腿（將8條舊錨腿丟棄至油田區域海底的指定區域）。4） 對1條錨腿進行回收并檢測其斷絲和腐蝕情況。其中，不更換下錨鏈，也就是不更換與吸力樁連接的樁鏈，對其進行重復利用。為了縮短項目工期，讓油田盡快復產，在該項目中采用3條船在系泊系統的3個扇區進行同步作業。系泊系統是開采海洋石油的常見方式之一，與系泊系統有關的海油工程項目較多。，張人公等人[1]給出了西江油田BTM及其軟管回收棄置的方案，鄒佳星等人[2]評估了某系泊系統的剩余強度。該文將基于系泊系統的相關設計文件和標準規范，完成對系泊系統的建模，同時還要完成對系泊系統極端海況的在位分析和鋼纜的鋪設分析，進而為設計系泊系統的更換程序提供參考。

圖3 系泊系統計算模型

圖4 單條系泊錨腿組成圖

1 系泊系統建模

1.1 系泊系統軟件建模方法

在該系泊系統的更換作業過程中，FPSO處于解脫狀態；其完整的系泊系統OrcaFlex模型如圖3所示。STP單點為圓錐體（如圖4所示），采用正浮力的六自由度Spar Buoy（Spar Buoy是OrcaFlex軟件的六自由度浮體單元，形狀為直立圓柱體）進行模擬；系泊錨腿由鋼纜、上錨鏈（包括配重錨鏈和調整鏈）和下錨鏈首尾連接組成，各段的單位長度，重量、外徑、彎曲剛度、拖拽力系數以及附加質量系數等都不相同，采用不同“line_type”來模擬錨腿各部分不同的物理屬性和水動力屬性，將錨腿整體模擬成1根“line”；采用正浮力的六自由度lumped Buoy（lumped Buoy是OrcaFlex軟件的六自由度浮體單元，可以自定義它的形狀）模擬支撐電纜和柔性立管的中水浮橋，電纜和柔性立管搭在中水浮橋上的U型槽中，并對其進行軸向固定。

表1 單條錨腿的組成及尺寸（單位：mm）

1.2 環境載荷

系泊系統承受的基本環境載荷主要有風、浪和流。其中，相對于波浪載荷和流載荷來說，風載可以忽略不計，其原因包括以下2點：1） 空氣密度約是海水的1‰，其結構在空氣中受到的拖拽力和附加質量的慣性力也是海水的1‰。2） 除了在個別工況情況下STP單點會有小部露出水面，其余時間整個系泊系統都位于海平面以下。

系泊系統的更換作業還需要考慮極端風暴工況。這是為了應對施工作業時可能會遇到臺風等惡劣天氣，詳細情況如下：1） 極端風暴工況的海況考慮具有50年重現期的波浪和流，具體見表2。2） 將極端風暴工況中系泊系統的狀態考慮為不完整的系泊系統，分別考慮9條系泊腿（分為3條在位、6條已移除和6條在位、3條已移除2種情況）。這樣就可以論證在9條系泊腿中的部分舊系泊腿已經移除并且新的系泊腿還沒有連接到位的不完整系泊系統在極端風暴工況下的完整性。如果不完整的系泊系統在極端風暴工況下的完整性沒問題，則可以驗證對應系泊腿的更換施工作業也是安全的。

表2 油田水文數據

1.3 系泊腿的建模

系泊腿由鋼纜和錨鏈組成，錨鏈又分為單根的錨鏈和3根并聯的配重鏈。在建模過程中，將配重鏈等效模擬成1根錨鏈。參考項目設計文件、相關文獻和OrcaFlex軟件的資料庫，設置鋼纜和錨鏈的主要物理屬性參數和水動力參數，見表3 。錨腿的部件，例如鋼纜索接頭、鋼纜和錨鏈之間的連接卸扣和四角板，其重量大約為1 t，為了保證模型的準確性，錨腿部件不可忽略；建模時，將部件模擬成為錨腿（line）的附件。

表3 錨鏈和鋼纜的水動力參數

1.4 STP的建模

該項目STP的3D圖及其模型圖如圖5所示。STP是通過六自由度浮體（Spar Buoy）來進行模擬的，其實體為圓錐體，軟件模型是5個首尾相連的圓柱。已有文獻設置了STP的水動力參數，見表4。經驗證，STP模型的浮心和重心與現實STP的浮心和重心是一致的。按該方法在高度方向對STP進行有限元劃分，可以精確模擬STP質量、體積、拖拽力參數、附加質量參數及其水動力載荷的分布。特別是當系泊系統移除6條錨腿（只剩3條錨腿懸掛在STP上）時，STP將會隨波浪升沉而穿刺水面，STP在高度方向上的有限元劃分，可以更精確地模擬STP穿刺水面的現象。

圖5 某項目STP 3D圖及其分析模型

表4 STP水動力參數

當STP穿刺水面時，在波浪的作用下，STP會產生橫搖和縱搖。為了得到準確的錨腿、電纜、柔性立管頂部張力以及運動動態，需要在軟件模型中精確地捕捉 STP的橫搖和縱搖，并準確地設置STP的拖拽轉動面積距。如圖6所示，可以計算得到矩形的拖拽轉動面積距AM，相關推算如下。

圖6 圓柱軸截面拖拽力計算示意圖

記拖拽轉動力矩為Md，ρ為密度，Cd為拖拽力系數，AM拖拽轉動面積矩，可得表達式，如公式（1）所示。

設Md的表達式，如公式（2）所示。

根據公式（2）可得新表達式，如公式（3）所示。

2 系泊系統的極端工況分析

在分析之前要驗證計算分析模型的正確性。對完整的系泊系統執行靜態分析，得到STP的底部位于水下46.84 m，與系泊系統設計文件中的47 m基本吻合。

如1.2節所述，為了保證系泊系統在施工周期內的安全，選取50年一遇的極端風暴對系泊系統進行在位的動態分析，參考DNV規范，并考慮相同方向的波浪和來流工況以及不同方向的波浪和來流工況，從而更好地捕捉惡劣工況。其具體的波浪與流的參數見表2。同時考慮系泊系統本身6條錨腿在位（9條錨腿中的3條已經移除）和3條錨腿在位（9條錨腿中的6條已經移除）2種系泊狀態，可以得出相關數據，見表5。根據表5可知，錨腿、立管和電纜在極端風暴情況下所承受的張力都在允許的范圍內，立管和電纜的MBR也在可接受的范圍內，沒有出現過彎現象。綜上所述，6條腿和3條腿的系泊系統在極端風暴下是安全的。

表5 極端風暴計算結果

3 系泊鋼纜的鋪設分析

對于下鋼纜的鋪設，項目將采用DP2等級的作業船舶來完成該工作。施加2.5 m有效浪高和1年一遇的流的環境荷載。其鋪設分析工況矩陣見表6；其鋪設作業分析如圖7所示。

表6 下鋼纜鋪設的計算工況

圖7 下鋼纜的鋪設

下鋼纜鋪設計算結果，見表7。由表7可知，船舶在進行下鋼纜的鋪設時，應該將作業船的艏向控制在±30 °首浪或尾浪范圍內；并推薦采用50 m～70 m的Layback來對鋼纜進行鋪設；鋪設過程中應采用安全工作載荷為25 t以上的張緊器夾持鋼纜進行鋼纜的鋪設。

表7 下鋼纜鋪設計算結果

4 結語

在海洋工程的建設中，基于系泊系統的FPSO原油生產和儲卸方式使用普遍。該文對系泊系統的建模方法、模型參數設置和參數求解等做了初步介紹，并對系泊系統展開極端風暴工況下的分析和鋪設系泊鋼纜的分析，其分析結果對系泊系統的工程實踐具有指導意義。可以為類似系泊系統的更換和安裝以及鋼纜、海管和海纜的鋪設提供參考。