海洋石油112冬季海況單點(diǎn)系統(tǒng)受力分析

嚴(yán)明，李德斌，田冠楠

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300452)

摘要：考慮到渤海灣冬季大風(fēng)頻發(fā)，為有效提高FPSO系統(tǒng)的抗風(fēng)浪能力，采用時(shí)域模擬計(jì)算方法，針對冬季海況對海洋石油112FPSO 18種裝載工況進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，找出系泊力相對較小的裝載工況，對FPSO冬季惡劣海況下作業(yè)的裝配載提出建議。

關(guān)鍵詞：海洋石油112；系泊系統(tǒng)；冬季；裝載

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.023

中圖分類號：U661.2;P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0080-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一嚴(yán)明(1983-)，男，碩士，工程師

Abstract:In recent years, gale occurs frequently in winter in Bohai bay. In order to improve effectively the wave resistance capacity of FPSO system, the dynamic responses of the HYSY112 FPSO under 18 loading conditions are calculated for mooring analysis by using time domain simulation method. The loading condition that mooring force is relatively small is found out, and loading suggestions in harsh winter are given for operating the FPSO.

修回日期：2015-09-01

資助項(xiàng)目：工信部項(xiàng)目(2069F1130011)

研究方向:海工浮體

E-mail:yanming2@cnooc.com.cn

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)是海洋油氣資源生產(chǎn)的主要裝備，一但出現(xiàn)問題將造成極為嚴(yán)重的后果[1]。近年來海洋環(huán)境條件愈加惡劣，渤海灣冬季大風(fēng)頻發(fā)，給海上現(xiàn)已服役多年的FPSO的安全生產(chǎn)帶來極大挑戰(zhàn)。如何能夠科學(xué)有效地降低惡劣環(huán)境條件下FPSO的系泊力，提高其抵抗風(fēng)浪流聯(lián)合作用的能力是作業(yè)者及其關(guān)心的問題。

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力的大小與FPSO船體的運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)，而裝載不同船體的運(yùn)動(dòng)是不同的。本文以作業(yè)于CFD11-1/11-2油田的海洋石油112為研究對象，應(yīng)用HydroSTAR及ORCAFLEX軟件分別對18種不同裝載工況的FPSO進(jìn)行三維水動(dòng)力分析及系泊時(shí)域模擬，從而得到FPSO的時(shí)歷運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線及系泊受力情況。通過對計(jì)算結(jié)果的分析，找到了冬季海況條件下系泊力相對較小的裝載工況，為提高FPSO冬季作業(yè)的安全提供參考。

1FPSO頻域水動(dòng)力分析

1.1FPSO主尺度參數(shù)及水動(dòng)力模型

FPSO主尺度及水動(dòng)力網(wǎng)格模型見表1，圖1。

1.2裝載工況的選擇

從裝載手冊中選擇18種工況，見表2。

表1　HYSY112 FPSO主尺度

圖1　HydroSTAR水動(dòng)力網(wǎng)格模型

工況裝載形式平均吃水/mLc1100%FullLOAD+100%BUNK-ER15.6Lc2100%FullLOAD+10%BUNKER15.3Lc375%FullLOAD+100%BUNK-ER13.1Lc475%FullLOAD+10%BUNKER12.8Lc550%FullLOAD+100%BUNK-ER10.3Lc650%FullLOAD+10%BUNKER10.0Lc725%FullLOAD+100%BUNK-ER10.5Lc825%FullLOAD+10%BUNKER10.2Lc9BALLAST+100%BUNK-ER9.2Lc10BALLAST+10%BUNKER9.1Lc11NO1EMPTY+OTHERFULL15.4Lc12NO2EMPTY+OTHERFULL15.5Lc13NO3EMPTY+OTHERFULL15.3Lc14NO4EMPTY+OTHERFULL15.1Lc15NO5EMPTY+OTHERFULL15.4Lc16NO6EMPTY+OTHERFULL15.6Lc17NO1、3、5EMPTY+N0246FULL13.3Lc18NO1、3、5FULL+N0246EMP-TY13.4

1.3水動(dòng)力分析

應(yīng)用基于三維勢流理論的水動(dòng)力分析軟件HydroSTAR進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析，求得FPSO的運(yùn)動(dòng)位移RAO、二階平均漂移力系數(shù)、輻射阻尼系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)等參數(shù)。

2FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域分析

2.1系泊系統(tǒng)的組成

海洋石油112FPSO采用由APL公司設(shè)計(jì)的水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，水下YOKE通過兩條系泊錨鏈同船體支撐結(jié)構(gòu)相連接提供恢復(fù)力，使FPSO在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下產(chǎn)生風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，圍繞系泊轉(zhuǎn)塔作360°旋轉(zhuǎn)，見圖2，水動(dòng)力參數(shù)見表3。

圖2　系泊系統(tǒng)示意

2.2環(huán)境條件

根據(jù)CFD11-1/11-2油田現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從中截取11月份～ 2月份冬季條件下的環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)渤海灣的季風(fēng)氣候的特點(diǎn)，選取了風(fēng)、浪、流的主方向和最大值，見表4。

作業(yè)海域潮汐值，低潮時(shí)為-0.03 m，高潮時(shí)為+2.26 m。

2.3系泊計(jì)算與分析

系泊系統(tǒng)動(dòng)力分析采用全耦合動(dòng)態(tài)分析的方法，將之前得到的各裝載狀況FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)導(dǎo)入到系泊系統(tǒng)模型中(見圖3)，然后根據(jù)非線性時(shí)域理論，應(yīng)用3D纜索動(dòng)力學(xué)時(shí)域求解工具ORCAFLEX軟件進(jìn)行系泊系統(tǒng)3 h的時(shí)域模擬分析，同時(shí)進(jìn)行Tp和潮汐的敏感性分析[2-6]。

表4　環(huán)境條件

圖3　ORCAFLEX單點(diǎn)系泊模型

系泊轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)剛度曲線由YOKE的重量決定，同時(shí)也與連接FPSO和YOKE的系泊錨鏈長度以及FPSO艏部吃水有關(guān)。

圖4是以FPSO艏部和轉(zhuǎn)塔之間距離S為參數(shù)的水平系泊力曲線圖。

圖4　壓載和滿載工況剛度

該距離指的是轉(zhuǎn)塔中心到FPSO艏部系泊支撐結(jié)構(gòu)與系泊錨鏈連接處的縱向距離。水下YOKE壓載濕重750 t，每根系泊錨鏈預(yù)張力均為3 750 kN。

圖4中，F(xiàn)xBall和FxLoad是APL原始設(shè)計(jì)報(bào)告中得到的，OrcaBall和OrcaLoad是軟件模型校驗(yàn)結(jié)果。由圖4可見，模型剛度曲線與APL設(shè)計(jì)報(bào)告擬合較好；壓載工況(ballast)的剛度曲線比滿載工況(loaded)要稍陡峭一些。

根據(jù)BV規(guī)范(NI461&NI493)，系泊分析中所使用的FPSO線性阻尼系數(shù)采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

艏搖阻尼系數(shù)：0.083L2Byy；

式中：m——FPSO的總質(zhì)量；

L、B——FPSO的長與寬。

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，定義設(shè)計(jì)張力為

(2)

式中：TM——n次分析下最大系泊張力的平均值；

TS——n次分析下最大系泊張力標(biāo)準(zhǔn)差；

a—— 比例因子。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1轉(zhuǎn)塔受力分析

不同裝載工況下轉(zhuǎn)塔最大系泊力見圖5、6。

圖5　風(fēng)浪同向，轉(zhuǎn)塔最大受力

圖6　風(fēng)浪不同向，轉(zhuǎn)塔最大受力

在不同環(huán)境工況組合下，隨著FPSO吃水增加，SPM轉(zhuǎn)塔上最大受力會(huì)變小一些，這是因?yàn)榘凑請D4所示的剛度曲線，當(dāng)裝載減小時(shí)(即吃水變淺時(shí))，剛度曲線變得更加陡峭。

3.2錨鏈?zhǔn)芰Ψ治?/p>

不同裝載工況下錨鏈最大受力見圖7、8。

圖7　風(fēng)浪同向，錨鏈最大受力

圖8　風(fēng)浪不同向，錨鏈最大受力

在不同的環(huán)境工況組合下，隨著FPSO吃水增加，錨鏈最大受力會(huì)變小一些，原因同轉(zhuǎn)塔受力的分析。

3.3敏感性分析

針對波浪周期±10%，轉(zhuǎn)塔上最大系泊力計(jì)算結(jié)果如下。

分析對比可以看到，波浪周期Tp±10%對于轉(zhuǎn)塔最大受力是一個(gè)很敏感的參數(shù)，在Tp+10%時(shí)尤其明顯。隨著Tp的減小，轉(zhuǎn)塔最大受力也會(huì)隨之變小一些。

圖9　風(fēng)浪同向，T p+10%，轉(zhuǎn)塔最大受力

圖10　風(fēng)浪不同向，T p+10%，轉(zhuǎn)塔最大受力

Tp增大后，波浪周期與船體橫搖周期接近，改變了船體波頻運(yùn)動(dòng)同時(shí)，也改變了船體慢漂運(yùn)動(dòng)的特性。

圖11　風(fēng)浪同向，T p-10%，轉(zhuǎn)塔最大受力

圖12　風(fēng)浪不同向，T p-10%，轉(zhuǎn)塔最大受力

Tp減小后，對船體的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)塔受力比較有利，減小了轉(zhuǎn)塔受力。

圖13　考慮潮汐，壓載工況轉(zhuǎn)塔最大受力

圖14　考慮潮汐，滿載工況轉(zhuǎn)塔最大受力

在系泊錨鏈長度和FPSO吃水不發(fā)生變化的條件下，潮汐的增加相當(dāng)于改變了初始的剛度曲線，使在壓載時(shí)剛度曲線更加陡峭，在高潮位2 m的情況下，計(jì)算結(jié)果顯示潮汐對轉(zhuǎn)塔最大受力的影響不大。

4結(jié)論

1)從剛度曲線上看，隨著吃水減小，剛度曲線變得陡峭，系泊力增長較快。因此FPSO在吃水較淺時(shí)，SPM單點(diǎn)上系泊力會(huì)比較大，所以不建議采用空載方案；

2)隨著吃水的增加，SPM單點(diǎn)上系泊力會(huì)變的小一些，這在一定程度上能優(yōu)化系泊力，但是對于目前已經(jīng)存在諸多問題的SPM單點(diǎn)系統(tǒng)，這種裝載方案并不能足以確保系泊系統(tǒng)的安全；

3)Tp的改變能顯著的改變系泊力的大小，波浪的Tp也是影響系泊力大小的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)；

4)潮汐的變化對轉(zhuǎn)塔受力影響不大。

5)通過提高儲(chǔ)油量增加吃水的方式來降低系泊力的同時(shí)也必須警惕由此可能導(dǎo)致的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)等。

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The Mooring Analysis of the SPM System for HYSY112 in Winter Sea State

YAN Ming, LI De-bin, TIAN Guan-nan

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tanggu 300452, China)

Key words: HYSY112; mooring system; winter; loading