唐友剛，肖泥土，陳勃任，何 鑫，王泳輝

(1. 天津大學 建筑工程學院水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 2. 煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

八角形FPSO與穿梭油輪串靠外輸中碰撞風險分析

唐友剛1，肖泥土1，陳勃任1，何 鑫1，王泳輝2

(1. 天津大學 建筑工程學院水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 2. 煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

針對300 m作業(yè)水深下的八角形FPSO，提出采用穿梭油輪串靠的外輸作業(yè)方案，研究外輸過程中穿梭油輪與FPSO之間由于過分縱蕩運動而引起的碰撞風險發(fā)生概率。建立由八角形FPSO及其系泊系統(tǒng)、穿梭油輪、系泊大纜等組成的浮式多體系統(tǒng)分析模型，在外輸海況條件下，得到穿梭油輪與FPSO間距的時歷曲線，結合極值理論，對過分縱蕩運動進行預報，進而對外輸系統(tǒng)的碰撞風險進行分析；揭示海流的方向變化對于外輸系統(tǒng)碰撞風險的影響規(guī)律。

串靠外輸；八角形FPSO；極值分布；碰撞風險

Abstract: A tandem offloading scheme is proposed for octagonal FPSO in 300 m of working depth. This paper focuses on studying the collision risk probability due to extent surge motion between FPSO and shuttle tank. The floating multi-body system which consists of FPSO and its mooring system, shuttle tanker, hawser etc. is set up for analysis. Based on the calculated time history curve and extreme value theory, the collision risk prediction of the offloading system is carried out which reveals the rule of the influence caused by different current direction.

Keywords: tandem offloading; octagon FPSO; extreme value distribution; collision risk

針對淺水小型油田和邊際油田的開發(fā)，范模[1]提出了八角形FPSO結構形式，其各向環(huán)境力基本相同，更有利于采用多點系泊系統(tǒng)，相比于船型FPSO采用的單點系統(tǒng)，可以大大降低系泊系統(tǒng)的復雜性和造價。近年來的研究工作，主要集中在八角形FPSO的外形、水動力和運動響應的研究，而對于此類結構輸油方式和輸油過程的碰撞風險研究較少。

國內外學者對于船型FPSO串靠外輸也展開了一系列的研究。Morandini C等人提出了FPSO串靠外輸過程中的設計狀態(tài)和安全準則等[2]；孫海等根據(jù)最弱失效模式組理論對FPSO外輸中的斷纜可靠性進行了計算，得出FPSO系泊系統(tǒng)和大纜的可靠性指標，表明在雙纜的配置下外輸可靠性明顯提高[3]；首爾國立大學的DONG H Lee等人針對串靠系統(tǒng)，進行了穩(wěn)定性等研究，揭示了油輪魚尾運動的極限環(huán)機理，發(fā)現(xiàn)海流與風的速度比對于魚尾運動影響明顯，而纜長對其影響不大[4]；趙文華等研究了與FPSO類似的FLNG串靠外輸系統(tǒng)的設計問題，結果表明外輸間距及FLNG與LNG船之間的連接方式都對外輸操作的安全性和穩(wěn)定性有顯著影響[5]。

FPSO作為油氣生產(chǎn)、加工、儲存的綜合系統(tǒng)，一旦發(fā)生碰撞、火災甚至爆炸事故會引起嚴重的生命、環(huán)境、財產(chǎn)等方面的損失。2015年2月，巴西國油的“Cidade de Sao Mateus”號FPSO由于天然氣泄漏而發(fā)生爆炸，造成至少9人死亡與失蹤，另有多人受傷[6]。根據(jù)IMCA(International Marine Contractors Association)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[7]，記錄的98 500次海上原油外輸作業(yè)中，發(fā)生過分縱蕩運動(穿梭油輪向前偏移)的事件162起，引發(fā)碰撞事故的7起。對于外輸狀態(tài)的FPSO，其與穿梭油輪、連接大纜等組成一個復雜的多體動態(tài)系統(tǒng)，如果發(fā)生碰撞事故，會造成嚴重的人員傷亡、環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。八角形FPSO作為新的結構形式，有必要對其外輸碰撞風險進行研究。本文考慮300 m作業(yè)水深的八角形FPSO，針對串靠外輸方案，建立了八角形FPSO、大纜及穿梭油輪多體系統(tǒng)耦合的分析模型，通過耦合動力響應分析，得到穿梭油輪與FPSO的外輸間距時歷數(shù)據(jù)，結合極值理論對其外輸過程中可能發(fā)生的碰撞風險進行評估。

1 外輸系統(tǒng)描述

如圖1所示，在八角形FPSO主甲板的一邊上設置用于外輸連接的系泊大纜(hawser)和輸油軟管(hose)的接頭。大纜連接處允許其發(fā)生左右約90°的旋轉，以適應不同的環(huán)境載荷方向。在穿梭油輪的尾部，輔以限位拖輪以保證外輸操作的安全進行。在主外輸作業(yè)區(qū)的對稱位置設置副外輸作業(yè)區(qū)，以保證在反向的環(huán)境條件下外輸工作也能順利實施。

圖1 八角形FPSO串靠外輸布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

名稱數(shù)值主甲板尺度/m71×71平臺尺度/m65×65型深/m29．0滿載吃水/m17．0排水量/t61000壓載吃水/m10．5排水量/t38300

采用ANSYS分別對八角形FPSO和穿梭油輪(tanker)建立幾何模型(geometry model)，并導出用于AQWA進行水動力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的結構主要參數(shù)見表1，穿梭油輪的滿載排水量為44 430 t，壓載排水量為26 120 t。

八角形FPSO采用多點系泊的方式進行定位。在300 m水深，采用3組系泊纜，每組4根的多點系泊方式，每組間隔120°，組內每根系纜間隔5°。每根系泊線由三段組成，靠近FPSO的上端采用150 m長的R4級無檔錨鏈，中間采用900 m的鋼纜，下端采用550 m長的R4級無檔錨鏈，預張力為150 t，具體系泊系統(tǒng)參數(shù)見表2。進行外輸時，F(xiàn)PSO和穿梭油輪通過大纜連接，大纜的主要參數(shù)見表3。

表2 FPSO錨鏈系泊參數(shù)(預張力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring (pretension=150 t)

表3 大纜參數(shù)Tab. 3 Parameters of hawser

2 極值理論

設{x1,x2,…,xn}為滿足獨立同分布F(x)的隨機變量序列，xM=max(x1,x2,…,xn)為其最大值隨機變量，概率分布為F(x)n。當n→時，F(xiàn)(x)n趨于其漸近分布FM(x)。根據(jù)經(jīng)典極值理論，F(xiàn)M(x)可以對應極值I型(Gumbel)、極值II型(Frechet)和極值III型(Weibull)分布[8]。

對于建立的多體耦合動力分析模型，采用不同的隨機種子以生成不同的波高時域歷程，模擬得到FPSO與穿梭油輪間距和連接大纜張力的時程曲線，統(tǒng)計其參數(shù)極值。假設浮體最小間距和大纜最大載荷服從極值I型分布。其分布函數(shù)和概率密度函數(shù)見式(1)和式(2)：

式中：μ表示位置參數(shù)(location parameter),λ表示尺度參數(shù)(scale parameter)。采用矩法[9]對其進行參數(shù)估計，極值變量的均值和方差分別為：

基于以上極值變量隨機分布理論，可對油輪運動和系泊張力進行概率計算分析。

3 數(shù)值計算

通過AQWA-DRIFT模塊對FPSO外輸系統(tǒng)的輸油過程進行時域系泊分析。分析中，計算兩種典型裝載工況：“FPSO滿載-穿梭油輪壓載”和“FPSO壓載-穿梭油輪滿載”；采用定常大小的力模擬穿梭油輪船尾限位拖輪的系柱拖力，取值20 t。時域分析模擬時長3小時，時間步長取0.2 s。確定外輸操作環(huán)境條件如表5所示，取風浪流同向(-135°)進行計算分析。在FPSO滿載工況下，計算得到兩浮體的縱蕩、橫蕩時程曲線及對應的大纜時程曲線，如圖2所示。由于FPSO的三點分布式系泊布置關于外輸時的-135°并不對稱且外輸導纜孔的位置也不在甲板邊的正中間，導致縱蕩與橫蕩結果有一些差距。采用10個不同的隨機種子(Seed)，對得到的FPSO和穿梭油輪的運動時歷數(shù)據(jù)處理得到二者間距l(xiāng)的時歷曲線，統(tǒng)計出每條曲線的最小值，即得到極值樣本。

連接FPSO與穿梭油輪之間的外輸大纜長度為80 m，參考船型FPSO的外輸安全距離以及西江油田終端規(guī)則[7]，定義過分縱蕩運動為二者最小間距60 m。當達到過分縱蕩距離時，由于油輪的操縱反應時間以及海上環(huán)境參數(shù)突變性等因素，F(xiàn)PSO與穿梭油輪可能發(fā)生碰撞事故。

表5 外輸環(huán)境條件Tab. 5 Environmental condition of offloading

圖2 外輸時域歷程曲線Fig. 2 Time series for offloading

圖3 主外輸方向相對縱蕩運動計算結果Fig. 3 Results of excessive relative surge motion for mainly offloading direction

4 結果分析

4.1主外輸穩(wěn)定性

考慮風浪流環(huán)境載荷同向，并在小角度范圍(±15°)內變化，計算得到的外輸最小間距統(tǒng)計結果見圖3，其中，“工況一”表示FPSO滿載狀態(tài)+穿梭油輪壓載狀態(tài)，“工況二”表示FPSO壓載狀態(tài)+穿梭油輪滿載狀態(tài)。

根據(jù)矩法，對圖5中數(shù)據(jù)進行極值I型分布擬合，得到的參數(shù)估計結果以及過分縱蕩運動概率如表6所示?？梢钥闯?，當穿梭油輪處于壓載狀態(tài)時，外輸間距達到過分縱蕩的概率要小于滿載的穿梭油輪狀態(tài)，系統(tǒng)相對穩(wěn)定；環(huán)境載荷方向偏向-15°時，會增大過分縱蕩運動出現(xiàn)的可能性，而±15°兩個方向出現(xiàn)的不對稱性是由于FPSO的三組系纜相對于外輸方向是不對稱的。整體而言，外輸過程中出現(xiàn)過分縱蕩的概率較小，系統(tǒng)是安全穩(wěn)定的。

表6 過分縱蕩運動概率Tab. 6 Probability for excessive relative surge motion

4.2海流方向影響分析

圖4 海流方向影響分析示意Fig. 4 Diagram for influence of current direction

南海海域由于環(huán)境條件的復雜性，極易出現(xiàn)海流與風浪不同向的情況，通常稱為“亂流”現(xiàn)象。如圖4所示，本文分析海流與風浪夾角分別為0°、10°、30°和90°四種情況下外輸過程中穿梭油輪出現(xiàn)過分縱蕩運動的概率大小。從表7可以看出，對于工況一而言，海流方向的改變使過分縱蕩運動出現(xiàn)的概率有所降低；對于工況二，海流方向的改變使過分縱蕩運動出現(xiàn)的概率增大。由4.1的分析可以知道，外輸系統(tǒng)在穿梭油輪壓載時(工況一)是相對穩(wěn)定的，從工況一到工況二對應原油從FPSO中輸送到穿梭油輪上的過程，因此海流方向對于外輸系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在：輸油開始時，海流方向的改變有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小穿梭油輪過分縱蕩運動的出現(xiàn)；而隨著外輸操作的進行，海流方向的變化會不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，增大穿梭油輪過分縱蕩運動出現(xiàn)的概率。該結論與Carlos H Fucatu[10]等人對船型FPSO串靠外輸?shù)暮Ａ饔绊懡Y論類似。

在實際外輸操作過程中，可以通過監(jiān)控實時海流方向，對外輸操作進行干預：調整穿梭油輪尾部輔助拖輪的拖帶力大小或方向，使系統(tǒng)更加趨于穩(wěn)定，當出現(xiàn)海流方向突變或者流速突變時，為防意外發(fā)生可以適時終止外輸操作。

表7 隨海流方向變化的概率值 %Tab. 7 Probability changes with current directions %

5 結 語

通過采用多體耦合動態(tài)時域分析法，結合極值理論對于八角形FPSO串靠外輸過程中穿梭油輪的過分縱蕩運動進行了合理預報。主要研究結論如下：

1)從出現(xiàn)過分縱蕩運動的概率量級上可以看出，外輸中FPSO與穿梭油輪間距小于60 m的概率是極小的，碰撞風險是極小概率事件，這也印證了串靠系統(tǒng)的安全性與可靠性；

2)串靠外輸過程中，穿梭油輪壓載狀態(tài)下過分縱蕩運動出現(xiàn)的概率要明顯小于滿載狀態(tài)，說明隨著外輸?shù)倪M行，由FPSO、穿梭油輪、連接大纜和輔助拖輪組成的多體系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，油輪出現(xiàn)過分縱蕩運動的概率增加；

3)穿梭油輪壓載時，波浪與海流同向，使得過分縱蕩運動出現(xiàn)的可能性增加，不利于系統(tǒng)安全；穿梭油輪滿載時，波浪與海流同向則會降低過分縱蕩運動出現(xiàn)的概率，有利于外輸作業(yè)。在流速和波浪參數(shù)不變情況，壓載情況油輪質量減小所以縱蕩運動增加。實際外輸操作中應當關注壓載外輸作業(yè)。

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Risk analysis of collision for octagonal FPSO in tandem offloading operation

TANG Yougang1, XIAO Nitu1, CHEN Boren1, HE Xin1, WANG Yonghui2

(1. School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Yantai CIMC Raffles Offshore Co.Ltd, Yantai 264000, China)

1005-9865(2017)02-0007-06

U661.43

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.002

2016-01-26

國家工業(yè)與信息化部資助項目(G014614002)

唐友剛(1952-), 男, 河北保定人, 博士, 教授, 博導, 主要研究船舶與海洋工程結構風險分析。 E-mail:tangyougang_td@163.com