施興華， 路 瑞， 杭 岑， 嵇春艷

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江212003； 2. 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

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深水FPSO船體與系泊的時(shí)域耦合分析

施興華1， 路 瑞1， 杭 岑2， 嵇春艷1

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江212003； 2. 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

為了得到特定海況下合理的系泊方式，基于時(shí)域耦合理論，采用SESAM軟件建立FPSO船體和系泊系統(tǒng)的耦合分析模型，從FPSO船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系纜張力兩個(gè)角度，分別研究了張緊式系泊和懸鏈?zhǔn)较挡础吸c(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊、單點(diǎn)系泊組式和分式布置、張緊式系泊張緊角、單點(diǎn)系泊風(fēng)浪流夾角，以及月池開孔等因素對(duì)FPSO動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，對(duì)工作于惡劣海況的FPSO采用單點(diǎn)張緊式系泊的組式布置更為合理。且張緊角在30°~45°之間時(shí)，F(xiàn)PSO運(yùn)動(dòng)位移和系纜張力均在安全范圍內(nèi)，F(xiàn)PSO水平運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)載荷較為敏感，系纜張力值對(duì)流的入射方向較為敏感。

深水FPSO；系泊；時(shí)域耦合分析；系纜張力

0 引言

FPSO具有投資小、開采風(fēng)險(xiǎn)低、施工周期短、建造質(zhì)量好、建造費(fèi)用對(duì)水深和海底地質(zhì)條件不敏感、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。FPSO通常被系泊系統(tǒng)定位于某一固定海域，進(jìn)行長期的海上油氣開發(fā)，不同于常規(guī)的運(yùn)輸船舶，F(xiàn)PSO在生產(chǎn)工況下，要求系泊系統(tǒng)能夠限制其運(yùn)動(dòng)，以確保連接在FPSO與海底管道之間的立管不致有較大的偏斜，不會(huì)導(dǎo)致立管破壞，保證連續(xù)的安全生產(chǎn)。因此，必須研究在一段時(shí)間內(nèi)，深水FPSO船體和系泊系統(tǒng)之間的耦合動(dòng)力響應(yīng)，分析選取特定工況下合理的系泊方式。

由于海洋環(huán)境條件復(fù)雜，F(xiàn)PSO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)。Wichers等[1]發(fā)展了全耦合時(shí)域數(shù)值模型，研究了深水系泊纜索和立管阻力系數(shù)對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)和系泊纜索張力的耦合影響。黃祥鹿等[2]對(duì)如何求解系泊浮體在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了一種近似求解方法。Sphaier等[3]運(yùn)用簡(jiǎn)化的船體運(yùn)動(dòng)方程解決了轉(zhuǎn)塔式FPSO系泊系統(tǒng)的靜力問題。朱建等[4]研究了西非海域涌浪對(duì)多點(diǎn)系泊FPSO水動(dòng)力性能的影響。Kim等[5]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了轉(zhuǎn)塔式FPSO的船體與系泊的耦合運(yùn)動(dòng)。該文采用時(shí)域非線性方法對(duì)深水FPSO和船體進(jìn)行了耦合計(jì)算，分析了不同系泊方式、張緊角、風(fēng)浪流和月池開孔對(duì)系泊的影響。

1 系泊系統(tǒng)概述

1.1 系泊系統(tǒng)分類

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)允許FPSO繞著某一個(gè)基點(diǎn)(FPSO中線面靠近船艏位置)產(chǎn)生風(fēng)標(biāo)效應(yīng)而旋轉(zhuǎn)，使得FPSO的船艏始終指向外載荷合力最小的方向，減小系統(tǒng)所需要的總系泊力。由于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)具有水深適應(yīng)范圍大、可系泊超大型FPSO或油輪、抵抗海洋環(huán)境能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。當(dāng)浮體長寬比約等于1，或者工作海域的海況較為緩和，或者環(huán)境力的方向性較為單一時(shí)，可以考慮使用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。

圖1 懸鏈?zhǔn)较挡捶绞绞疽鈭D

圖2 張緊式系泊方式示意圖

相對(duì)于單點(diǎn)系泊，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)制造技術(shù)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，專利技術(shù)少，在國際上沒有被壟斷。但是缺點(diǎn)也是明顯的：(1) 多點(diǎn)系泊系統(tǒng)有一個(gè)相當(dāng)大的系泊線輻射范圍；(2) 外輸油輪難于直接旁靠FPSO；(3) 對(duì)于淺水海域使用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)考慮系泊線對(duì)航行船舶的影響。因此，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要用于原油外輸頻率低，環(huán)境條件溫和的海域[6]。

1.2 系泊方式

1.2.1 懸鏈?zhǔn)较挡?/p>

懸鏈?zhǔn)较挡捶绞街?，由錨鏈、鋼纜，或兩者組合形成的單根系泊線連結(jié)在浮體和錨之間，如圖1所示。當(dāng)浮體在環(huán)境載荷的影響下發(fā)生位移時(shí)，附連在其水下表面的系泊線將提升或下放海床，致使系泊線張力增加或減小，系泊系統(tǒng)通過多根系泊線組合形成的非線性回復(fù)力來實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的定位。常規(guī)設(shè)計(jì)的系泊線與海底水平相接，此時(shí)系錨點(diǎn)只受水平方向的力，使得錨的抓力得到充分發(fā)揮，防止走錨。但是，該理論忽略了系泊鏈?zhǔn)芩畡?dòng)力而產(chǎn)生的位移以及軸向拉伸對(duì)浮體的影響。

1.2.2 張緊式系泊方式

深水系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大問題是垂向載荷增加、水平回復(fù)力降低和FPSO的漂移增大。對(duì)于懸鏈系泊系統(tǒng)而言，水越深，系泊線直徑越大，質(zhì)量也就越大，而系泊線的懸鏈部分的質(zhì)量全部由船體承擔(dān)，因而FPSO的載重量就會(huì)減小，因此需要降低系泊線單位長度質(zhì)量。

深水FPSO常選用張緊式系泊方式，如圖2所示。采用輕質(zhì)合成纖維材料的張緊式系泊線，較好地解決了鋼質(zhì)系泊線的尺度和質(zhì)量隨水深不斷增加的弊端，輻射范圍比懸鏈線式小很多，減小了系泊線的長度。

2 時(shí)域耦合分析

2.1 張緊式系泊和懸鏈?zhǔn)较挡磳?duì)系泊性能的影響

圖3 耦合分析模型

懸鏈?zhǔn)较挡匆话悴捎萌问交蛘咚亩问?，由鋼鏈和鋼纜間隔布置而成，回復(fù)力主要來自其自身重力[7]。隨著水深的增加，懸鏈?zhǔn)较挡吹闹亓恳矔?huì)逐漸增加，導(dǎo)纜孔處張力傾角減小，造成系泊系統(tǒng)的有效性降低。張緊式系泊可適用于較深水域，系泊纜以一定的角度到達(dá)海底，其回復(fù)力來自系泊纜的彈性伸長，通常采用三段式，兩端為鋼鏈，中間為合成纖維材料。這類系泊從平臺(tái)導(dǎo)纜孔到海底錨處，幾乎呈現(xiàn)直線型，可以有效的減少與附近其他水下設(shè)施碰撞的危險(xiǎn)。

FPSO工作于中國南海海域，其工作水深為1 500 m。表1給出了中國南海海域百年一遇的極限海況，表2給出了懸鏈?zhǔn)较挡春蛷埦o式系泊的系泊纜主要參數(shù)，圖3給出了FPSO及其系泊系統(tǒng)耦合分析模型。

表1 環(huán)境參數(shù)

表2 懸鏈?zhǔn)较挡蠢|和張緊式系泊纜主要參數(shù)

表3 張緊式、懸鏈?zhǔn)较挡磳?duì)系泊性能的影響

由表3可知，從FPSO六個(gè)自由度的最大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可看出，在1 500 m深水海域，張緊式系泊和懸鏈?zhǔn)较挡催@兩種方式的系泊定位性能相當(dāng)。然而，張緊式系泊的系泊纜張力和系泊纜濕重遠(yuǎn)小于懸鏈?zhǔn)较挡?，而且，隨著水深的增加，懸鏈?zhǔn)降南挡蠢|長度將逐漸增加，不利于海底管道和設(shè)備的布置，所以對(duì)于工作在深水海域的FPSO，張緊式系泊方式更加合適。

2.2 單點(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊對(duì)系泊性能的影響

研究多點(diǎn)系泊和單點(diǎn)系泊對(duì)南海海域FPSO系泊性能的影響，計(jì)算模型如圖4所示，單點(diǎn)、多點(diǎn)系泊對(duì)系泊性能的影響見表4。

圖4 耦合分析模型

響應(yīng)單點(diǎn)系泊多點(diǎn)系泊響應(yīng)單點(diǎn)系泊多點(diǎn)系泊縱蕩/m-35.236-33.793橫搖/(°)8.472-9.322橫蕩/m11.69311.762縱搖/(°)-5.1544.876垂蕩/m-4.080-4.192艏搖/(°)5.5539.262系纜張力/kN3918.543613.33

由表4可知，單點(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊方式下的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖以及系纜張力的最大值幾乎相等，但多點(diǎn)系泊下的最大艏搖角比單點(diǎn)系泊的大，說明當(dāng)FPSO 遭遇惡劣環(huán)境時(shí)，由于單點(diǎn)系泊具有良好的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，可及時(shí)調(diào)整船體模態(tài)，使艏搖角變小，而多點(diǎn)系泊無法調(diào)整船體模態(tài)，使其具有較大的艏搖角。對(duì)于工作在較為惡劣海況下的FPSO，更適合采用單點(diǎn)系泊進(jìn)行錨泊定位。此外，給出FPSO縱蕩、橫蕩、系纜張力的時(shí)歷曲線，可以更為明確地掌握單點(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊的運(yùn)動(dòng)過程，如圖5所示。

圖5 單點(diǎn)系泊和多點(diǎn)系泊縱蕩、橫蕩、系纜最大張力時(shí)歷曲線

2.3 系纜組式、分式布置對(duì)系泊性能的影響

對(duì)于采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊深海作業(yè)的FPSO，系泊系統(tǒng)采用散射布置還是采用分組式布置將對(duì)空間布置產(chǎn)生重大影響，圖6為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊的耦合模型，表5給出了組式、分式對(duì)應(yīng)的縱蕩、橫蕩以及最大張力的響應(yīng)對(duì)比。

圖6 耦合分析模型

表5 組式、分式對(duì)系泊性能的影響

圖7 四種不同夾角的系泊布置方式

由表5可知，組式布置的系泊纜的最大張力要比分式布置的小，同時(shí)組式布置對(duì)船體的縱蕩響應(yīng)也略小于分式布置，這是由于在遇到惡劣海況時(shí)，組式布置的系泊方式抵抗環(huán)境載荷的系泊纜的根數(shù)較多，而分式布置的作用較分散，所造成分式布置的動(dòng)力響應(yīng)都偏大。因此在該文的環(huán)境工況下，建議系纜以組式布置更為合理。

2.4 張緊角對(duì)張緊式系泊性能的影響

張緊式系泊在初始時(shí)刻，系泊纜處于緊繃狀態(tài)，F(xiàn)PSO系纜作用力由系泊纜與水平面的夾角決定。為了研究系泊纜與水平面夾角對(duì)系泊性能的影響，選取30°、35°、40°、45°四種張緊角，系纜布置方式如圖7所示，四種系泊布置方式下系泊纜各分段長度見表6，計(jì)算結(jié)果見表7。

表6 四種系泊布置方式下系纜長度

表7 張緊角對(duì)系泊性能的影響

由表7可知，隨著系纜與水平面夾角的逐漸增大，F(xiàn)PSO船體的縱蕩響應(yīng)具有較明顯的增大趨勢(shì)，橫蕩運(yùn)動(dòng)和艏搖運(yùn)動(dòng)具有小幅的減小趨勢(shì)，而垂蕩、橫搖和縱搖值變化較小，此外，系纜的最大張力也隨著夾角的增加而逐漸增加。FPSO六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的最大值以及系泊纜的最大張力均在相關(guān)許用范圍內(nèi)，可以安全地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，因此，深水FPSO的張緊式系泊方式的系纜與水平面的的初始夾角可以控制在30°~45°范圍內(nèi)，且較小夾角的系泊性能更優(yōu)。

2.5 風(fēng)浪流不同方向?qū)埦o式系泊性能的影響

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)具有良好的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，比較適用于較為惡劣的海域，比如中國的南海海域。在FPSO所采用的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊系統(tǒng)最為廣泛，常用于中等水深和深海區(qū)域。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)PSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的最大值以及系泊張力的最大值可能出現(xiàn)在風(fēng)、浪同向，流與風(fēng)、浪成0°、30°、45°、90°角；浪、流同向，風(fēng)與浪、流成30°、45°、90°等工況。

針對(duì)水深為1 500 m的張緊式單點(diǎn)系泊FPSO，按照表2設(shè)計(jì)的系泊形式和組合纜材料，對(duì)不同風(fēng)、浪、流方向組合工況下的FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況見表8。

表8 計(jì)算工況

2.5.1 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

假定波浪入射方向不變，當(dāng)風(fēng)浪同向時(shí)改變流的入射方向，當(dāng)浪流同向時(shí)改變風(fēng)的入射方向，得到水平位移的結(jié)果見表9。

表9 不同工況下的最大水平位移

由表9可知，當(dāng)風(fēng)浪同向，來流與浪的夾角從0°增大到90°，F(xiàn)PSO的縱蕩位移逐漸減小，其橫蕩位移逐漸增大且變化幅度較大。當(dāng)浪流同向，隨著風(fēng)與浪向的夾角從0°增大到90°，F(xiàn)PSO的縱蕩位移逐漸減小，其橫蕩位移逐漸增大。風(fēng)、浪、流載荷中風(fēng)載荷或者流載荷與另外兩個(gè)之間有夾角時(shí)，斜風(fēng)作用下的水平位移比斜流作用下的大，說明風(fēng)載荷對(duì)FPSO水平運(yùn)動(dòng)的影響較為明顯。

圖8描述了七種工況下的三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的最大值和標(biāo)準(zhǔn)差。最大值是FPSO各自由度上的最大偏移，標(biāo)準(zhǔn)差可以理解為FPSO運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。FPSO斜風(fēng)、頂流、頂浪時(shí)的偏移量比斜流、頂風(fēng)、頂浪時(shí)的偏移量大。隨著風(fēng)、流的入射方向與浪的入射方向之間的夾角從0°變化到90°，F(xiàn)PSO的橫蕩及艏搖位移隨之增加，其縱蕩位移隨之減小，同時(shí)斜風(fēng)比斜流的橫蕩及艏搖運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性差。隨著來風(fēng)、流方向與來浪方向之間夾角的增加，F(xiàn)PSO縱蕩運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性變化不大。

圖8 不同工況下水平方向運(yùn)動(dòng)

2.5.2 系泊纜張力

FPSO的系纜布置方式如圖6所示，假定位于船艏位置的系纜為A組纜，以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，依次為B、C、D，系纜編號(hào)依次為1#、2#、3#……16#。圖9為7種工況下，A/B/C/D四組纜中受力最大的系泊纜的統(tǒng)計(jì)圖。

圖9 不同工況下系纜張力統(tǒng)計(jì)圖

圖9描述了不同工況下系纜張力的最大值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。由圖9(a)可知，沿船長方向布置在x軸正方向的A組纜，隨著風(fēng)、流與浪之間夾角的變化，系泊纜的受力相對(duì)較穩(wěn)定，但是標(biāo)準(zhǔn)差較大，所以系纜易疲勞破壞，斜風(fēng)情況下的系纜張力要略大于斜流情況，說明對(duì)于沿船長方向布置在船艏的系纜，斜風(fēng)的影響要大于斜流。由圖9(b)可知，布置在FPSO左舷的B組系纜，在流與浪夾角為45°時(shí)，系纜力突變出現(xiàn)最大值，說明45°斜流對(duì)B組纜影響較大。對(duì)于風(fēng)、流與浪之間夾角的變化，B組纜的受力較敏感，具有較大的不穩(wěn)定性。由圖9(c)可知，相對(duì)于A組纜布置的C組纜，斜流影響比斜風(fēng)大，同時(shí)對(duì)于風(fēng)、流與浪之間夾角的變化，斜流的系纜張力穩(wěn)定性要比斜風(fēng)時(shí)差，且斜流下標(biāo)準(zhǔn)差值較大，系纜更易于破壞。由圖9(d)可知，布置在右舷的D組纜，在橫流下張力突變出現(xiàn)最大值，且斜流下的系纜張力均大于斜風(fēng)下的張力，對(duì)于風(fēng)、流與浪之間夾角的變化，系纜受力較敏感，斜流下的張力穩(wěn)定性要明顯比斜風(fēng)下的差。

2.6 月池開孔對(duì)系泊性能的影響

選取月池開孔距船中90 m和無月池開孔的FPSO船體計(jì)算模型，如圖10所示，計(jì)算結(jié)果見表10。

圖10 時(shí)域耦合模型

表10 月池對(duì)系泊性能的影響

由表10可知，F(xiàn)PSO船體含有月池開孔時(shí)，其縱蕩、垂蕩、縱搖、艏搖以及系泊纜張力相對(duì)于無月池開孔時(shí)有所增大。含月池開孔時(shí)的橫蕩和橫搖相對(duì)于無月池開孔時(shí)有所減小，月池開孔起到一定減搖的作用。這是因?yàn)?，月池開孔的存在對(duì)船體的水動(dòng)力系數(shù)有影響，從而對(duì)系泊性能產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)論

該文研究了深水FPSO在中國南海海域，采用不同系泊方式的系泊性能。此外研究了不同風(fēng)、流與浪之間的夾角及月池對(duì)系泊性能的影響。最后得到如下結(jié)論：

(1) 張緊式系泊比懸鏈?zhǔn)较挡锤舆m用于深水海域，在深水海域懸鏈?zhǔn)较挡吹南道|重量和系纜張力明顯大于張緊式系泊，懸鏈?zhǔn)较挡吹南道|頂端張力極易達(dá)到破斷強(qiáng)度，不適合深水海域。

(2) 對(duì)于工作在中國南海海域的FPSO，單點(diǎn)系泊方式要優(yōu)于多點(diǎn)系泊方式，在惡劣的海況下，由于單點(diǎn)系泊具有良好的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，其艏搖角要小于多點(diǎn)系泊。

(3) 在所有單點(diǎn)系泊方式中，內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊應(yīng)用較為廣泛，在相同系纜，相同環(huán)境條件下，組式單點(diǎn)系泊要優(yōu)于分式布置，在抵抗風(fēng)浪流外環(huán)境時(shí)，組式布置的系泊中有較多系纜可以共同作用抵抗外環(huán)境。

(4) 深水FPSO采用張緊式單點(diǎn)系泊進(jìn)行錨泊時(shí)，張緊角對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力特性具有一定的影響，張緊角不宜過大也不宜過小，一般可取30°~45°。

(5) 斜風(fēng)作用下的水平位移比斜流作用下的大，說明風(fēng)載荷對(duì)FPSO水平運(yùn)動(dòng)的影響更加明顯。此外，系纜張力值對(duì)流的入射方向較為敏感。

(6) 通過對(duì)含有月池開孔的船型和無月池開孔的船型分別進(jìn)行系泊計(jì)算后可知，月池開孔的存在對(duì)FPSO船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系纜的張力都有一定的影響。

[1] Wichers J E, Devlin P V. Effect of coupling of mooring lines and risers on the design values for a turret moored FPSO in deep water of the Gulf of Mexico[C]. Proc. of the 11th ISOPE Conf, Stavanger, Norway, 2001.

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Vessel and Mooring Coupled Analysis of Deepwater FPSO in Time-domain

SHI Xing-hua1, LU Rui1, HANG Cen2, JI Chun-yan1

(1. School of Naval Architrcture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China;2. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.， Ltd, Shanghai 200125, China)

In order to get reasonable mooring pattern in given sea condition, based on time-domain coupling theory, applying the SESAM establish the FPSO vessel and mooring coupled analysis model, From the response of t motion and tension, studying the influence of taut mooring and catenary mooring, single point and spread mooring, group and spread arrangement, angle between line and plane, angle of wind, wave, current and moonpool on mooring performance of FPSO. It is indicated that it is more reasonable to adopt point single point mooring in worse condition. The displacement and tension of FPSO are in the range of safety when the tension angle are between 30 degrees to 45 degrees. It is sensitive of horizontal movement of FPSO to wind, it is sensitive of cabin tension to incident direction of the flow.

deepwater FPSO; mooring; time domain coupled analysis; tension

2015-06-04

國家自然科學(xué)基金(51509113)，江蘇省高校自然基金項(xiàng)目(13KJA570001, 14KJB580005)，江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(CJ1306，CJ1403)。

施興華(1981-)，男，副教授。

1001-4500(2016)01-0060-08

P75

A