趙文華 胡志強(qiáng) 楊建民 李悅喜 謝協(xié)民

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.中海石油(中國(guó))有限公司文昌13-1/2油田作業(yè)公司)

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)通過單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長(zhǎng)期固定于海上進(jìn)行作業(yè),是海洋油氣資源生產(chǎn)的主要設(shè)施。由于海洋環(huán)境條件復(fù)雜,FPSO在惡劣海況下的水動(dòng)力性能及其系泊系統(tǒng)的定位能力一直是研究人員和工程人員關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)FPSO的水動(dòng)力性能開展了大量的研究[1-6],研究手段多采用數(shù)值分析方法、模型實(shí)驗(yàn)方法或二者相結(jié)合的方法。

目前使用較為廣泛的FPSO水動(dòng)力性能分析方法是耦合數(shù)值分析結(jié)合水池模型試驗(yàn)的方法,這種方法依據(jù)水池模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值分析模型進(jìn)行修正,然后通過數(shù)值分析預(yù)報(bào)出不同海況下FPSO的運(yùn)動(dòng)特性及其系泊系統(tǒng)的受力特性,因此對(duì)水池模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴度較高。但是,由于試驗(yàn)縮尺比的影響和水池尺度的限制,水池模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船的真實(shí)運(yùn)動(dòng)特性難免存在一定的誤差,從而導(dǎo)致數(shù)值分析預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。通過實(shí)船測(cè)量獲得 FPSO船體的運(yùn)動(dòng)特性以及系泊系統(tǒng)的受力特性是研究FPSO水動(dòng)力性能最為理想的方法,但在現(xiàn)階段技術(shù)條件下,僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)FPSO船體活動(dòng)的實(shí)船測(cè)量,尚無法實(shí)現(xiàn)對(duì)系泊系統(tǒng)的實(shí)船測(cè)量,在這種情況下,通過實(shí)船測(cè)量獲得 FPSO的運(yùn)動(dòng)特性,并通過數(shù)值分析方法獲得系泊系統(tǒng)載荷數(shù)據(jù),是獲得較準(zhǔn)確結(jié)果的最佳方法之一。在獲得FPSO的實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的前提下,通過非耦合分析技術(shù)對(duì)系泊系統(tǒng)載荷進(jìn)行推算,可以獲得較利用數(shù)值分析與水池模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的耦合分析技術(shù)更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

中國(guó)海洋石油總公司委托上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2007年始開展了為期25個(gè)月的南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)特性實(shí)測(cè)工作1),獲得了大量的第一手實(shí)船測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的第一手實(shí)船測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)業(yè)界普遍采用的FPSO水動(dòng)力性能分析數(shù)值模型進(jìn)行了修正。以南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO為研究對(duì)象,利用修正后的數(shù)值模型,將實(shí)船測(cè)量得到的單點(diǎn)處的船體六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為輸入項(xiàng),開展了FPSO系泊系統(tǒng)載荷計(jì)算,并對(duì)其在惡劣海況下的定位能力進(jìn)行了評(píng)估。

1 南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)特性實(shí)測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析

南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO船體主要參數(shù)如表1所示,其系泊系統(tǒng)由3組錨鏈(每組3根)組成,相鄰2組錨鏈間夾角為120°,同一組錨鏈中相鄰2根錨鏈間夾角為 5°(圖 1),每根錨鏈均由“鏈—纜—鏈—纜”4段組成,每根錨鏈的預(yù)張力為330 kN、錨鏈長(zhǎng)度為900 m、水平跨距為877 m。南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)錨鏈組成及屬性見表2。

表1 南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO船體主要參數(shù)

圖1 南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)布置俯視圖

本次研究中,海洋環(huán)境條件選取2009年臺(tái)風(fēng)季節(jié)南海遭遇的2次典型臺(tái)風(fēng),分別是8月7日的“天鵝”臺(tái)風(fēng)和9月10日的“彩虹”臺(tái)風(fēng),這2次臺(tái)風(fēng)對(duì)南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO所在的文昌13-1/2油田的影響比較顯著,其中“天鵝”臺(tái)風(fēng)對(duì)油田影響的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),而“彩虹”臺(tái)風(fēng)中心距油田很近。選擇臺(tái)風(fēng)影響過程中FPSO垂蕩運(yùn)動(dòng)幅度最大的3 h為過境過程:“天鵝”臺(tái)風(fēng)為2009年8月7日21—24時(shí);“彩虹”臺(tái)風(fēng)為2009年9月10日15—18時(shí)。

表2 南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)錨鏈組成及屬性

在“天鵝”臺(tái)風(fēng)過境的3h中,文昌13-1/2油田的海洋環(huán)境條件為:有義波高3.3 m;譜峰周期13.1 s;最大風(fēng)速 11.7 m/s;表面流速 0.382 m/s。后1.5 h過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線如圖2所示(前1.5h時(shí)歷曲線特征與后1.5h基本一致),過境3h內(nèi)南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表3。

圖2 “天鵝”臺(tái)風(fēng)后1.5h過境過程中實(shí)測(cè)的南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線

表3 “天鵝”臺(tái)風(fēng)過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)特性統(tǒng)計(jì)值

為了更進(jìn)一步研究惡劣海況下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況,采用譜分析技術(shù)對(duì)“天鵝”臺(tái)風(fēng)過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行譜分析,得到了圖3所示的FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜。

在“彩虹”臺(tái)風(fēng)過境的3h中,文昌13-1/2油田的海洋環(huán)境條件為:最大風(fēng)速22.5 m/s,表面流速0.455 m/s,海洋實(shí)測(cè)過程中的波浪數(shù)據(jù)缺失(FPSO的運(yùn)動(dòng)時(shí)歷是完整的,故不影響本研究方法的計(jì)算)。后1.5 h過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線如圖4所示(前1.5 h時(shí)歷曲線特征與后1.5 h基本一致),過境3h內(nèi)南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表4。

表4 “彩虹”臺(tái)風(fēng)過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)特性統(tǒng)計(jì)值

同樣,為了更進(jìn)一步研究惡劣海況下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況,采用譜分析技術(shù)對(duì)“彩虹”臺(tái)風(fēng)過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行譜分析,得到了圖5所示的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜。

從圖2和圖4可以看出,南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的縱蕩、橫蕩和首搖運(yùn)動(dòng)主要受低頻力的影響,而垂蕩、縱搖和橫搖則主要受波頻力的影響;低頻范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化范圍比波頻范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化范圍要大。因此,南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO在低頻范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響其系泊系統(tǒng)的受力狀態(tài)。從圖3、圖5可以看出,南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平比縱搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平高,圖5所示橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平甚至比縱搖與垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平要大一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖3情況與圖5的差別是由于二者的海洋環(huán)境強(qiáng)度及風(fēng)、浪、流方向的差異性引起的),這一現(xiàn)象表明在惡劣海況下 FPSO的橫搖運(yùn)動(dòng)較為劇烈,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖5 “彩虹”臺(tái)風(fēng)過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜函數(shù)

2 南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)載荷計(jì)算及分析

2.1 有限元模型及計(jì)算思路

FPSO系泊系統(tǒng)載荷計(jì)算與數(shù)值分析采用SESAM軟件的Riflex程序完成,所建立的南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO濕表面有限元模型如圖6所示,南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO系統(tǒng)非耦合分析模型如圖7所示。

圖6 南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO濕表面有限元模型

圖7 南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系統(tǒng)非耦合分析模型

采用非耦合分析技術(shù)對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)載荷進(jìn)行計(jì)算,以實(shí)測(cè)FPSO運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為運(yùn)動(dòng)輸入項(xiàng),具體計(jì)算思路如下:

(1)根據(jù) FPSO測(cè)量點(diǎn)六自由度運(yùn)動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算得到船首單點(diǎn)處的三方向線位移時(shí)歷數(shù)據(jù)。

(2)采用DNV的Deep C軟件建立FPSO系統(tǒng)模型,獲得的模型直接導(dǎo)入Riflex軟件使用。

(3)將船首單點(diǎn)處的三方向線位移時(shí)歷數(shù)據(jù)作為輸入項(xiàng),計(jì)算出在臺(tái)風(fēng)歷程中定位FPSO的9根錨鏈所承受載荷的時(shí)歷數(shù)據(jù),并總結(jié)其統(tǒng)計(jì)特性數(shù)據(jù)。

南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO船首單點(diǎn)三方向線位移運(yùn)動(dòng)計(jì)算流程如圖8所示。

圖8 南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO船首單點(diǎn)三方向線位移運(yùn)動(dòng)計(jì)算流程圖

單點(diǎn)的垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)歷數(shù)據(jù)根據(jù)船中心處垂蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。實(shí)測(cè)獲得的FPSO船體六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)是針對(duì)船體中心而言的,因此將船體中心看作水動(dòng)力學(xué)分析中的參考點(diǎn)。通常情況下,根據(jù)參考點(diǎn)的六自由度運(yùn)動(dòng),可以推導(dǎo)計(jì)算出船體上任意一點(diǎn)的線位移[7],即

式 (1)中 :η1,η2,η3為參考點(diǎn)的線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo) ;×表示矢量積;ω為參考點(diǎn)的角運(yùn)動(dòng)矢量;r為計(jì)算點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的矢量位移。在數(shù)值分析和水池試驗(yàn)研究中,單點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移可以按照下式計(jì)算

根據(jù)式(2)可以獲得船體任意一點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)情況。船體中心處的水平運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)是根據(jù) GPS測(cè)量得到的,根據(jù)船體中心處的水平坐標(biāo),結(jié)合船體首向角數(shù)據(jù),可以計(jì)算出單點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)線坐標(biāo)。船首部單點(diǎn)處的水平運(yùn)動(dòng)線坐標(biāo)可以表示如下:

式(3)、(4)中:x和 y是單點(diǎn)水平線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo);η1和η2是船中參考點(diǎn)的水平線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo);L是參考點(diǎn)到單點(diǎn)的水平距離;φ是船體首向角。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

利用式(4)及實(shí)船測(cè)量得到的船中位置六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷數(shù)據(jù),計(jì)算船首單點(diǎn)位置處的橫向、縱向和垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)歷,并以此作為輸入項(xiàng)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Riflex軟件中進(jìn)行系泊系統(tǒng)的載荷計(jì)算。2次典型臺(tái)風(fēng)過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)所受載荷計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值分別列于表5和表6,其受力最大系泊纜所受載荷時(shí)歷曲線如圖9和圖10所示。

表5 “天鵝”臺(tái)風(fēng)過境時(shí)南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)載荷統(tǒng)計(jì)值 (N)

表6 “彩虹”臺(tái)風(fēng)過境時(shí)南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的系泊系統(tǒng)載荷統(tǒng)計(jì)值 (N)

從表5和表6可以看出,在相同海洋環(huán)境條件下,FPSO不同錨鏈所受載荷差異較大,最大載荷與最小載荷之間相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。分析認(rèn)為,造成錨鏈?zhǔn)芰Σ町惖脑蚩梢詺w結(jié)為系泊轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的風(fēng)標(biāo)效應(yīng),由于FPSO可以繞系泊轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)至船體受外力最小的浪向上,故不同位置處系泊系統(tǒng)受力情況會(huì)有較大差異。從圖9和圖10可以看出,即使同一根錨鏈在不同時(shí)刻所受的拉力也有很大差異,表明在這2次臺(tái)風(fēng)過程中,南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO所受環(huán)境載荷變化較大。比較表5、表6及表2數(shù)據(jù)可知,南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,所受載荷在2次典型臺(tái)風(fēng)過程中均處于安全范圍之內(nèi)。據(jù)此可以認(rèn)為,在等級(jí)為熱帶風(fēng)暴及熱帶風(fēng)暴以下的熱帶氣旋下,南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO無須解脫避航。

3 結(jié)論

(1)通過實(shí)船測(cè)量獲得的南海“奮進(jìn)號(hào)”FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù),對(duì)于FPSO水動(dòng)力特性研究具有重要意義。

(2)以監(jiān)測(cè)到的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)作為數(shù)值分析模型的輸入項(xiàng),運(yùn)用可靠性較高的Riflex軟件對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)開展載荷計(jì)算,可獲得系泊系統(tǒng)在惡劣海況下的受力情況,在此基礎(chǔ)上可對(duì)系泊系統(tǒng)的定位能力進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而驗(yàn)證系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

(3)根據(jù)實(shí)船測(cè)量獲得的“天鵝”和“彩虹”臺(tái)風(fēng)過境過程中南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù),以及在此基礎(chǔ)上對(duì)其系泊系統(tǒng)的載荷計(jì)算結(jié)果,可以判定在等級(jí)為熱帶風(fēng)暴及熱帶風(fēng)暴以下的熱帶氣旋下,南?！皧^進(jìn)號(hào)”FPSO無須解脫避航。

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