張棟，慕文彬，張剛賓，趙強(qiáng)，李石峰，吳憲

（1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461）

（2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司， 天津 300461）

FPSO液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（Floating Production Storage and Offloading System，簡稱FPSO）已經(jīng)作為一種主流生產(chǎn)方式，廣泛應(yīng)用于海上油田開發(fā)中。但隨著FPSO使用年限的不斷增加，F(xiàn)PSO的維修呈增長趨勢。同時(shí)考慮到FPSO的在位條件，圍繞單點(diǎn)受波浪、流向、風(fēng)向等處于旋轉(zhuǎn)移動(dòng)中，因此對(duì)FPSO的吊裝維修作業(yè)就需要限制FPSO的運(yùn)動(dòng)，因此FPSO的限位工作顯得尤為重要。本文利用海洋工程模擬軟件MOSES對(duì)FPSO進(jìn)行限位施工分析，以確定最優(yōu)的限位方案。

1 模型參數(shù)確定

本文以蓬勃號(hào)FPSO作為計(jì)算船舶模型，該船位于渤海灣蓬萊19-3油田，坐標(biāo)為東經(jīng)245086m，北緯4253437.25m，并通過軟鋼臂永久系泊在單點(diǎn)上。

1.1 FPSO基本參數(shù)

蓬勃號(hào)FPSO的主要參數(shù)如表1所示：

表1 FPSO主要參數(shù)

1.2 FPSO裝載狀態(tài)

根據(jù)蓬勃號(hào)FPSO穩(wěn)性手冊，F(xiàn)PSO作業(yè)吃水范圍在14m到20m之間，本項(xiàng)目在此吃水范圍內(nèi)選取了最大吃水、最小吃水和平均吃水三個(gè)裝載狀態(tài)進(jìn)行限位分析，本報(bào)告對(duì)應(yīng)FPSO吃水為最大吃水20m。

1.3 FPSO受風(fēng)面積

FPSO船體受風(fēng)面積可由MOSES軟件根據(jù)船體模型自動(dòng)計(jì)算。根據(jù)穩(wěn)性手冊，F(xiàn)PSO上部設(shè)施橫向受風(fēng)面積約為10400m2，F(xiàn)PSO上部設(shè)施縱向受風(fēng)面積約為1260m2。

表2 FPSO風(fēng)面積

圖1 蓬勃號(hào)FPSO

2 限位分析計(jì)算工況確定

根據(jù)查閱蓬勃號(hào)FPSO工作海域水文統(tǒng)計(jì)環(huán)境資料，選取有義波高小于1m的概率為63.9%，有義波高小于1.5m的概率為83.9%，并綜合考慮風(fēng)速和流速的超越概率，選取以下海況環(huán)境條件，作為計(jì)算分析工況。

表3 作業(yè)工況

3 FPSO限位方案設(shè)定

3.1 FPSO限位布置

蓬勃號(hào)FPSO限位作業(yè)過程中，兩條拖輪的布置方式如圖2、圖3所示。正常限位作業(yè)拖輪1、拖輪2與FPSO橫向夾角30°，分居FPSO兩側(cè)，拖帶纜的長度為500m。應(yīng)急限位作業(yè)拖輪1與FPSO橫向夾角30°，拖帶纜的長度為500m；拖輪2與FPSO橫向夾角40°，拖帶纜的長度為500m。

圖2 蓬勃號(hào)FPSO正常限位拖輪布置方案

圖3 蓬勃號(hào)FPSO應(yīng)急限位拖輪布置方案

3.2 FPSO限位纜繩及攬樁參數(shù)

4 建模與分析計(jì)算

4.1 計(jì)算軟件

計(jì)算分析使用的軟件是美國Bentley公司的MOSES（Multi-Operational Structural Engineering Simulator）軟件。

4.2 單位

本報(bào)告采用公制單位，相關(guān)單位縮寫如下：[N]、[kN] -牛、千牛；[t] -噸；[s] -秒；[m] -米；[°] -度；[m/s2] -米每秒方；[t*m] -噸米；[Knot] -節(jié)；[m/s] -米每秒。

本報(bào)告采用的物理常量如下：重力加速度g為9.8m/s2；海水密度為1025kg/m3。

4.3 坐標(biāo)系統(tǒng)及FPSO建模

MOSES軟件全局坐標(biāo)系基于駁船坐標(biāo)系，原點(diǎn)在海平面。駁船坐標(biāo)系原點(diǎn)在船尾的船體基線處，X軸由船艏指向船尾為正，Y軸指向右舷為正，Z軸由基線向上為正[1,2]。

圖4 建立坐標(biāo)系

圖5 蓬勃號(hào)FPSO船體模型

4.4 分析方法

FPSO限位分析進(jìn)行了頻域分析和時(shí)域分析。詳細(xì)計(jì)算分析過程如下：

調(diào)整系泊纜的張緊力和系泊系統(tǒng)的幾何位置，在環(huán)境載荷的作用下保持位置；

實(shí)際上，司馬遷不僅不“先黃老而后六經(jīng)”，在許多事情上，尤其是對(duì)歷史人物和歷史事件的評(píng)價(jià)上，“至圣”孔子的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)還成為司馬遷的重要參考，許多時(shí)候司馬遷甚至直接采用孔子的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)歷史人物和歷史事件進(jìn)行評(píng)價(jià)。如：

計(jì)算船體運(yùn)動(dòng)和船體的RAO；

在時(shí)域分析中計(jì)算船體的瞬時(shí)偏移和運(yùn)動(dòng)；

根據(jù)駁船的RAO和相應(yīng)波譜，在指定海況條件下計(jì)算系泊系統(tǒng)的最大張緊力；

評(píng)估系泊系統(tǒng)的安全系數(shù)，確定系泊纜和海底結(jié)構(gòu)物間的最小安全距離；

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)系泊系統(tǒng)系泊纜強(qiáng)度和船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校核。

5 FPSO限位靜態(tài)分析結(jié)果

5.1 FPSO定常力計(jì)算

當(dāng)FPSO所受風(fēng)浪流均為橫向，即環(huán)境荷載方向?yàn)?0°或270°時(shí)，F(xiàn)PSO所受環(huán)境荷載最大，表4為不同海況下FPSO遭受的最大環(huán)境力。

表4 蓬勃號(hào)FPSO定常力計(jì)算結(jié)果

5.2 拖輪系柱拉力校核

FPSO上帶纜樁的安全工作荷載為100t，所以拖輪能產(chǎn)生100t的拉力即可，考慮75%拖帶效率，所需拖輪的系柱拉力：BP=100t/0.75=133t

當(dāng)采用正常限位作業(yè)拖輪布置方案，兩條拖輪分別布置在FPSO兩側(cè)，與FPSO船寬方向夾角為30°，故拖輪能夠提供的最大旋轉(zhuǎn)力矩為：100×380×cos30°=32908t.m；

當(dāng)采用應(yīng)急限位作業(yè)拖輪布置方案，兩條拖輪布置在FPSO同側(cè)，分別與FPSO船寬方向夾角為30°及40°，故拖輪能夠提供的最大旋轉(zhuǎn)力矩為：

100×380×cos30°+100×380×cos40°=6201 6t.m

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，當(dāng)風(fēng)浪流均為橫向時(shí)，需采用兩條同向拖輪保持FPSO船位，可以在浪高小于1.5m海況下保持船位。

6 FPSO限位動(dòng)態(tài)分析結(jié)果

依據(jù)作業(yè)海域的特點(diǎn)，選取Jonswap譜，譜峰因子取3.3，對(duì)應(yīng)第2節(jié)確定的有義波高1.5m作業(yè)工況，采用譜分析法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)該作業(yè)海況下FPSO的纜繩張力[3]。

6.1 拖纜張力極值

FPSO在有義波高1.5m作業(yè)海況下，拖纜的最大張力如圖6所示[3,4]。

圖6 Hs=1.5m正常限位拖輪拖纜張力極值

圖7 Hs=1.5m應(yīng)急限位拖輪拖纜張力極值

6.2 拖纜和帶纜樁校核

φ76鋼絲繩最小破斷力為325t，考慮2倍安全系數(shù)，纜繩上最大張力值不能大于162.5t。

蓬勃號(hào)FPSO上帶纜樁安全工作荷載為100t，小于纜繩許用張力值，所以纜繩上張力極值應(yīng)以帶纜樁安全工作荷載為準(zhǔn)，即100t。

從圖6和圖7可知，在有義波高為1.5m時(shí)：

正常限位拖輪布置方案，風(fēng)浪方向?yàn)?°和180°時(shí)，拖帶纜的張力極值均小于帶纜樁的工作載荷，可進(jìn)行限位作業(yè)。應(yīng)急限位拖輪布置方案，風(fēng)浪方向?yàn)?°、135°、180°時(shí)，拖帶纜的張力極值均小于帶纜樁的工作載荷，可進(jìn)行限位作業(yè)。

7 結(jié)論

本文通過船舶計(jì)算軟件MOSES，對(duì)蓬勃號(hào)FPSO進(jìn)行了限位分析，給出了特定作業(yè)工況下的限位方案，對(duì)船舶選型、船舶作業(yè)安全具有很好的指導(dǎo)作用。

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