王偉,李牧,劉學濤,李鵬,劉詩學,齊曉亮

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司,北京 100010;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

系泊系統(tǒng)作為FPSO重要的設(shè)備設(shè)施,包括塔架式系泊系統(tǒng)、多點系泊系統(tǒng)和單點系泊系統(tǒng)等多種形式。單點系泊系統(tǒng)由于采用“點系泊”方式,具有良好的風向標效應(yīng),能有效抵抗惡劣的環(huán)境,因此常被應(yīng)用于我國南海等深海海域。單點系泊系統(tǒng)的系泊纜由多個構(gòu)件組成,包括錨鏈、浮筒、配重塊、鋼纜、錨樁等組件。在鋼纜與海底接觸的管理規(guī)范上,BV船級社、DNV船級社等知名船級社的基本要求為:作業(yè)條件下鋼纜不應(yīng)與海底接觸;系泊纜鎖接頭不應(yīng)出現(xiàn)在系泊纜觸地點位置附近。但在實際運營過程中,由于超極限海況等因素,發(fā)現(xiàn)部分FPSO有上部鋼纜觸地、斷絲、接頭陽極丟失的情況。鋼纜觸地可能導(dǎo)致鋼纜損壞,進而導(dǎo)致系泊系統(tǒng)事故的發(fā)生,如2005年Kumul buoy號、2006年南海勝利號、2009年南海勝利號、2011年Volve號均發(fā)生過系泊系統(tǒng)事故[1]。針對FPSO系泊系統(tǒng)鋼纜觸地問題,學者的研究集中于系泊纜配置方案[2],無損檢測等新型檢測技術(shù)[3],鋼纜連接頭末端的局部扭曲[4],內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計和維護[5],系泊纜觸地點位置的疲勞壽命[6],鋼纜接觸分析的簡化方法[7]。本文以南海某FPSO單點系泊系統(tǒng)為原型,基于系泊系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備采集到的實測數(shù)據(jù),對系泊系統(tǒng)開展時域動力分析,針對系泊系統(tǒng)中上鋼纜觸地現(xiàn)象進行自動識別和統(tǒng)計分析,為實際工程中的系泊系統(tǒng)完整性管理提供參考。

1 數(shù)值模型的建立

某FPSO作業(yè)于南海海域,作業(yè)水深105 m,其主尺度信息見表1。

表1 FPSO船體主尺度參數(shù)

應(yīng)用AQWA對目標FPSO進行水動力分析,通過AQWA建立的滿載工況下FPSO船體濕表面模型見圖1。

圖1 FPSO船體濕表面模型

目標FPSO采用單點系泊系統(tǒng)進行系泊定位,系泊系統(tǒng)布置示意圖見圖2。

圖2 系泊系統(tǒng)布置示意

系泊系統(tǒng)由9根懸鏈線組成,采用3×3分組形式,每組間隔120°,組內(nèi)每根系泊纜間隔為5°,系泊系統(tǒng)在設(shè)計之初考慮環(huán)境方向進行了優(yōu)化,其中兩組系泊纜長度較長,另一組朝西的7號、8號、9號系泊纜較短。每根系泊纜的組成及材料屬性分別見表2、3。

表2 系泊纜組成

表3 系泊纜材料屬性

Orcaflex是一款用于分析海洋結(jié)構(gòu)動力學的軟件,其內(nèi)含python等自動化編程軟件接口,并應(yīng)用Orcaflex對FPSO系泊系統(tǒng)進行時域耦合分析,建立FPSO系泊系統(tǒng)數(shù)值模型。為了使數(shù)值模型更加準確,根據(jù)系泊系統(tǒng)海上安裝完工報告提供的實際錨點安裝位置、纜繩切割記錄以及接頭的詳細圖紙等資料,對數(shù)值模型進行修改。結(jié)果表明,滿載工況下,完工狀態(tài)系泊纜的預(yù)張力比設(shè)計狀態(tài)系泊纜預(yù)張力減小50 kN,且完工狀態(tài)系泊纜鋼纜躺底更多,平衡位置向短鏈方向偏移。

2 基于實測數(shù)據(jù)的數(shù)值模擬

在傳統(tǒng)的數(shù)值模擬分析中,一般通過對特定海洋結(jié)構(gòu)物施加環(huán)境載荷的方式,計算海洋結(jié)構(gòu)物在環(huán)境自然激勵下的運動響應(yīng)。但實測數(shù)據(jù)最能真實地反應(yīng)系泊系統(tǒng)的響應(yīng)情況,通過在Orcaflex中施加強制運動激勵,讓單點在實測運動的軌跡下進行強制運動,可以更加準確地還原真實環(huán)境條件下FPSO和系泊纜的真實運動響應(yīng)。因此,通過在Orcaflex中施加實測運動激勵,對系泊纜的動態(tài)響應(yīng)進行計算,進而對上鋼纜(UWS)末端的觸地情況進行分析。

通過單點位置的橫蕩、縱蕩、垂蕩以及FPSO的艏向角數(shù)據(jù)可以基本確定FPSO的所處位置,針對這4個自由度的實測數(shù)據(jù)進行分析。以2016年3月1日19:00-22:00的3 h日常海況實測運動數(shù)據(jù)為輸入,導(dǎo)入到Orcaflex進行數(shù)值模擬,3 h內(nèi)的單點縱蕩、橫蕩、垂蕩以及FPSO艏向角變化曲線分別見圖3。

圖3 運動響應(yīng)實測數(shù)據(jù)

3 結(jié)果分析

通過對Orcaflex數(shù)值模擬結(jié)果進行分析,發(fā)現(xiàn)9根系泊纜中上鋼纜末端均有觸地情況發(fā)生。為了進一步研究每根系泊纜上鋼纜的觸地情況,通過python編寫程序調(diào)用Orcaflex數(shù)值模擬結(jié)果對9根系泊纜上鋼纜末端在3 h內(nèi)的觸地次數(shù)和觸地時長進行統(tǒng)計。

3.1 觸地次數(shù)統(tǒng)計

系泊纜觸地點處的弧長可以反應(yīng)系泊纜的觸地位置,提取9根系泊纜觸地點處弧長結(jié)果,對系泊纜上鋼纜觸地次數(shù)進行分析。1號～9號系泊纜觸地點處弧長見圖4。

通過圖4可以看出,1號～6號的觸地點處弧長較長,7號～9號觸地點處弧長較短,由于單點的位置更加偏向西向,7號～9號系泊纜的上鋼纜觸地長度最長可達70 m。

圖4 各系泊纜觸地點處弧長

由于完工文件與設(shè)計文件存在細微的差距,因此根據(jù)完工文件進一步修正模型。1號上鋼纜下部末端的弧長為211.5 m,因此,當觸地點處弧長小于211.5 m時,認為上鋼纜已經(jīng)發(fā)生觸地。采用python編寫程序?qū)ι箱摾|末端觸地情況進行自動識別和統(tǒng)計分析,得出1號系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜觸地106次。同樣的方法得出其余系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜的觸地次數(shù),結(jié)果匯總見表4。

表4 1號～9號系泊纜上鋼纜觸地次數(shù)統(tǒng)計

由表4可知,1號、2號、6號系泊纜上鋼纜往復(fù)觸地次數(shù)較多,7號、8號、9號系泊纜上鋼纜往復(fù)觸地次數(shù)較少。由于鋼纜觸地-抬起-觸地的過程會加劇鋼纜的磨損,造成鋼纜鎖接頭脫落、鋼纜斷絲等問題,并對鋼纜的疲勞性能也會產(chǎn)生一定影響。因此,在日后的檢修和維護工作中應(yīng)對1號、2號、6號系泊纜予以更多關(guān)注。

3.2 觸地時長統(tǒng)計

上鋼纜往復(fù)觸地次數(shù)多少僅能反應(yīng)鋼纜觸地-抬起-觸地情況,但僅通過觸地次數(shù)的多少并不能夠全面的反映每根系泊纜的觸地情況。如7號～9號系泊纜,雖然觸地次數(shù)僅為1,但這是由于7號～9號系泊纜上鋼纜末端一直處于觸地狀態(tài),這顯然不滿足當前規(guī)范對避免鋼纜與海底接觸的相關(guān)要求。因此,除觸地次數(shù)統(tǒng)計之外,有必要對9根系泊纜上鋼纜末端的觸地時長進行統(tǒng)計分析。通過python編寫程序?qū)ι箱摾|末端觸地時長進行統(tǒng)計分析,得出1號系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜觸地時長為8 710 s。以同樣的方法得出其余系泊纜在3 h內(nèi)上鋼纜的觸地時長,結(jié)果見表5。

表5 1號～9號系泊纜上鋼纜觸地時長統(tǒng)計

由表5可知,1號、3號、6號、7號、8號、9號系泊纜上鋼纜末端觸地時長較長,2號、4號、5號系泊纜上鋼纜末端觸地時長相對較短,應(yīng)較為關(guān)注1號、3號、6號、7號、8號、9號這些系泊纜的上鋼纜實際情況。

4 結(jié)論

本文基于南海某FPSO上系泊系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備采集到的實測數(shù)據(jù),應(yīng)用Orcaflex建立數(shù)值模型,并通過python編寫程序?qū)ο挡聪到y(tǒng)中系泊纜上鋼纜末端的觸地次數(shù)及觸地時長進行統(tǒng)計分析。值得注意的是,該FPSO所在海域的環(huán)境方向主要是西向,系泊系統(tǒng)在設(shè)計之初也考慮環(huán)境方向進行了優(yōu)化,兩組系泊纜長度較長,另一組朝西的系泊纜較短,這與7號、8號、9號系泊纜上鋼纜長期處于觸地狀態(tài)的情況相一致。因此無論從設(shè)計還是基于實測數(shù)據(jù)分析,1號和6號較其他系泊纜更容易出現(xiàn)鋼纜磨損,鋼纜鎖接頭脫落、鋼纜松股、斷絲等情況,在實際工程中應(yīng)給予更多關(guān)注。