方 霖， 孫 錕， 朱 恒， 郭 飛， 張?jiān)迄i

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518054)

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)廣泛用于海洋油氣開發(fā)，全球總量已超過(guò)215艘，其中，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是FPSO的重要組成部分[1]。隨著單點(diǎn)系泊技術(shù)應(yīng)用時(shí)間及范圍的增長(zhǎng)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)發(fā)生故障的事件數(shù)量逐年增加，國(guó)內(nèi)近年也出現(xiàn)若干單點(diǎn)錨系維修項(xiàng)目[2-3]。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效的主要原因有臺(tái)風(fēng)等極端天氣、腐蝕、疲勞、脆性斷裂等，其中，單根系泊腿失效是系泊系統(tǒng)失效的主要形式[4]。在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)安裝及維修工作中，系泊錨系及柔性立管海底濕存和臨時(shí)懸掛是風(fēng)險(xiǎn)性較大的工作，兩項(xiàng)工作關(guān)系緊密，可一起研究考慮。

國(guó)內(nèi)南海勝利號(hào)FPSO在流花11-1油田，水深為290～310 m，其單點(diǎn)錨系是我國(guó)現(xiàn)役水深最深的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)之一。從2016年開始，南海勝利號(hào)FPSO單點(diǎn)錨系開始進(jìn)行全部錨腿的更換工作。該工作涉及單點(diǎn)錨系及柔性立管的海底濕存和臨時(shí)懸掛工作。由于南海勝利號(hào)FPSO單點(diǎn)錨系更換施工處于臺(tái)風(fēng)多發(fā)期，提出一種立管臨時(shí)懸掛的應(yīng)急方案：假設(shè)臺(tái)風(fēng)到來(lái)時(shí)，3根柔性立管已開始回接但均未回接完成，在臺(tái)風(fēng)到來(lái)前對(duì)3根柔性立管完成臨時(shí)懸掛，以便在臺(tái)風(fēng)過(guò)后盡快完成柔性立管回接，盡可能縮短施工工期。

針對(duì)南海勝利號(hào)FPSO錨系更換項(xiàng)目中柔性立管在錨系中的海底濕存及應(yīng)急臨時(shí)懸掛方案，基于AQWA、OrcaFlex等有限元軟件，進(jìn)行在百年一遇海況下的模擬研究，主要研究濕存和臨時(shí)懸掛過(guò)程中柔性立管與錨系之間的干涉情況及柔性立管懸掛設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 系泊系統(tǒng)概述及相關(guān)參數(shù)

1.1 系泊系統(tǒng)參數(shù)

南海勝利號(hào)FPSO由1艘14萬(wàn)t舊油船改造而成，采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，船體可繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)共有10根錨腿(1號(hào)～10號(hào))，錨腿間隔36°均勻分布，單點(diǎn)中回接3根柔性立管(立管A、B、C)用于回接海底輸油管道將原油輸送至FPSO。在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，另有3根柔性立管回接在內(nèi)轉(zhuǎn)塔上，這3根柔性立管與海底管道相連，以實(shí)現(xiàn)原油輸運(yùn)至FPSO。南海勝利號(hào)FPSO系泊系統(tǒng)總體布置如圖1和圖2所示，其中：3根柔性立管分別為2根13.5英寸(1英寸=0.025 4 m)軟管(立管A和立管B)和1根6.0英寸軟管(立管C)，位于6號(hào)錨腿與7號(hào)錨腿之間；6英寸軟管在2根13.5英寸軟管中間；3根柔性立管中拱段均布安裝浮塊。系泊錨腿的每根錨腿均主要由ACT鏈、上鋼纜、中水浮筒、下鋼纜、配重鏈、躺地纜和抓力錨構(gòu)成，結(jié)構(gòu)形式如圖3[5]所示。

圖1 南海勝利號(hào)FPSO系泊系統(tǒng)錨系布置示例(俯視圖)

圖2 南海勝利號(hào)FPSO系泊系統(tǒng)錨系布置示例(側(cè)視圖)

圖3 錨系錨腿各構(gòu)成示例及主要參數(shù)

1.2 船舶RAO

南海勝利號(hào)FPSO船體總長(zhǎng)為280.03 m，垂線間長(zhǎng)為258.00 m，型寬為44.00 m，型深為22.90 m，設(shè)計(jì)吃水為17.03 m。船舶響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator,RAO)通過(guò)AQWA軟件計(jì)算得到，并導(dǎo)入OrcaFlex軟件，以捕捉OrcaFlex軟件中船體模型的運(yùn)動(dòng)性能特征。由于南海勝利號(hào)FPSO船體可繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔進(jìn)行360°自由旋轉(zhuǎn)，對(duì)風(fēng)浪具有良好的適應(yīng)性，可認(rèn)為FPSO船體基本處于迎浪浪向。圖4為南海勝利號(hào)FPSO迎浪浪向及30°浪向下的RAO，船體在2種浪向之間的RAO由OrcaFlex軟件插值得到。由于系泊狀態(tài)下FPSO船體在風(fēng)浪中會(huì)偏離靜水平衡位置一定距離，在分析中，假設(shè)FPSO船體在臺(tái)風(fēng)海況作用下偏離靜水狀態(tài)錨系平衡位置約30 m，這與單點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)偏移值相一致。

圖4 南海勝利號(hào)FPSO船體RAOs

1.3 錨系及柔性立管水動(dòng)力

影響錨系及柔性立管海底濕存和臨時(shí)懸掛的主要因素有FPSO船體運(yùn)動(dòng)(僅影響臨時(shí)懸掛)、海洋環(huán)境和錨系及柔性立管自身水動(dòng)力性能。錨系及柔性立管受到的水動(dòng)力主要有重力、浮力、附加質(zhì)量力、曳力等。在這些類型的水動(dòng)力中：重力和浮力相對(duì)簡(jiǎn)單，在數(shù)值模擬中通過(guò)定義錨系及柔性立管內(nèi)外徑和單位長(zhǎng)度質(zhì)量就可考慮；附加質(zhì)量力和曳力的考慮可參考DNV GL規(guī)范[6]。

附加質(zhì)量A表達(dá)式為

A=ρCAVR

(1)

式中：ρ為海水密度；CA為附加質(zhì)量因數(shù)；VR為附加質(zhì)量參考體積，與錨腿或柔性立管排水體積相同。

曳力f表達(dá)式為

(2)

式中：ρ為海水密度；CDS為曳力因數(shù)；S為錨腿或柔性立管迎流面積；u為錨腿或柔性立管迎流速度。

分析采用的附加質(zhì)量因數(shù)和曳力因數(shù)基于軟件默認(rèn)值，與DNV GL規(guī)范一致，如表1所示。

表1 錨系及柔性立管附加質(zhì)量因數(shù)和曳力因數(shù)

1.4 環(huán)境參數(shù)

南海海域影響單點(diǎn)錨系的環(huán)境參數(shù)主要有水深、海床地質(zhì)、波浪、海流、潮汐和臺(tái)風(fēng)等。其中，最受關(guān)注的環(huán)境參數(shù)是臺(tái)風(fēng)影響下的波浪和海流。單點(diǎn)錨系錨腿在濕存期間所處水深超過(guò)濕存海域最大水深的一半，在該水深下波浪的影響可以忽略。錨腿濕存和軟管臨時(shí)懸掛考慮海況為百年一遇臺(tái)風(fēng)條件下的極端海況。

在數(shù)值模擬中，波浪采用規(guī)則波進(jìn)行模擬，涉及的波浪參數(shù)主要有波高、波浪浪向和波浪周期。流花11-1油田百年一遇臺(tái)風(fēng)海況下的風(fēng)浪流相關(guān)參數(shù)如表2和表3所示。表2中，該組環(huán)境參數(shù)中波浪、風(fēng)載荷為極大值，表面流速為伴隨值，用于柔性立管懸掛模擬分析。表3中，流速為百年一遇臺(tái)風(fēng)海況下的最大流速，用于錨系錨腿濕存模擬分析。

表2 流花11-1油田百年一遇臺(tái)風(fēng)條件下的風(fēng)浪流參數(shù)(波浪極值)

表3 流花11-1油田百年一遇臺(tái)風(fēng)條件下的海流分布(海流極值)

2 模擬過(guò)程及結(jié)果

2.1 濕存分析

在南海勝利號(hào)FPSO錨系更換項(xiàng)目中，錨系錨腿及柔性立管均在單點(diǎn)上解脫后會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間濕存在海底。其中：錨腿由于中水浮筒的存在，ACT鏈、上鋼纜和部分下鋼纜會(huì)懸浮在水中，其他部分則濕存在海床上；柔性立管則全部濕存在海底濕存路由上。在濕存過(guò)程中，各錨腿及柔性立管不允許碰撞接觸。濕存模擬分析的目的在于論證各錨腿及柔性立管不會(huì)碰撞接觸，并確定錨腿與立管最小間距，為海上施工提供依據(jù)。

由于該FPSO錨系錨腿以36°夾角均勻分布，且每根錨腿僅在躺地纜的長(zhǎng)度上存在差異，因此不同方向來(lái)流對(duì)錨腿自身濕存的整體影響相近。分析海流流向可依據(jù)柔性立管海底濕存路由確定。海流方向定義如圖5所示，沿x軸為0°浪向，沿y軸為90°浪向。根據(jù)柔性立管路由方向，確定分析海流方向?yàn)?5°，與3根柔性立管濕存路由的角度近似為90°。在該流向下，海流對(duì)柔性立管的影響最大。

圖5 柔性立管及錨系濕存模擬

2.2 臨時(shí)懸掛分析

在南海勝利號(hào)FPSO錨系更換項(xiàng)目中，錨系錨腿更換完成并回接到單點(diǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)塔后，需要將濕存在海底的柔性立管回接到內(nèi)轉(zhuǎn)塔上。由于施工作業(yè)處于海上臺(tái)風(fēng)高發(fā)期，可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)是，在柔性立管回接工作尚未完成時(shí)，臺(tái)風(fēng)襲經(jīng)作業(yè)海域，海上作業(yè)存在躲避臺(tái)風(fēng)需求，回接工作不得不停止。在這種情況下，海上施工在躲避臺(tái)風(fēng)前，可將柔性立管再次濕存于海底，但這樣直接造成額外的濕存工作和臺(tái)風(fēng)過(guò)后回收工作量，易影響項(xiàng)目工期和經(jīng)濟(jì)效益。為解決這個(gè)問(wèn)題，將軟管臨時(shí)懸掛而避免濕存成為應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的一種預(yù)案。

分析南海勝利號(hào)FPSO單點(diǎn)內(nèi)轉(zhuǎn)塔構(gòu)造的特點(diǎn)，將柔性立管懸掛于內(nèi)轉(zhuǎn)塔底部具有可能性，但也存在若干難點(diǎn)，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在吊點(diǎn)位置的確定、懸掛索具長(zhǎng)度及強(qiáng)度規(guī)格的確定、極限海況下懸掛工況的模擬問(wèn)題。吊點(diǎn)位置主要通過(guò)分析內(nèi)轉(zhuǎn)塔圖紙來(lái)確定，分析柔性立管抽拉位置及內(nèi)轉(zhuǎn)塔底部結(jié)構(gòu)構(gòu)成，最終確定如圖6所示的3個(gè)懸掛點(diǎn)，均位于距內(nèi)轉(zhuǎn)塔中心約3 m處且上方存在加強(qiáng)筋的內(nèi)轉(zhuǎn)塔底板上。懸掛索具長(zhǎng)度及強(qiáng)度規(guī)格的確定需通過(guò)模擬分析，主要根據(jù)懸掛模擬結(jié)果中柔性立管、錨系、船體的運(yùn)動(dòng)間隙以及柔性立管懸掛索具的受力確定。極限海況下懸掛工況模擬過(guò)程中，由于模擬的波高及海流均較大且模擬的是整個(gè)單點(diǎn)錨系及立管系統(tǒng)，整個(gè)模擬分析存在一定難度[7]。

圖6 柔性立管臨時(shí)懸掛吊點(diǎn)位置

由于柔性立管在濕存過(guò)程中，南海勝利號(hào)FPSO能繞內(nèi)轉(zhuǎn)塔自由轉(zhuǎn)向，在模擬過(guò)程中假設(shè)FPSO艏向始終為迎浪浪向，且波浪與海流方向相同。波浪及海流方向定義如圖7所示，沿x軸為0°浪向，沿y軸為90°浪向。在極端海況下，考慮波浪周期為較大周期。結(jié)合實(shí)際環(huán)境參數(shù)，確定柔性立管懸掛模擬分析工況，如表4所示。

圖7 柔性立管臨時(shí)懸掛分析模型

表4 懸掛模擬分析工況

2.3 濕存模擬分析結(jié)果

通過(guò)模擬分析，在百年一遇海流作用下，立管在錨系中的濕存狀態(tài)如圖8所示。由圖8可知，百年一遇海流顯著影響錨系及立管濕存形態(tài)。其中，錨系濕存形態(tài)變化大于柔性立管濕存形態(tài)。濕存模擬分析具體結(jié)果如下：

圖8 濕存模擬結(jié)果

(1) 柔性立管最小間距為15.0 m，最小間距位于海床上的立管A與立管B靠近1號(hào)和4號(hào)錨腿處；

(2) 柔性立管中拱部分的最小間距為25.0 m，最小間距位于立管A與立管B接近觸泥位置處；

(3) 立管和錨腿的最小間距不小于2.3 m，最小間距在立管A與6號(hào)錨腿之間；

(4) 錨腿自身及錨腿之間不會(huì)纏繞，整個(gè)濕存系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生干涉。

2.4 臨時(shí)懸掛模擬分析結(jié)果

臨時(shí)懸掛模擬的工況組合較多，在進(jìn)行所有工況的時(shí)域動(dòng)態(tài)計(jì)算之前，針對(duì)某基本工況，進(jìn)行用于確定懸掛索具長(zhǎng)度的試運(yùn)算。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)懸掛索具長(zhǎng)度為10 m和12 m時(shí)，立管與船體發(fā)生碰撞；當(dāng)懸掛索具長(zhǎng)度為15 m時(shí)，立管與船體不發(fā)生碰撞。因此，確定模型懸掛索具長(zhǎng)度為15 m 進(jìn)行全部工況組合時(shí)域動(dòng)態(tài)計(jì)算。圖9為其中一個(gè)工況下的模擬結(jié)果。全部模擬工況的計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表5所示。

圖9 柔性立管臨時(shí)懸掛部分模擬結(jié)果示例

表5 臨時(shí)懸掛模擬分析結(jié)果

根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定立管臨時(shí)懸掛索具長(zhǎng)為15 m。在動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，考慮1.3倍安全因數(shù)，立管A和立管B懸掛索具安全使用載荷不低于105 t，立管C懸掛索具安全使用載荷不低于35 t。

3 結(jié) 論

在錨系更換項(xiàng)目中錨系及柔性立管濕存與柔性立管臨時(shí)懸掛工作為海上施工過(guò)程中為數(shù)不多的需要施工方考慮極限海況設(shè)計(jì)的工作，兩者對(duì)干涉問(wèn)題關(guān)注度高，研究對(duì)象相同。對(duì)南海勝利錨系更換項(xiàng)目中錨系及柔性立管濕存和臨時(shí)懸掛工作進(jìn)行模擬分析，論證濕存及臨時(shí)懸掛方案的可行性，體現(xiàn)在柔性立管、錨系、船體之間不會(huì)存在干涉以及柔性立管最小彎曲半徑大于最小允許彎曲半徑而不被損壞。模擬分析確定柔性立管臨時(shí)懸掛位置以及懸掛索具長(zhǎng)度和強(qiáng)度的關(guān)鍵要求，為懸掛設(shè)計(jì)提供直接依據(jù)。柔性立管臨時(shí)懸掛在內(nèi)轉(zhuǎn)塔底部是一種應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的新型應(yīng)急方案，在臺(tái)風(fēng)多發(fā)期，可有效提高海上作業(yè)效率，對(duì)海上錨系更換施工工作可提供指導(dǎo)，對(duì)類似海上施工工作具有參考意義。