海洋立管浮力裝置抗滑脫力的數值評估方法

張祥,相政樂,張啟發,趙利,王銘浩,徐瑞,陳東陽

(1.海油發展珠海管道工程有限公司,廣東 珠海 519050;2.揚州大學 電氣與能源動力工程學院,江蘇 揚州 225100;3.西北工業大學 海洋研究院,江蘇 蘇州 215000)

關于海洋立管浮力裝置的抗滑脫力計算,缺乏數值評估方法,國內外標準規范中沒有直接可以參考的數據,通常國際上浮力裝置制造商均按照浮力裝置設計凈浮力的4倍進行估算。浮力裝置通過管卡模塊安裝在立管上,評估其抗滑脫力,主要包含兩種工況:①立管安裝下水階段,此時需重點分析浮力裝置入水時,波浪對浮力裝置的砰擊力,以確保浮力裝置能夠穩固地固定在立管上,不發生滑移或滑脫;②立管安裝就位后的服役運行階段,立管及浮力裝置受浮體平臺(如FPSO)運動、風浪流荷載等的作用,尤其大的風浪、洋流以及劇烈的FPSO運動等條件下,浮力裝置與立管之間不能發生滑移,以保證立管能夠按照原始設計的波型穩定工作[1]。

考慮通過安裝和服役兩種工況下的海洋立管浮力裝置數值分析,探討海洋立管浮力裝置抗滑脫力的數值評估方法,為海洋立管浮力裝置的設計、試驗提供數值支撐。

1 安裝階段浮力裝置的抗滑脫力

1.1 計算模型

作用在物體上的力,對靜止水體,物體的砰擊力可表達為

(1)

式中:Cs為砰擊力系數;ρ為水的密度;Ap為物體與水面的投影面積;vs為物體的入水速度。

當物體在波浪中入水時,考慮物體與波浪面的相對速度,這時,砰擊力可表達為

(2)

砰擊力跟砰擊力系數密切相關,根據DNV-RP-C205以及DNV-RP-H103,對于圓柱體,砰擊力系數取為3。

以12 in立管為例。當浮力裝置安裝到立管上,隨立管一起入水時,浮力裝置將受到重力、浮力、波浪水面起伏引起的慣性力與黏性力及波浪砰擊力。此外,立管與浮力裝置隨安裝船起伏運動,自身也會引起一定的慣性力。因此,需同時考慮所有的力,以確定浮力裝置所需緊固力的最大值。

采用OrcaFlex軟件對浮力裝置在安裝入水時的受力進行分析[2-4],相關假設如下。

1)安裝船模型。采用OrcaFlex軟件自帶的船舶模型,長103 m,寬16 m,吃水6.7 m,排水量10 000 t。水動力參數參見OrcaFlex軟件手冊。

2)浮力裝置模型。如圖1所示,浮力裝置通過管卡模塊安裝固定在立管上。

圖1 浮力裝置模型剖面示意

浮力裝置幾何重量特征見表1。

表1 浮力裝置幾何重量特性

浮力裝置水動力系數選取見表2。

表2 浮力裝置水動力系數特性

3)安裝浮力裝置的立管與安裝船的連接模型。在充分考慮安裝實際工況下,為簡化模型,假設采用一段帶浮力裝置的剛性立管直接與安裝船相連接,且考慮立管與安裝船分別垂直、呈45°、平行3種相對位置,見圖2。

圖2 安裝浮力裝置的立管與安裝船的相對位置示意

針對以上每種相對位置,再分別考慮浮力裝置中心點距離水面1、0、-1、-2 m四種情況,即總共考察12組工況條件下浮力裝置的受力情況。

4)立管安裝的海況參數。考慮安裝海況為:5級海況,Hs=2.5 m,Tz=5 s,流速1.5 m/s,考慮波浪為迎浪情況(此時安裝船縱搖較嚴重)。

1.2 抗滑脫力結果分析

對假設的安裝海況下,12組工況條件進行分析,立管與安裝船垂直且浮力裝置中心點距離水面0 m時,即垂直&0 m工況條件下,浮力裝置所受豎向波浪砰擊力時程示例、浮力裝置所受水平向波浪砰擊力時程示例及浮力裝置所受沿立管軸向連接力時程示例見圖3～5。浮力裝置所受豎向砰擊力、水平向砰擊力以及軸向連接力的最大值見表3。

表3 12組工況條件下,浮力裝置所受砰擊力及軸向連接力最大值 kN

圖3 浮力裝置所受豎向砰擊力時程示例

圖4 浮力裝置所受水平向砰擊力時程示例

圖5 浮力裝置所受沿立管軸向連接力時程

可以看出,浮力裝置沿立管軸向所受連接力最大為16 kN,意味著需要至少16 kN的緊固力,才能夠保證在目前假設的安裝工況下浮力裝置安裝下水時不發生滑脫。

2 服役階段浮力裝置的抗滑脫力

2.1 計算模型

以1 500 m水深、懶波型立管為例,將浮力裝置安裝固定在立管上,采用OrcaFlex軟件,對一定的極限服役條件下,浮力裝置所受的緊固力值進行模擬分析。相關假設如下。

1)FPSO船舶模型。FPSO模型長250 m,寬40 m,吃水17 m,排水量150 000 t。該船模型由OrcaFlex軟件自帶103 m船按等比尺放大2.5倍得到,其水動力特性參見OrcaFlex軟件手冊。

2)浮力裝置模型。浮力裝置模型和1.1節中的浮力裝置模型一致,其特性見表1、2。

3)立管特性。以12 in柔性立管為例,考察安裝浮力裝置的立管在一定的極限海況下浮力裝置所需緊固力值,該立管基本特性見表4。

表4 12 in柔性立管參數特性

4)立管線型設計。立管與FPSO連接點位于船底中心,往船艏方向70 m中心線上,離開角12°,立管海底錨固點距離FPSO中心水平距離1 700 m,立管總長2 800 m。其中,立管從FPSO向下伸出的第一段光管段長800 m,中間安裝浮力裝置段長500 m,連接海底光管段長1 500 m。FPSO處于平衡位置時立管的波型見圖6。

圖6 FPSO平衡位置時,立管的幾何特征

其中,FPSO處于平衡位置時,立管第一段底部最低點距離泥面1 010 m,中間安裝浮力裝置段立管頂部距離海平面390 m,臥泥段長500 m,這樣的布置形式既可以保證立管不受海面船舶的影響,同時又能夠減輕立管底部觸泥點位置的受力。

2.2 抗滑脫力結果分析

2.2.1 靜力分析

考慮1 500 m水深的8%,即120 m作為FPSO最大水平偏移量,考察FPSO最遠偏移時立管的最大張力值。結果表明:采用選定的浮力裝置布置數量和形式,立管的最大張力為300 kN(小于1 500 kN),可以保證在FPSO最遠端位移值時,滿足立管安全要求。見圖7、8。

圖7 FPSO最遠端位移時,立管幾何特征

圖8 FPSO最遠端位移時,立管全管段最大張力值

此外,分析FPSO最近偏移時立管的最小彎曲半徑值,結果表明,采用選定的浮力裝置布置數量和形式,立管最小彎曲半徑為50 m(大于10 m的MBR要求),可以保證在FPSO最近端位移值時,立管的最小彎曲半徑滿足安全要求。見圖9、10。

圖9 FPSO最近端位移時,立管的幾何特征

圖10 FPSO最近端位移時,立管全管段最小彎曲半徑值

對安裝浮力裝置假設模型的立管靜力分析結果表明:上述模型中立管及浮力裝置的布置形式,是一種較為合理的立管線型,能夠滿足立管的服役安全要求。

2.2.2 動力分析

假設極端服役海況如下:波浪Hs=12 m,Tz=12 s,流速1.5 m/s。FPSO在極端波浪作用下產生劇烈的波頻運動,帶動立管與浮力裝置在水下振動。

在計算FPSO的運動響應時,分別取FPSO所處3種位置,分別考慮3種波浪對FPSO的攻角,即總共9種工況條件。

此外,考慮到浮力裝置布置較多,采用分步式等效模型,僅在立管頂部布置12個離散型浮力裝置,以便分析浮力裝置的受力,模型見圖6。

FPSO平衡位置及0°波浪攻角工況條件下,浮力裝置沿立管軸向所受連接力,即浮力裝置所需緊固力時程見圖11。9組工況條件下浮力裝置所受軸向連接力最大值見表5。

表5 9組工況條件下,浮力裝置所;受軸向連接力最大值 kN

圖11 浮力裝置軸向連接力時程示例

安裝浮力裝置的立管動力分析結果表明,浮力裝置所受軸向連接力最大為4 kN,即浮力裝置與立管之間所需的緊固力最大為4 kN,意味著需要至少4 kN的緊固力,可保證在目前假設的服役工況下浮力裝置服役運行時不發生滑脫。

3 結論

對于海洋立管浮力裝置抗滑脫力的計算取值,安裝工況為控制工況,需要特別注意;服役工況為非控制工況,可用于具體取值的校核。但對于實際的海洋立管浮力裝置工程設計,還需針對具體的實際立管情況與服役海況條件等進行所需緊固力的驗算。

所述浮力裝置的設計凈浮力為3.8 kN,浮力裝置的抗滑脫力取值為16 kN,浮力裝置抗滑脫力的取值是其設計凈浮力的4.2倍。國際上浮力裝置制造商一般都是按照浮力裝置設計凈浮力的4倍取值,仿真分析結果與此相吻合,也佐證了本文數值方法的合理性。