軟鋼臂式單點系泊系統運動性能優化

李牧,劉詩學,李鵬,齊曉亮,劉劍楠,李恬恬

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

軟鋼臂式單點系泊系統運動性能對于FPSO運營生產安全至關重要,學者針對軟鋼臂系泊系統的運動受力,圍繞其靜態特性、動態特性在頻域、時域開展了大量理論分析和模擬實驗研究[1-4]。在FPSO運營中,軟鋼臂結構在實際海況中的運動特性會對軟鋼臂結構鉸接點可靠性以及系泊腿受力產生影響[5]。為此,針對軟鋼臂單點系泊軟鋼臂結構的運動特性,對雙軟鋼臂結構軟鋼臂單點系泊FPSO進行分析,以渤海某FPSO為研究對象,建立FPSO水動力模型和系泊系統模型,根據實測數據分析不同海況下軟鋼臂結構運動特性,并針對其運動特性提出優化方案。

1 計算理論

1.1 計算流程

對渤海某FPSO通過調載的方式進行系泊系統運動響應優化分析。首先,在水動力軟件AQWA中建立FPSO船體水動力模型,運用AQWA-LINE模塊計算FPSO波浪力、附加質量、附加阻尼。其次,在系泊分析軟件Orcaflex中建立FPSO系泊模型,將AQWA-LINE結果中的幅值響應算子、輻射阻尼等數據輸入到Orcaflex軟件中,計算風浪流聯合作用下FPSO受力及運動情況。

1.2 理論方法

AQWA基于三維勢流理論,不考慮粘性,假設流體為不可壓縮理想流體,用勢函數表示整個流體,根據拉普拉斯方程求出速度勢[6],由拉格朗日方程、伯努利方程及其積分、運動方程,求解出船體在單位波幅的規則波下的幅值響應算子。Orcaflex動力分析軟件在時域內求解系泊系統整體運動方程,對FPSO船體及系泊系統進行全耦合分析,得到時域內系統的運動和受力。

2 FPSO建模及驗證

2.1 FPSO船體模型

FPSO船體主尺度見表1,根據船體型值表建模,由吃水劃分水線面建立面元模型,見圖1。共計劃分3 278個節點、3 141個單元。

表1 FPSO船體主尺度

圖1 FPSO面元模型

2.2 FPSO系泊模型

該FPSO采用水上雙軟鋼臂系泊系統,系泊結構參數見表2,在Orcaflex軟件中建立系泊模型,用6Dbouy來模擬軟鋼臂結構。

表2 軟鋼臂結構參數

2.3 FPSO系泊模型驗證

對建立的系泊模型進行靜態分析,計算系泊剛度并與設計值進行對比,繪制水平恢復力剛度曲線,見圖2。設計值與模型計算值吻合良好,驗證系泊模型的準確性。

圖2 系泊模型的剛度變化

3 軟鋼臂運動特性分析

在真實海況中,雙軟鋼臂單點系泊系統的兩個YOKE結構在外部環境載荷的作用下會繞連接桿旋轉,見圖3a),當雙軟鋼臂的旋轉角度θ1和θ2不等時,兩軟鋼臂之間會形成高度差h。

圖3 雙軟鋼臂系泊系統結構

h=l1sinθ1-l2sinθ2

(1)

式中:l1,l2為左右軟鋼臂長度。

為探究高度差產生的原因,對系泊模型進行時域模擬,模擬時間3 h,時間步長0.25 s,見表3、4。

表3 數值模擬環境載荷(一年一遇)

數值模擬工況按風浪同向、流向改變(工況1-4),風浪異向、流向改變(工況5-8)分為兩組,分別分析其對雙軟鋼臂高度差的影響。

3.1 風浪同向模擬

對工況1～4進行時域計算,從結果中提取軟鋼臂旋轉角度θ1、θ2,計算旋轉角度差值和高度差見圖4(圖中正值表示左側大于右側,負值表示右側大于左側),并統計差值的最大值、最小值、變化幅值,見表5。

表5 工況1～4角度差及高度差統計值

圖4 工況1～4角度差及高度差對比

從圖4可以看出,當風浪流同向時,雙軟鋼臂幾乎沒有角度差和高度差,雙軟鋼臂的高度差隨角度差的變化而變化。從圖4和表5可觀察到,在風浪同向時,隨流與浪向夾角的增加,雙軟鋼臂角度差、高度差變大,差值的幅值變大。

3.2 風浪異向模擬

對工況5-8進行時域計算,并從結果中提取軟鋼臂旋轉角度θ1、θ2,并計算旋轉角度差值和高度差見圖5,并統計差值的最大值、最小值、變化幅值,見表6。

從圖5可以看出,雙軟鋼臂的高度差隨角度差的變化而變化,兩者存在一定的相關性。同時,從圖5和表6可觀察到,在風浪同異向時,隨流與浪向夾角的增加,雙軟鋼臂角度差、高度差變大,差值的幅值變大。

圖5 工況5-8角度差及高度差對比

表6 工況5-8角度差及高度差統計值

對比可以看出,雙軟鋼臂結構高度差和角度差是由于環境組合方向的差異導致,高度差隨角度差的變化而變化。在風浪同向或異向時,隨流與浪向夾角的增加,雙軟鋼臂角度差、高度差變大,差值的幅值變大。

4 軟鋼臂運動優化

根據3.1節分析中可知,在工況4中,雙軟鋼臂高度差的幅值達到6 m,這可能對系泊系統連接部件造成損傷,為降低雙軟鋼臂結構的高度差,可以通過對軟鋼臂結構的壓載箱位置進行調整,進而改變軟鋼臂結構的重心位置。如表7所示,重心位置的坐標相對于圖3中所示坐標系,重心位置編號3是原始數值模擬時采用的壓載重心位置,重心位置1～4、5～8、9～12分別從x,y,z三個方向進行優化。

表7 軟鋼臂壓載重心位置優化

4.1 優化結果分析

重心位置1～12在上述工況8的環境載荷下進行3 h模擬,時間步長0.25 s,數值模擬角度差值和高度差見圖6、7、8,差值的最大值、最小值、變化幅值見表8。

表8 重心位置1-12角度差及高度差統計值

圖6 重心位置1～4角度差及高度差對比

可以看出,雙軟鋼臂結構角度差和高度差隨重心位置在x向遠離坐標原點而減小,隨重心位置在y向相互靠近而減小,隨重心位置在z向遠離坐標原點先變小后邊大,綜合最優位置為重心位置11。

圖7 重心位置5～8角度差及高度差對比

圖8 重心位置9～12角度差及高度差對比

4.2 優化前后對比

取最優重心位置與未優化的重心位置對工況4進行模擬,比較兩位置的角度差和高度差,結果見圖9,統計差值的最大值、最小值、幅值見表9。從圖9和表9可以看出,相對于系泊系統的初始狀態,優化后的雙軟鋼臂角度差和高度差變化都變小,運動幅值也縮小,說明通過調整系泊系統壓載箱位置,改變軟鋼臂結構的重心位置可以有效優化雙軟鋼臂的相對運動,降低兩者之間的運動不協調性。

圖9 重心位置優化前后插值對比

表9 優化前后角度差及高度差統計值

5 結論

在實際海況下,在水上雙軟剛臂系泊系統運行過程中,兩軟鋼臂之間會存在高度差,存在運動不一致的情況,對系泊系統構件的穩定運行造成隱患,對軟鋼臂結構鉸接點可靠性以及系泊腿受力產生影響。當風浪流同向時,雙軟鋼臂角度和高度運動情況較為一致,當風浪流異向時,雙軟鋼臂角度和高度運動情況存在較大差異,并且隨著流向與浪向夾角的增加,雙軟鋼臂角度差、高度差均變大。因此,通過調整壓載箱位置來改變重心位置,可降低雙軟鋼臂的角度差及高度差。該方法可以優化雙軟鋼臂運動性能,為工程實際問題和海上作業人員提供參考。