劉 驕， 唐友剛， 何 鑫， 孫麗萍2， 付禮鵬

(1．天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072；2．哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

FPSO是對(duì)開采的石油進(jìn)行油氣分離、含油污水處理、動(dòng)力發(fā)電和供熱以及集原油產(chǎn)品的儲(chǔ)存和外輸為一體的大型海洋工程裝備。隨著中國海洋資源開發(fā)的不斷發(fā)展，以及對(duì)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷提高，對(duì)FPSO的風(fēng)險(xiǎn)研究提出了很高要求，系統(tǒng)掌握FPSO風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)和基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方法成為了風(fēng)險(xiǎn)研究的目標(biāo)。

近年來，由于內(nèi)轉(zhuǎn)塔錨鏈系泊的通用性，對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)塔式FPSO的風(fēng)險(xiǎn)研究主要集中在系泊系統(tǒng)：景勇[1]對(duì)比轉(zhuǎn)塔式與散射式兩種系泊方式，定性地給出各自的風(fēng)險(xiǎn)因素；李鵬[2]介紹內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)失效模式及相關(guān)技術(shù)內(nèi)容；劉樹曉等[3]通過數(shù)值模擬研究吃水、錨鏈、配重等因素對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊剛度的影響，提出安全性設(shè)計(jì)方案；SII等[4]基于近似推理的方法，討論風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，并對(duì)轉(zhuǎn)塔系泊進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；朱為全等[5]用數(shù)值模擬的方法分析內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)浮筒靜密封失效的原因，提出設(shè)計(jì)上的改進(jìn)意見。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔浮筒是連接船體與系泊線的重要裝置，承受3種載荷的作用：徑向、水平和垂直載荷。這些載荷主要由內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)導(dǎo)纜孔的系泊力引起，系泊力通過底部軸承傳到系泊浮筒上。一旦垂直方向的載荷接近或等于鎖緊裝置提供的預(yù)緊力，浮筒與船體上下接合處作用力將很小，二者間靜摩擦力亦將變小，此時(shí)船體極易發(fā)生不繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生圓周切向力，破壞鎖緊裝置，導(dǎo)致浮筒下沉甚至脫落[6]。

針對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，建立FPSO與系泊系統(tǒng)耦合的分析模型，對(duì)模型進(jìn)行時(shí)域分析，得到系泊纜張力時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，計(jì)算浮筒垂直方向所受載荷的時(shí)間歷程曲線，以浮筒垂直方向所受載荷接近或等于鎖緊裝置提供的預(yù)緊力作為浮筒下沉的臨界狀態(tài)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)及可靠性知識(shí)，計(jì)算浮筒下沉脫落發(fā)生的概率，同時(shí)考慮不同預(yù)緊力以及系纜孔位置對(duì)浮筒下沉脫落的影響。

1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)介紹

內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)包括：FPSO、滑環(huán)堆棧、浮筒和水下跨接系統(tǒng)。FPSO船體通過浮筒與系泊系統(tǒng)連接。浮筒內(nèi)部塔結(jié)構(gòu)起到連接系泊與立管系統(tǒng)的作用，浮筒外殼與船體保持相對(duì)靜止，一起繞浮筒轉(zhuǎn)塔做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過滑環(huán)堆棧，實(shí)現(xiàn)FPSO與井口平臺(tái)之間的液體、氣體、動(dòng)力和信號(hào)傳輸。

圖1 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)及浮筒結(jié)構(gòu)

浮筒為圓錐形浮筒。筒的上部設(shè)有一套軸承總成，筒的下部通過眼板與系泊纜相連傳遞系泊張力。通過特定的液壓鎖緊裝置將浮筒上部與船體固定。FPSO通過浮筒上的軸承，在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用下，繞系泊中心漂移或轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)及浮筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。

選取某內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，采用SESAM軟件DeepC模塊進(jìn)行時(shí)域耦合分析[7]。FPSO在滿載工況下主要參數(shù)如表1所示。

表1 滿載工況下FPSO參數(shù)

系泊系統(tǒng)選取3×3形式布置，每組3根纜繩，間距為5°，各組間夾角為120°，系泊纜長度為894 m，兩端點(diǎn)水平距離為873.9 m。

2 系泊系統(tǒng)水動(dòng)力分析方法

時(shí)域耦合分析采用的運(yùn)動(dòng)控制方程[8]為

在FPSO滿載工況下，環(huán)境參數(shù)如表2所示。風(fēng)載荷和流載荷參考OCIMF[9]給出的計(jì)算公式計(jì)算。

表2 環(huán)境參數(shù)

3 數(shù)值模擬

通過SESAM軟件DeepC模塊對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析。DeepC采用HydroD的水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果作為輸入項(xiàng)，其他如風(fēng)流載荷因數(shù)、黏性阻尼系數(shù)等船舶參數(shù)可在DeepC界面內(nèi)直接定義。時(shí)域分析模型如圖2所示。選取FPSO滿載工況，時(shí)域分析模擬時(shí)長為3 h，時(shí)間步長取0.2 s，通過計(jì)算獲取FPSO船首系泊位置在y方向上的運(yùn)動(dòng)歷程如圖3所示。

圖2 時(shí)域耦合分析模型 圖3 船首系泊位置運(yùn)動(dòng)歷程

系泊纜在水中與垂直方向成58°，分別計(jì)算各纜在水平和垂直方向的作用力，得到水平和垂直方向系纜合力的時(shí)間歷程如圖4所示。

圖4 水平方向和垂直方向合力的時(shí)間歷程曲線

圖5 失效概率計(jì)算流程

4 失效概率計(jì)算

失效概率計(jì)算建立在結(jié)構(gòu)可靠性分析的基礎(chǔ)上，流程如圖5所示：首先選取合適的環(huán)境參數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境載荷的響應(yīng)；然后結(jié)合結(jié)構(gòu)自身抗力，通過可靠性安全裕度方程計(jì)算結(jié)構(gòu)失效概率。安全裕度方程[10]為

圖6 浮筒幾何參數(shù)

式中：Z為安全裕度；R為結(jié)構(gòu)自身抗力，式(2)中為最大預(yù)緊力；S為結(jié)構(gòu)所受載荷，式(2)中為浮筒垂直方向受力。

失效概率Pf可定義為

Pf=P{Z≤0}(3)

浮筒在垂直方向受力V計(jì)算公式[11]為

(4)

式中：Fx、Fz為系泊纜在水平、垂直方向上的合力，各參數(shù)意義如圖6所示。

選取內(nèi)轉(zhuǎn)塔浮筒幾何參數(shù)：a=5.175 m，b=3 m，h1=11.185 m，h2=2.175 m，φ=17.19°。代入式(4)有

V=0.323 2Fx+0.927 4Fz(5)

考慮系泊纜張力的不確定性因素，選取每一個(gè)時(shí)間步上的系泊纜在水平和垂直方向合力，代入式(5)進(jìn)行計(jì)算，得到浮筒垂直方向所受載荷V隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。

統(tǒng)計(jì)載荷V的極值并進(jìn)行擬合，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)其符合極值I型分布[12]，即符合耿貝爾分布。

圖7 垂直方向載荷時(shí)間歷程 圖8 極值擬合情況

該內(nèi)轉(zhuǎn)塔一般有11個(gè)鎖緊裝置，每個(gè)鎖緊裝置提供2 000 kN預(yù)緊力[6]，最大預(yù)緊力取2.2×104kN。計(jì)算浮筒下沉脫落概率為1.83×10-5，分別計(jì)算不同預(yù)緊力下浮筒下沉脫落概率如表3所示。

表3 浮筒下沉脫落概率

按照風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則[13]，概率達(dá)到10-3時(shí)為不可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，從表3可知，此時(shí)對(duì)應(yīng)預(yù)緊力介于最大預(yù)緊力的90%與95%之間，經(jīng)計(jì)算對(duì)應(yīng)預(yù)緊力為最大預(yù)緊力的92.2%。

從圖6可知，系纜孔位置由參數(shù)h2和b確定，在保持浮筒整體幾何尺寸不變的條件下，研究系纜孔位置對(duì)浮筒下沉脫落概率的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 系纜孔位置對(duì)浮筒下沉脫落概率影響

從圖9可知：隨著參數(shù)h2減小、b增大，浮筒下沉脫落概率減小；參數(shù)b對(duì)概率的影響更大，即系纜孔距浮筒中軸線的距離越大，浮筒下沉脫落概率越小。

計(jì)算結(jié)果說明，浮筒的設(shè)計(jì)對(duì)未來單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在服役過程中的浮筒下沉脫落風(fēng)險(xiǎn)具有一定的影響。因此，在設(shè)計(jì)階段需充分考慮單點(diǎn)系泊將要服役海域的情況，合理調(diào)整系纜孔位置，有利于系統(tǒng)適應(yīng)更惡劣的海況，增加單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全性。

5 結(jié) 論

對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合時(shí)域分析，得到了系泊纜張力在水平和垂直方向合力的時(shí)間歷程；通過極值理論，分別計(jì)算了在不同預(yù)緊力下浮筒下沉脫落的失效概率，同時(shí)討論了系纜孔位置對(duì)浮筒下沉脫落失效概率的影響，給出了降低浮筒下沉脫落概率的相應(yīng)措施。

(1) 通過計(jì)算在不同預(yù)緊力下浮筒下沉脫落概率發(fā)現(xiàn)，隨著鎖緊裝置預(yù)緊力的下降，浮筒下沉脫落概率迅速增大，預(yù)緊力下降10%可引起浮筒下沉脫落概率增加大約87倍，因此在實(shí)際工作使用中，必須嚴(yán)格保持給定的預(yù)緊力。

(2) 研究表明，在實(shí)際海況下系泊浮筒存在發(fā)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)，因此在應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)浮筒脫落的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并采取相應(yīng)措施，防止浮筒脫落發(fā)生。

(3) 系纜孔位置對(duì)浮筒下沉脫落概率具有一定影響，針對(duì)不同海域的使用要求，在不改變浮筒形狀條件下，選取合適的系纜孔位置可降低浮筒下沉脫落風(fēng)險(xiǎn)。