基于實測數據的單點系泊系統鋼纜觸地分析

王偉,李牧,劉學濤,李鵬,劉詩學,齊曉亮

(1.中海油能源發展股份有限公司,北京 100010;2.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

系泊系統作為FPSO重要的設備設施,包括塔架式系泊系統、多點系泊系統和單點系泊系統等多種形式。單點系泊系統由于采用“點系泊”方式,具有良好的風向標效應,能有效抵抗惡劣的環境,因此常被應用于我國南海等深海海域。單點系泊系統的系泊纜由多個構件組成,包括錨鏈、浮筒、配重塊、鋼纜、錨樁等組件。在鋼纜與海底接觸的管理規范上,BV船級社、DNV船級社等知名船級社的基本要求為:作業條件下鋼纜不應與海底接觸;系泊纜鎖接頭不應出現在系泊纜觸地點位置附近。但在實際運營過程中,由于超極限海況等因素,發現部分FPSO有上部鋼纜觸地、斷絲、接頭陽極丟失的情況。鋼纜觸地可能導致鋼纜損壞,進而導致系泊系統事故的發生,如2005年Kumul buoy號、2006年南海勝利號、2009年南海勝利號、2011年Volve號均發生過系泊系統事故[1]。針對FPSO系泊系統鋼纜觸地問題,學者的研究集中于系泊纜配置方案[2],無損檢測等新型檢測技術[3],鋼纜連接頭末端的局部扭曲[4],內轉塔系泊系統系統的設計和維護[5],系泊纜觸地點位置的疲勞壽命[6],鋼纜接觸分析的簡化方法[7]。本文以南海某FPSO單點系泊系統為原型,基于系泊系統監測設備采集到的實測數據,對系泊系統開展時域動力分析,針對系泊系統中上鋼纜觸地現象進行自動識別和統計分析,為實際工程中的系泊系統完整性管理提供參考。

1 數值模型的建立

某FPSO作業于南海海域,作業水深105 m,其主尺度信息見表1。

表1 FPSO船體主尺度參數

應用AQWA對目標FPSO進行水動力分析,通過AQWA建立的滿載工況下FPSO船體濕表面模型見圖1。

圖1 FPSO船體濕表面模型

目標FPSO采用單點系泊系統進行系泊定位,系泊系統布置示意圖見圖2。

圖2 系泊系統布置示意

系泊系統由9根懸鏈線組成,采用3×3分組形式,每組間隔120°,組內每根系泊纜間隔為5°,系泊系統在設計之初考慮環境方向進行了優化,其中兩組系泊纜長度較長,另一組朝西的7號、8號、9號系泊纜較短。每根系泊纜的組成及材料屬性分別見表2、3。

表2 系泊纜組成

表3 系泊纜材料屬性

Orcaflex是一款用于分析海洋結構動力學的軟件,其內含python等自動化編程軟件接口,并應用Orcaflex對FPSO系泊系統進行時域耦合分析,建立FPSO系泊系統數值模型。為了使數值模型更加準確,根據系泊系統海上安裝完工報告提供的實際錨點安裝位置、纜繩切割記錄以及接頭的詳細圖紙等資料,對數值模型進行修改。結果表明,滿載工況下,完工狀態系泊纜的預張力比設計狀態系泊纜預張力減小50 kN,且完工狀態系泊纜鋼纜躺底更多,平衡位置向短鏈方向偏移。

2 基于實測數據的數值模擬

在傳統的數值模擬分析中,一般通過對特定海洋結構物施加環境載荷的方式,計算海洋結構物在環境自然激勵下的運動響應。但實測數據最能真實地反應系泊系統的響應情況,通過在Orcaflex中施加強制運動激勵,讓單點在實測運動的軌跡下進行強制運動,可以更加準確地還原真實環境條件下FPSO和系泊纜的真實運動響應。因此,通過在Orcaflex中施加實測運動激勵,對系泊纜的動態響應進行計算,進而對上鋼纜(UWS)末端的觸地情況進行分析。

通過單點位置的橫蕩、縱蕩、垂蕩以及FPSO的艏向角數據可以基本確定FPSO的所處位置,針對這4個自由度的實測數據進行分析。以2016年3月1日19:00-22:00的3 h日常海況實測運動數據為輸入,導入到Orcaflex進行數值模擬,3 h內的單點縱蕩、橫蕩、垂蕩以及FPSO艏向角變化曲線分別見圖3。

圖3 運動響應實測數據

3 結果分析

通過對Orcaflex數值模擬結果進行分析,發現9根系泊纜中上鋼纜末端均有觸地情況發生。為了進一步研究每根系泊纜上鋼纜的觸地情況,通過python編寫程序調用Orcaflex數值模擬結果對9根系泊纜上鋼纜末端在3 h內的觸地次數和觸地時長進行統計。

3.1 觸地次數統計

系泊纜觸地點處的弧長可以反應系泊纜的觸地位置,提取9根系泊纜觸地點處弧長結果,對系泊纜上鋼纜觸地次數進行分析。1號～9號系泊纜觸地點處弧長見圖4。

通過圖4可以看出,1號～6號的觸地點處弧長較長,7號～9號觸地點處弧長較短,由于單點的位置更加偏向西向,7號～9號系泊纜的上鋼纜觸地長度最長可達70 m。

圖4 各系泊纜觸地點處弧長

由于完工文件與設計文件存在細微的差距,因此根據完工文件進一步修正模型。1號上鋼纜下部末端的弧長為211.5 m,因此,當觸地點處弧長小于211.5 m時,認為上鋼纜已經發生觸地。采用python編寫程序對上鋼纜末端觸地情況進行自動識別和統計分析,得出1號系泊纜在3 h內上鋼纜觸地106次。同樣的方法得出其余系泊纜在3 h內上鋼纜的觸地次數,結果匯總見表4。

表4 1號～9號系泊纜上鋼纜觸地次數統計

由表4可知,1號、2號、6號系泊纜上鋼纜往復觸地次數較多,7號、8號、9號系泊纜上鋼纜往復觸地次數較少。由于鋼纜觸地-抬起-觸地的過程會加劇鋼纜的磨損,造成鋼纜鎖接頭脫落、鋼纜斷絲等問題,并對鋼纜的疲勞性能也會產生一定影響。因此,在日后的檢修和維護工作中應對1號、2號、6號系泊纜予以更多關注。

3.2 觸地時長統計

上鋼纜往復觸地次數多少僅能反應鋼纜觸地-抬起-觸地情況,但僅通過觸地次數的多少并不能夠全面的反映每根系泊纜的觸地情況。如7號～9號系泊纜,雖然觸地次數僅為1,但這是由于7號～9號系泊纜上鋼纜末端一直處于觸地狀態,這顯然不滿足當前規范對避免鋼纜與海底接觸的相關要求。因此,除觸地次數統計之外,有必要對9根系泊纜上鋼纜末端的觸地時長進行統計分析。通過python編寫程序對上鋼纜末端觸地時長進行統計分析,得出1號系泊纜在3 h內上鋼纜觸地時長為8 710 s。以同樣的方法得出其余系泊纜在3 h內上鋼纜的觸地時長,結果見表5。

表5 1號～9號系泊纜上鋼纜觸地時長統計

由表5可知,1號、3號、6號、7號、8號、9號系泊纜上鋼纜末端觸地時長較長,2號、4號、5號系泊纜上鋼纜末端觸地時長相對較短,應較為關注1號、3號、6號、7號、8號、9號這些系泊纜的上鋼纜實際情況。

4 結論

本文基于南海某FPSO上系泊系統監測設備采集到的實測數據,應用Orcaflex建立數值模型,并通過python編寫程序對系泊系統中系泊纜上鋼纜末端的觸地次數及觸地時長進行統計分析。值得注意的是,該FPSO所在海域的環境方向主要是西向,系泊系統在設計之初也考慮環境方向進行了優化,兩組系泊纜長度較長,另一組朝西的系泊纜較短,這與7號、8號、9號系泊纜上鋼纜長期處于觸地狀態的情況相一致。因此無論從設計還是基于實測數據分析,1號和6號較其他系泊纜更容易出現鋼纜磨損,鋼纜鎖接頭脫落、鋼纜松股、斷絲等情況,在實際工程中應給予更多關注。