趙晶瑞，李清平，王世圣

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 國家能源深水油氣工程技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028)

0 引 言

FPSO 是一種可對海上油田進(jìn)行全海式開發(fā)的工程裝備，其主要優(yōu)勢在于集油氣生產(chǎn)處理、原油儲(chǔ)存、外輸功能于一體，并具有良好的水深適應(yīng)性。到目前為止全球大約有200 多艘FPSO 服役，均取得了良好的應(yīng)用效果。

由于FPSO 具有很大的水線面面積，導(dǎo)致其船體運(yùn)動(dòng)對環(huán)境載荷的影響十分敏感且容易產(chǎn)生很大的波頻與低頻運(yùn)動(dòng)。此外，盡管一些FPSO 采用單點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)施定位因而具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，但交叉的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件可能會(huì)導(dǎo)致船體受載面積的增加，導(dǎo)致更加極端的船體偏移與系泊載荷，因此從設(shè)計(jì)角度，系泊方案的制定必須根據(jù)FPSO 船型，海區(qū)特定的環(huán)境條件特點(diǎn)，從而涵蓋最不利環(huán)境載荷組合以及裝載工況。

本文展示了1 艘應(yīng)用于中國南海的FPSO 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程，介紹系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)，給出主要的強(qiáng)度與疲勞分析結(jié)果。計(jì)算表明，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在完整工況與單纜破損工況能夠承受目標(biāo)油田百年一遇環(huán)境條件，預(yù)期疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。此外當(dāng)波浪周期略低于設(shè)計(jì)海況的譜峰周期時(shí)，將激發(fā)起更大的船體低頻運(yùn)動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致最大的系泊張力。對于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而言，其最不利工況通常并非環(huán)境載荷沿同方向入射時(shí)，而是呈一定夾角入射時(shí)，此時(shí)由于船體受載面積的增加，將產(chǎn)生更大的船體偏移與系泊張力。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

FPSO 擬作業(yè)目標(biāo)油田位于南海北部，水深為267～330 m。為開發(fā)該油田，將新建1 艘FPSO 用于原油生產(chǎn)、儲(chǔ)存與外輸。FPSO 配備有電站、熱站、原油處理設(shè)施、水處理系統(tǒng)、原油計(jì)量系統(tǒng)和儲(chǔ)油艙。來自臨近開發(fā)井的油、氣、水將首先被井口平臺(tái)分解成含水40% 的原油，之后油、氣通過水下管線混輸至FPSO 進(jìn)行下一步的生產(chǎn)、儲(chǔ)存與外輸。FPSO 在東南方向?qū)⒃O(shè)有3 根立管，因此系泊系統(tǒng)必須限制FPSO的水平向偏移以滿足立管疲勞的要求，特別是在東南方向。系泊纜繩的設(shè)計(jì)壽命為20 年，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)其他模塊的設(shè)計(jì)壽命為30 年。

1.1 FPSO

FPSO 的主尺度參數(shù)為船體總長244.60 m，垂線間長237.00 m，船寬46.700 m，型深26.300 m。在系泊校核中FPSO 采用2 種典型的裝載工況，分別為滿載工況并帶有100% 消耗品（最大吃水工況），以及壓載工況并帶有10%的消耗品（最小吃水工況），主要參數(shù)如表1 所示。

表 1 系泊分析中FPSO 裝載參數(shù)表Tab. 1 Typical loading conditions of FPSO in mooring design progress

1.2 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

FPSO 就位位置的水深為290 m。在FPSO 系泊系統(tǒng)強(qiáng)度校核采用百年一遇臺(tái)風(fēng)作為設(shè)計(jì)條件，同時(shí)基于波浪的有義波高Hs 和譜峰周期Tp 包絡(luò)線考慮譜峰周期的變化，百年一遇臺(tái)風(fēng)條件下風(fēng)、浪、流方向極值如表2 所示。

在本文中，考慮了風(fēng)、浪、流3 種主控方式。對于每種主控方式，環(huán)境載荷強(qiáng)度 X計(jì)算如下：

其中：下標(biāo)X 包括H（波浪）、V（風(fēng)）、C（海流），XN為回歸周期N 下的強(qiáng)度主極值。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，系數(shù)CH，CV和CC的取值如表3 所示。

表中，V，H，C 分別表示風(fēng)、浪、流入射方向，衰減系數(shù) qv計(jì)算如下式：

表 2 臺(tái)風(fēng)條件下風(fēng)、浪、流方向極值Tab. 2Directional extreme value of wind, wave and current in typhoon condition

表 3 環(huán)境載荷強(qiáng)度系數(shù)Tab. 3Intensity coefficients of environmental loads

在系泊疲勞分析中，采用該海區(qū)一年一遇季風(fēng)作為計(jì)算環(huán)境條件。根據(jù)年度波浪散布圖得到的年度環(huán)境條件出現(xiàn)概率玫瑰圖如圖1 所示。

1.3 系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)橫準(zhǔn)

系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度分析依據(jù)文獻(xiàn)[4 - 5]進(jìn)行。根據(jù)該規(guī)范，若采用時(shí)域全耦合方法計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)，纜繩張力的安全系數(shù)在完整工況下取1.67，在單根纜繩破斷工況下取1.25，對于船體的許用極限水平偏移而言，主要取決于FPSO 東南方向的3 根立管，系泊系統(tǒng)需要控制FPSO 的偏移以滿足立管疲勞要求，特別是在東南方向，要求單點(diǎn)位置的最大水平偏移小于70 m，單點(diǎn)位置沿東南方向的最大水平偏移小于60 m。在錨鏈的腐蝕方面，假設(shè)在波浪飛濺區(qū)內(nèi)的錨鏈腐蝕率為0.3 mm/年，在與海底接觸點(diǎn)位置的錨鏈腐蝕率為0.4 mm/年。此外下端錨鏈需要有足夠的長度以保證在極端環(huán)境條件下，下風(fēng)向纜繩的鋼纜部分不接觸海底以避免發(fā)生磨損。

系泊的疲勞分析依據(jù)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行，要求在可檢測區(qū)內(nèi)疲勞的安全壽命為3.0 以上。

圖 1 年度環(huán)境條件玫瑰圖Fig. 1Rose diagrams of environment load (Annual)

2 單點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)方案

FPSO 采用非解脫的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，包含9 根系泊纜繩呈3 組布置，3 組系泊纜繩均勻分布，在每組纜繩中相鄰纜繩間的夾角為5°，2 組纜繩之間夾角為110°，F(xiàn)PSO 的水動(dòng)力模型與系泊系統(tǒng)布置如圖2 與圖3 所示。

圖 2 滿載工況下FPSO 水動(dòng)力模型Fig. 2Hydrodynamic model of FPSO in load condition

圖 3 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置Fig. 3Arrangement of mooring system

在單根纜繩構(gòu)型方面，從錨點(diǎn)至導(dǎo)纜孔的水平距離為1 194.5 m。每根纜繩的分段結(jié)構(gòu)由內(nèi)部開發(fā)的軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保證在極端環(huán)境載荷作用下系泊系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)也盡量提升了系統(tǒng)整體水平回復(fù)剛度，并控制系泊張力、總體用鋼量和單根纜繩的預(yù)張力。系泊纜繩的詳細(xì)組份參數(shù)如表4 所示。

3 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)規(guī)范校核步驟

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度與疲勞分析采用法國船級社的軟件Hydro Star 與Ariane 進(jìn)行。

3.1 強(qiáng)度分析

1）船體水動(dòng)力計(jì)算

首先采用Hydro Star 軟件建立不同裝載工況下FPSO船體的水動(dòng)力分析模型，如圖2 所示。采用三維勢流理論求解船體水動(dòng)力系數(shù)如附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)，一階波浪激勵(lì)力與波浪漂移力等，和船體運(yùn)動(dòng)RAO。

文獻(xiàn)[4]給出了FPSO 縱蕩、橫蕩與首搖運(yùn)動(dòng)的推薦的線性化阻尼系數(shù)如下式：

其中：Bxx, Byy,Bφφ分別為縱蕩、橫蕩與首搖運(yùn)動(dòng)的線性化阻尼系數(shù)； m為FPSO 船體質(zhì)量； L為FPSO 船長； B 為FPSO 船寬；g 為重力加速度。

表 4 錨鏈線組份參數(shù)表Tab. 4 Component of mooring line

2）定義系泊纜繩

在Ariane 軟件中疏如纜繩的分段結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性，如原長、空氣與水中的單位長度重量、軸向剛度，水動(dòng)力參數(shù)等，并驗(yàn)證典型吃水條件下單根纜繩的預(yù)張力與靜態(tài)回復(fù)剛度。

3）FPSO 船體上的風(fēng)、流載荷計(jì)算

FPSO 船體上的風(fēng)、流載荷需依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輸入。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，作用于FPSO 上的平均風(fēng)流力與力矩確定如下：

其中：Cwx，Ccx為縱向風(fēng)流力系數(shù)；Cwy， Ccy為橫向風(fēng)流力系數(shù)；Cwxy為首搖風(fēng)流力矩系數(shù)； ρw，ρc為空氣與海水密度； Vw,Vc為風(fēng)速和流速； AT為船體縱向受風(fēng)面積； AL為船體橫向受風(fēng)面積；LBP為船體垂線間長； T 為船體吃水。

4）批處理分析

基于以上模型，對每一個(gè)船體吃水下的一系列環(huán)境組合進(jìn)行耦合分析，包括滿載與壓載吃水，以及系泊完整與單纜破損狀態(tài)。對于每一個(gè)環(huán)境條件，采用Ariane 分析軟件獲得錨腿張力與平臺(tái)偏移，記錄和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。在進(jìn)行單纜破損狀態(tài)計(jì)算時(shí)，假定在相同環(huán)境條件系泊完整工況下出現(xiàn)最大系泊張力纜繩的旁邊一根纜繩發(fā)生失效。

5）考慮動(dòng)態(tài)放大因子的結(jié)果

由于所采用的Ariane 分析軟件為準(zhǔn)動(dòng)力分析軟件，無法準(zhǔn)確模擬系泊纜本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此所獲得的結(jié)果需要考慮動(dòng)力放大因子DAF。采用全耦合分析軟件DEEP C 軟件對典型結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，將所獲得的動(dòng)力放大因子DAF 將與已有的計(jì)算結(jié)果相乘得到最終的系泊張力與單點(diǎn)偏移。

3.2 疲勞分析

1）設(shè)計(jì)疲勞工況

疲勞分析也將在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行。首先根據(jù)一年一遇環(huán)境條件的波浪散布圖獲得短期預(yù)報(bào)的環(huán)境載荷組合，并考慮環(huán)境載荷入射方向和FPSO 裝載工況，之后每個(gè)短期預(yù)報(bào)的結(jié)果將和其發(fā)生概率一起合成整體疲勞結(jié)果。

2）計(jì)算疲勞損傷

每根纜繩上的疲勞損傷依據(jù)米勒積分法則獲得，在ARIANE 軟件中，采用雨流技術(shù)法對每一個(gè)獨(dú)立的海況計(jì)算疲勞損傷，然后合并為總體的累積損傷，整體纜繩的疲勞計(jì)算如下式：

其中； N 為載荷循環(huán)次數(shù)； R為 張力幅值范圍； M為TN 曲線斜率； K為T-N 截點(diǎn)；M 與K 的取值如表5 所示。

表中Lm為平均載荷與破斷拉力之比。

3）計(jì)算疲勞壽命

每根纜繩的疲勞壽命如下式：

表 5 M 與K 取值Tab. 5Value of M and K

4 系泊校核結(jié)果

4.1 FPSO 單點(diǎn)系泊耦合分析模型

FPSO 單點(diǎn)系泊耦合分析模型如圖4 所示。

圖 4 FPSO 與系泊系統(tǒng)耦合分析模型Fig. 4Coupled model of FPSO and mooring system

2 階縱蕩漂移力計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。平臺(tái)的風(fēng)流載荷系數(shù)如圖5 與圖6 所示，F(xiàn)PSO 滿載狀態(tài)的平均漂移力如圖7 所示。

圖 5 FPSO 風(fēng)力系數(shù)Fig. 5Wind coefficient of FPSO

圖 6 FPSO 流力系數(shù)Fig. 6Current coefficient of FPSO

4.2 強(qiáng)度分析結(jié)果

通過計(jì)算確定的系泊完整與單根纜繩破斷工況下的極端張力與平臺(tái)偏移如表6 所示。

表6 的計(jì)算結(jié)果顯示，系泊系統(tǒng)全部指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)要求，說明系泊系統(tǒng)可承受目標(biāo)油田百年一遇環(huán)境條件。

圖 7 FPSO 船體2 階縱蕩漂移力Fig. 7Steady drift force of FPSO

表 6 系泊系統(tǒng)極端響應(yīng)Tab. 6 Extreme strength response of mooring system

4.3 疲勞分析

表7 為采用雨流計(jì)數(shù)法的疲勞分析結(jié)果。FPSO 滿載與壓載工況下不同幅值范圍張力的循環(huán)次數(shù)如表8所示。

表7 結(jié)果顯示，安裝在東南方向的第3 組系泊纜繩（第7 根和第9 根）相對于其他2 組系泊纜繩具有最少的疲勞壽命，頂部錨鏈的最小疲勞壽命為179.7年，符合設(shè)計(jì)要求。

5 系泊設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性分析

為了研究設(shè)計(jì)方案對環(huán)境條件的適應(yīng)性，本文還開展了一些針對環(huán)境條件因子的敏感性分析，如波浪譜峰周期，環(huán)境載荷夾角以及波浪譜峰因子等。

5.1 譜峰周期敏感性

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，對于波浪主控條件，推薦考慮有義波高Hs 和譜峰周期Tp 的包絡(luò)線，計(jì)算當(dāng)波浪周期在譜峰周期左右±10%變化時(shí)的情況。目標(biāo)海區(qū)百年一遇波浪的Hs 與Tp 包絡(luò)線如圖8 所示，典型環(huán)境條件如表9 所示。

表 7 系泊系統(tǒng)疲勞損傷和預(yù)期壽命結(jié)果Tab. 7 Result of fatigue damage and expected fatigue life results for mooring system

表 8 不同幅值范圍張力的循環(huán)次數(shù)Tab. 8 Loop cycles of tension at different amplitude envelope

圖 8 Hs 與Tp 包絡(luò)線Fig. 8Hs and Tp contour line

典型結(jié)果對比如圖9～圖12 所示。

結(jié)果顯示，當(dāng)波浪周期圍繞Tp 標(biāo)準(zhǔn)值變化時(shí)，系泊張力與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)也將相應(yīng)發(fā)生改變，需要注意的是，當(dāng)Tp 小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，盡管有義波高Hs 降低，由于此時(shí)波浪周期接近船體縱蕩2 階波浪力的峰值周期（見圖7），導(dǎo)致FPSO 船體產(chǎn)生了更大的低頻運(yùn)動(dòng)，因此最大系泊張力與單點(diǎn)偏移均會(huì)上升。當(dāng)譜峰周期Tp 大于其標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，由于有義波高衰減迅速，最大系泊張力與平臺(tái)偏移均會(huì)明顯降低。

表 9 典型環(huán)境條件Tab. 9Typical environmental conditions

5.2 載荷作用角度的影響

為了研究載荷入射角度的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[7]選取了5 種典型環(huán)境載荷方向組合，包括平行工況，交叉流工況，交叉風(fēng)工況，平行風(fēng)與流和交叉浪工況，對稱風(fēng)與流和交叉浪工況，環(huán)境載荷特定的入射角度如圖12 所示，最大系泊張力與偏移的對比如圖13 與圖14所示。

由圖可知，當(dāng)處于交叉風(fēng)條件時(shí)，最大系泊張力與平臺(tái)偏移均取得最大值。這表明對于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而言，最不利工況可能不是風(fēng)浪流呈同方向入射時(shí)，而是非共線狀態(tài)，此時(shí)交叉的風(fēng)、浪、流環(huán)境條件可能會(huì)導(dǎo)致FPSO 船體受載面積的增加，導(dǎo)致更大的張力和偏移響應(yīng)。

圖 9 導(dǎo)纜器位置處張力時(shí)間歷程Fig. 9Time series of tension at fairlead

圖 10 導(dǎo)纜器位置處張力頻譜Fig. 10tension spectrum at fairlead

圖 11 轉(zhuǎn)塔處最大偏移Fig. 11maximum offset of turret

5.3 波浪譜峰因子的影響

針對東向載荷，分別選取譜峰因子為1.8，2.4，3.0，系泊張力對比如圖15 和圖16 所示。

由圖可知，波浪譜峰因子對于平臺(tái)偏移影響較小，其頻譜成分幾乎沒有差異，但對于系泊張力而言，系泊纜繩的最大張力將隨譜峰因子的提升而增加。

圖 12 系泊分析中的典型環(huán)境方向組合Fig. 12Typical direction combination of environmental load in mooring analysis

圖 13 導(dǎo)纜器處最大系泊張力Fig. 13Maximum tension at fairlead

圖 14 轉(zhuǎn)塔處最大偏移Fig. 14Maximum offset of turret

圖 15 導(dǎo)纜器處最大張力Fig. 15Maximum tension at fairlead

圖 16 內(nèi)轉(zhuǎn)塔處動(dòng)態(tài)偏移頻譜Fig. 16Spectrum of horizontal offset of turret

6 結(jié) 語

本文展示了1 艘應(yīng)用于中國南海FPSO 單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程。給出了系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)與規(guī)范校核結(jié)果以及主要的強(qiáng)度與疲勞分析結(jié)果。主要結(jié)論如下：

1）該單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在完整工況與單纜破損工況能夠承受目標(biāo)油田百年一遇環(huán)境條件，預(yù)期疲勞壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

此外當(dāng)波浪周期略低于設(shè)計(jì)海況的譜峰周期時(shí)，將激發(fā)起更大的船體低頻運(yùn)動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致最大的系泊張力。對于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而言，其最不利工況通常并非環(huán)境載荷沿同方向入射時(shí)，而是呈一定夾角入射時(shí)，此時(shí)由于船體受載面積的增加，將產(chǎn)生更大的船體偏移與系泊張力。

2）當(dāng)Tp 小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，盡管有義波高Hs 降低，由于此時(shí)波浪周期接近船體縱蕩2 階波浪力的峰值周期，導(dǎo)致FPSO 船體產(chǎn)生了更大的低頻運(yùn)動(dòng)，因此最大系泊張力與單點(diǎn)偏移均會(huì)上升。當(dāng)譜峰周期Tp 大于其標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，由于有義波高衰減迅速，最大系泊張力與平臺(tái)偏移均會(huì)明顯降低。

3）對于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)而言，其最不利工況通常并非環(huán)境載荷沿同方向入射時(shí)，而是呈一定夾角入射時(shí)，這將導(dǎo)致暴露在環(huán)境載荷下的船體受載面積的增加，進(jìn)而產(chǎn)生更加大的系泊張力與平臺(tái)偏移。