朱為全， 李　達， 高　巍， 董　璐, 王　鑫

(1. 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京100011；2. 中海油研究總院，北京 100027；3.中船重工經(jīng)濟研究中心，北京 100101； 4.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

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淺水惡劣環(huán)境下單點系泊系統(tǒng)設計

朱為全1， 李達2， 高巍3， 董璐1, 王鑫4

(1. 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京100011；2. 中海油研究總院，北京 100027；3.中船重工經(jīng)濟研究中心，北京 100101； 4.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

摘要：隨著海洋石油資源的開發(fā)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊逐漸成為惡劣環(huán)境下FPSO定位的主流系泊方式之一。無論是可解脫系泊系統(tǒng)還是永久式系泊系統(tǒng)，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊的水深適應性都得到了廣泛的認可。然而，對于淺水下的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊設計有著如下的挑戰(zhàn)：惡劣的自然環(huán)境使得FPSO具有較大的低頻漂移運動，系泊系統(tǒng)需要有足夠的恢復力特性。該文針對中國南海水深為90 m左右的FPSO設計內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)，該FPSO為新建15萬噸級FPSO，使用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)定位。針對設計惡劣的環(huán)境條件(500年一遇)設計了系泊系統(tǒng)，進行掃略分析并進行了立管校核。計算結(jié)果表明：該系泊系統(tǒng)性能良好，滿足規(guī)范和立管設計要求。

關(guān)鍵詞：單點系泊；淺水；惡劣環(huán)境

0引言

一艘新建15萬噸級FPSO將用于中國南海珠江口盆地的油田開發(fā)，此處水深87 m。該FPSO使用內(nèi)轉(zhuǎn)臺單點系泊定位，設計壽命30年。一根12″的立管和一個供電臍帶連接DPP平臺與新建FPSO。

中國南海經(jīng)常有臺風過境，近年來臺風的過境次數(shù)和破壞力均有所增強，帶來的后果是極限環(huán)境設計條件隨之增加[1]，出于安全設計考慮，系泊系統(tǒng)的極限設計條件也隨之提高?？紤]到該FPSO較長的設計壽命(30年)，采用100年一遇的環(huán)境條件作為極端設計條件會使得最終結(jié)果偏于危險?；诖?，系泊系統(tǒng)的極端設計條件從100年一遇增加到500年一遇。

使用如此嚴酷的環(huán)境條件作為計算設計條件，同時水深僅有87 m，該FPSO的系泊系統(tǒng)設計遇到了較大的挑戰(zhàn)。該系泊系統(tǒng)必須具有足夠的破斷強度以保證纜繩的安全性，同時還需要有足夠的恢復力特性以滿足500年一遇條件下立管的安全性。

該文采用時域分析方法對系泊系統(tǒng)進行計算分析，并進行系泊系統(tǒng)-立管耦合分析計算以校驗所設計的系泊系統(tǒng)是否滿足立管要求。

1基本信息

1.1環(huán)境條件

新建FPSO位置水深為87 m，環(huán)境設計條件見表1。從100年一遇到200年、500年一遇，有義波高分別增加4%和10%，相應的譜峰周期增加5%和10%，表面流速分別增加5%和10%。同一地點設計條件變化情況比較見表2。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，百年一遇的極端設計條件出現(xiàn)了非常明顯的增加。

近年，若干級別較高的臺風襲擊了中國南海沿岸，這導致了極端設計條件的增加。一般情況下，對于20年設計壽命的浮式設施，百年一遇的環(huán)境條件可以作為系泊系統(tǒng)的極端設計條件。新建FPSO有長達30年的設計壽命，相應的計算設計條件也應提高?？紤]到南海極端設計條件長期的增長趨勢，選擇500年一遇的環(huán)境條件作為該FPSO單點系泊系統(tǒng)的極端設計條件。

表1　FPSO系泊系統(tǒng)極端環(huán)境條件比較

表2　南海同一地點環(huán)境條件變化比較

波、風、流主導下的條件極值見表3，其中500年一遇的環(huán)境條件將作為系泊設計的環(huán)境輸入條件。

表3　FPSO系泊系統(tǒng)500年一遇條件極值

1.2FPSO主尺度信息

新建FPSO的主尺度見表4。該FPSO的升沉固有周期為11 s，橫搖固有周期為15 s左右，縱搖固有周期為10 s左右。

表4　FPSO主尺度信息

1.3FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式

在造價、可靠性、操作簡便性及安裝時間等方面比較了三種主要的內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式。

(1) 快速解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)：投資高，安全性高，回接時間短，但是停產(chǎn)時間長；

(2) 永久式系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，配備浮筒和快速解脫設備：投資高，安全性高，回接時間短，停產(chǎn)時間短；

(3) 永久式系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，無浮筒和解脫系統(tǒng)：投資最低，安全性高，停產(chǎn)時間短，但是回接時間最長。

在中國南海北部的FPSO實際操作經(jīng)驗表明：系泊系統(tǒng)的回接需要兩周以上的天氣窗口。這項工作必須在臺風季節(jié)進行，因為非臺風季節(jié)會有長時間的季風環(huán)境。這就要求單點系統(tǒng)必須具有較短的回接時間，同時停產(chǎn)時間必須短?；诖耍诙N單點系統(tǒng)選為新建FPSO的單點系統(tǒng)[2]。

2設計基礎

2.1系泊纜安全系數(shù)

根據(jù)API-RP-2SK，對于動態(tài)分析校核需要的安全系數(shù)要求見表5，可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　可解脫內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)狀態(tài)分析方法安全系數(shù)完整動態(tài)1.67破斷動態(tài)1.25

2.2立管限制條件

開發(fā)方案中有兩根立管連接DPP平臺和FPSO，為一根12寸立管和一根臍帶纜[3]。

對于立管：

(1) 最小彎曲半徑大于4.94 m；

(2) 許用張力小于4 329 kN；

(3) 與其他海底結(jié)構(gòu)物無碰撞；

(4) 與FPSO解脫后與海底基本無接觸；

(5) 至少滿足100年一遇環(huán)境條件。

對于臍帶纜：

(1) 最小彎曲半徑大于3 m ；

(2) 許用張力小于500 kN ；

(3) 與其他海底結(jié)構(gòu)物無碰撞；

(4) 與FPSO解脫后與海底基本無接觸；

(5) 至少滿足100年一遇環(huán)境條件。

為了滿足以上要求，立管需進行選型，最終確定采用陡波型立管；為了保證立管系統(tǒng)的安全，系泊系統(tǒng)必須有足夠的定位能力。

3系泊設計

為了適應設計條件要求，系泊系統(tǒng)須有合理的回復剛度以限制FPSO的位移。87 m的水深條件下，系泊鏈具有非常明顯的懸鏈線特征，回復剛度主要由系泊纜自身重量和海底臥鏈重量所提供，為了達到更好的定位效果，錨鏈需增加配重塊以增加系泊系統(tǒng)回復能力。為了控制纜繩張力載荷和FPSO漂移運動，系泊系統(tǒng)的布置采用分組布置。FPSO系泊系統(tǒng)的分組布置通常采用3×3、3×4或者更多纜繩的組合。

3.1單根纜布置

由于水深較淺，F(xiàn)PSO系泊纜的懸鏈線形狀比較固定。為了順應FPSO的偏移，系泊纜應具有小的張力剛度，同時具有較長的長度。由于系泊纜將與海底經(jīng)常接觸、摩擦，因而聚酯纜不在考慮范圍內(nèi)。出于連接操作考慮，系泊纜連接導纜孔的上段部分應為鋼鏈。為了減小單點垂向受力，系泊纜的中間段將選擇鋼纜。需注意的是，要避免鋼纜出現(xiàn)在系泊纜與海底的接觸段范圍內(nèi)，以防止頻繁接觸對鋼纜造成破壞?；谝陨峡紤]，新建FPSO的系泊纜將由鋼鏈-鋼纜-鋼鏈以及配重塊組成。

為了估算所需要的上端鋼鏈直徑，將FPSO壓載工況時的導纜孔作為系泊纜上端的輸入條件；出于簡便考慮，將風浪流同向的波浪主導環(huán)境條件作為輸入條件，將FPSO最大的風力系數(shù)和流力系數(shù)作為輸入條件。通過Ariane進行試算得出初步結(jié)論：上端鏈使用R4K4，直徑不應小于146 mm。

對無配重塊和不同重量配重塊對于系泊回復特性的影響進行了比較，比較結(jié)果如圖2所示。系泊半徑1 200 m，F(xiàn)PSO處于壓載狀態(tài)，錨鏈直徑146 mm。當配重塊重量增加時(分別為1 t/m, 1.3 t/m 和1.6 t/m)，系泊纜剛度增加明顯，同時張力也相應增加。當導纜孔水平偏移22 m時，相比于無配重塊系泊纜，有配重塊時系泊纜上端張力分別增加8%，13%和15%。當系泊纜張力同為12 000 kN時，有配重塊系泊纜連接的導纜孔偏移分別減小1.3 m，1.9 m和2.3 m。綜合考慮造價和性能，躺底段配重塊重量選為1.3 t/m。

圖2　不同配重重量對系泊纜恢復力特性影響

3.2系泊系統(tǒng)

FPSO系泊系統(tǒng)采用分組布置，具體為每4根系泊纜一組，分為三組，整個系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成，單組中纜繩間距4°，每組纜繩間距108°，系泊布置如圖3所示。

圖3　系泊布置

3.3系泊系統(tǒng)評估

設計過程中評估了兩種不同系泊半徑(950 m和1 200 m)系泊系統(tǒng)的性能，系泊纜組成見表6。兩種系泊半徑下FPSO壓載時水平回復剛度比較結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，系泊半徑1 200 m的系泊方案在In Line方向恢復剛度較小，Between Line方向兩種方案恢復剛度相當。

表6　系泊纜組成比較

圖4　不同系泊半徑FPSO壓載狀態(tài)水平剛度曲線比較

3.4掃略分析

根據(jù)ABS規(guī)范對于單點系泊系統(tǒng)系泊分析環(huán)境角度組合建議，對兩種系泊半徑系泊布置進行掃略分析，環(huán)境角度組合為[4]：

(1) 同向環(huán)境條件下，計算角度(波浪，風，流)= (α, α, α), α= 0°, 15°,30°, 60°。

(2) 非同向環(huán)境條件下，計算角度(波浪，風，流)= (α, α+30°, α+90°), α =0°, 15°, 30°, 60°。

為了快速得到設計值，采用Ariane作為分析軟件。掃略分析中對鋼鏈的破斷力考慮0.3 mm的年腐蝕量，總共9 mm的腐蝕量影響，對計算結(jié)果添加1.1倍的動力放大系數(shù)以近似考慮纜繩動態(tài)影響，比較結(jié)果見表7、表8，由表7、表8可以看出：當FPSO壓載時，纜繩張力較大；當系泊半徑為1 200 m時，纜繩張力載荷較小，F(xiàn)PSO位移較大。由于當前鋼鏈直徑已經(jīng)較大，出于安全系數(shù)考慮，系泊半徑1 200 m方案作為最終的系泊系統(tǒng)設計方案。

表7　兩個系泊系統(tǒng)掃略分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)完整工況)

表8　兩個系泊系統(tǒng)掃略分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)破斷工況)

3.5立管-系泊系統(tǒng)耦合分析

為了確保設計的系泊系統(tǒng)能夠滿足立管設計要求，需進行立管-系泊系統(tǒng)耦合分析。在進行耦合分析前，需比較纜繩動態(tài)響應對于系泊系統(tǒng)的影響，選取典型工況分別使用Ariane 和Orcaflex進行分析，二者結(jié)果比較見表9、表10。由于Arian并不能考慮纜繩動態(tài)響應，在添加了1.1倍的動力放大系數(shù)進行修正后，纜繩張力結(jié)果與Orcaflex計算結(jié)果非常接近，但FPSO偏移值小于Orcaflex計算結(jié)果，因而有必要進行立管-系泊系統(tǒng)耦合計算來進一步的分析。

表9　Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)完整)

表10　Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結(jié)果比較(系泊系統(tǒng)破斷)

使用Orcaflex建立立管-系泊系統(tǒng)時域耦合分析模型。從立管選型分析中可以確定遠端工況時立管最危險，此時環(huán)境條件為500年一遇，環(huán)境來向為風浪流同向，沿著Between Line方向指向FPSO。耦合計算分析進行了5個不同種子的時域計算，耦合分析結(jié)果見表11。分析結(jié)果表明，系泊系統(tǒng)能夠滿足立管設計要求。

表11　耦合分析結(jié)果

4結(jié)論

該文針對一艘在中國南海北部水深87 m油田工作的新建FPSO設計了單點系泊系統(tǒng)。針對500年一遇的極端設計進行時域動力分析。比較了兩種系泊半徑下系泊系統(tǒng)的性能情況，確定系泊半徑1 200 m的系泊方案作為最終的設計方案，并進行了立管-系泊系統(tǒng)耦合時域分析。最終得出了如下結(jié)論：

(1) 基于南海北部FPSO系泊纜回接操作實際經(jīng)驗以及環(huán)境特性，新建FPSO的內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式為有浮筒可解脫的永久系泊。

(2) 較淺的水深使得系泊纜懸鏈線特性明顯，其恢復力主要靠躺底鏈提供。為了提高系泊纜恢復特性，對系泊纜添加1.3 t/m的配重塊，效果明顯。

(3) 系泊系統(tǒng)采用3×4的布置方式可以較為均勻的分配傳遞環(huán)境載荷。

(4) 當FPSO滿載時系泊系統(tǒng)受力最大,這與較大的環(huán)境條件和較淺的水深有關(guān)。

(5) 系泊半徑1 200 m的系泊方案能夠滿足規(guī)范對張力安全系數(shù)的要求和立管對于FPSO位移的要求。950 m系泊半徑方案不能滿足張力規(guī)范要求，但FPSO最大漂移小于1 200 m的方案。

(6) 單根纜破斷工況不是控制工況。這主要是因為系泊系統(tǒng)一組纜繩由4根系泊纜組成，當單根纜破斷時載荷依舊能夠較為均勻的進行分配。

(7) 系泊系統(tǒng)能夠滿足規(guī)范對于纜繩張力安全系數(shù)的要求和立管的要求。在500年一遇的環(huán)境條件下立管和臍帶纜在FPSO位移34 m條件下滿足最小彎曲半徑和許用張力的要求。

參考文獻

[1]LIU Hua-xiang, LI Da, BAI Xue-ping. Research and Design on Internal Turret Mooring System of FPSO in South China Sea[C].OMAR 2014-23739.

[2]LI Da, YI Cong, XU, Zhen-hai.Scenario Research and Design of FPSO in South China Sea[C].ISOPE 2014, TPC-0512.

[3]QI Xiao-liang , YI Xie, LU Yong. Design and Optimization of Riser Configuration Based on EP24-2[C]. OTC-Aisa 24824.

[4]ABS. Floating Production Installations, 2004.

Challenge for Turret Moorings in Shallow Water and Harsh Environments Conditions

ZHU Wei-quan2, LI Da1, GAO Wei2, DONG Lu2， WANG Xin4

(1.COTEC Offshore Engineering Solutions， Beijing 100011，China；2.CNOOC Research Institute，Beijing 100027, China；3.China Shipbuilding Industry Corpsration Economic Research Center, Beijing 100101, China；4.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China)

Abstract：Quickly becoming one of the most common moorings for extreme design conditions is the internal turret mooring system. Available as either a permanent or a disconnectable system, the internal turret mooring is recognized for its versatility from shallow water to deep water depths. However, design of such mooring system meets some challenges in shallow water： 1) harsh environments in location; 2) large dynamic offset as low frequency motion; 3) enough restoring force of the mooring system. In this paper, a turret mooring system will be designed for a FPSO system in shallow water in South China Sea where the water depth of about 90 m. A newly build 150 000 DWT FPSO will be located in this field and the unit is kept by a single point mooring system of internal turret type. With response to the harsh environments (500year environments conditions), a dynamic analysis will be performed for the mooring system. It is conclude that the proposed mooring system is fully effective and functional

Keywords：single point mooring; shallow water; harsh enviroment

中圖分類號:P75

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0014-07

作者簡介：朱為全(1981-)，男，工程師。

收稿日期：2015-01-23