谷圣廳,白楊

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

FPSO作為集原油生產(chǎn)、處理、存儲(chǔ),以及外輸功能為一體的綜合性海上平臺(tái),為遠(yuǎn)海油氣資源開發(fā)和生產(chǎn)提供了有力的保障[1]。但由于其作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)離岸線、環(huán)境條件惡劣,FPSO的系泊系統(tǒng)面臨更高的損傷及失效風(fēng)險(xiǎn)。懸鏈線式多點(diǎn)系泊是浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物較為常用的海上定位方式,由鋼制錨鏈構(gòu)成的傳統(tǒng)懸鏈線系泊系統(tǒng)隨著水深的增加其系泊線長(zhǎng)度和自重將快速增加,有效定位能力迅速降低,平臺(tái)的有效載荷受到很大的影響[2]。針對(duì)此問題,以50萬t級(jí)超大型FPSO的深水系泊系統(tǒng)為分析目標(biāo),選擇錨鏈-纖維纜-錨鏈的三段式多點(diǎn)系泊系統(tǒng)為基本方案,采用由動(dòng)態(tài)時(shí)域耦合分析方法,引入多參數(shù)優(yōu)化分析過程,采用系泊線張力與總長(zhǎng)度等關(guān)鍵控制參數(shù)構(gòu)成的約束條件提升優(yōu)化分析效率。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

目標(biāo)是一型總長(zhǎng)超過335 m,滿載排水量超過46萬t的超大型FPSO,作業(yè)海區(qū)位于南中國(guó)海域,設(shè)計(jì)工作水深500 m,外形見圖1,其結(jié)構(gòu)主尺度見表1。

表1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)主尺度列表

圖1 FPSO外形

該型平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)工況設(shè)計(jì)環(huán)境載荷為5年一遇風(fēng)浪流極值,風(fēng)暴自存工況設(shè)計(jì)環(huán)境載荷為200年一遇風(fēng)浪流極值。分析結(jié)果顯示:當(dāng)風(fēng)浪流同向時(shí),浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值更大,系泊錨鏈中張力幅值更高。選擇風(fēng)浪流同向的情況做環(huán)境載荷輸入條件,平臺(tái)作業(yè)海區(qū)的風(fēng)浪流環(huán)境參數(shù)條件見表2。

表2 作業(yè)海區(qū)環(huán)境條件

2 系泊系統(tǒng)布置

平臺(tái)采用的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)由對(duì)稱布置的4組系泊線構(gòu)成,其中首部2組系泊線每組由5根3段式錨鏈加聚酯纖維纜繩構(gòu)成,主方向與X軸正方向呈34°夾角,單根系泊線夾角4°;尾部2組系泊線每組由4根3段式錨鏈與聚酯纖維纜組合而成,主方向與X軸負(fù)方向呈30°夾角。系泊線通過導(dǎo)纜器與FPSO主船體舷側(cè)結(jié)構(gòu)相連。為了提高系泊線與海底的摩擦力,減小腐蝕損傷程度,躺底段采用R5級(jí)無檔鋼制錨鏈,系泊線中間段采用聚酯纖維纜繩,以減輕系泊線整體重量。與FPSO主船體相連的系泊線上段采用耐磨性能好的R5級(jí)鋼制錨鏈。系泊系統(tǒng)布置見圖2,組成系泊線的各段材料的參數(shù)見表3。

表3 FPSO系泊線成分

圖2 FPSO系泊布置示意

3 時(shí)域動(dòng)態(tài)分析方法

在早期的FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中,經(jīng)常采用頻域分析的方法評(píng)估FPSO平臺(tái)在系泊系統(tǒng)約束下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征,計(jì)算系泊系統(tǒng)的性能[3]。隨著FPSO主尺度與作業(yè)水深的增加,FPSO平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)非線性特征越來越明顯。時(shí)域分析方法能夠計(jì)算FPSO與系泊系統(tǒng)在任意時(shí)間長(zhǎng)度下的運(yùn)動(dòng)與載荷平衡過程,任意時(shí)刻的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可以描述為[5]

Cijxj(t)]=Fi(t)

(1)

式中:i為帶系泊系統(tǒng)的浮式風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)自由度;aij為平臺(tái)的慣性質(zhì)量矩陣;mij(t)為平臺(tái)的附加質(zhì)量矩陣;Kij(t)為阻尼函數(shù)矩陣;Cij為靜水恢復(fù)力矩陣;Fi(t)為波浪激勵(lì)載荷矩陣;Xj(t)為平臺(tái)的位移矩陣。對(duì)于FPSO船體或系泊纜繩,在任意時(shí)刻的受力平衡方程為

(2)

式中:md為帶低頻附加質(zhì)量;mj為系泊線在波浪頻率為ωj時(shí)的附加質(zhì)量;cd為低頻阻尼;cj為系泊線在波浪頻率為ωj時(shí)的附加阻尼;aj為遭遇波浪幅值;Fωf(t)為波浪激勵(lì)載荷。

FPSO帶系泊系統(tǒng)的時(shí)域分析,將多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的錨鏈與纜繩離散化為具有軸向剛度和質(zhì)量慣性的一維有限元模型,建立系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)方程。通過隨機(jī)的風(fēng)、浪、流作用時(shí)間歷程,計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與受力平衡,得到FPSO及系泊錨鏈的運(yùn)動(dòng)及受力情況在時(shí)間歷程上的結(jié)果。以風(fēng)暴自存工況為例,動(dòng)態(tài)時(shí)域耦合分析模型及計(jì)算結(jié)果中張力最大的一組系泊纜繩的軸向載荷變化見圖3、4。

圖3 動(dòng)態(tài)時(shí)域耦合分析模型

圖4 系泊錨鏈張力時(shí)程曲線

4 系泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

FPSO系泊系統(tǒng)的定位能力受到系泊線的數(shù)量、系泊線的布置夾角,系泊線的材料力學(xué)屬性,預(yù)張緊力以及系泊點(diǎn)的位置等參數(shù)的影響。具有多重約束條件的最優(yōu)解分析問題可以描述為[7]

minf(x)|x∈Rn:ci(x)≥0,i∈L

(3)

Ω={x∈Rn;Ci(x)≥0,i∈L}

(4)

式中:f(x)為期望函數(shù),描述優(yōu)化問題期望得到的結(jié)果或?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo),本項(xiàng)目第一期望函數(shù)要求為系泊線總長(zhǎng)度最小,第二期望函數(shù)要求為FPSO的水平運(yùn)動(dòng)極值滿足API要求。x為待優(yōu)化的目標(biāo)變量,可以指定為系泊線夾角,系泊線預(yù)張緊力等;Ci為約束條件變量,i∈L為約束條件函數(shù)。Ω為滿足約束函數(shù)的目標(biāo)參數(shù)集合。

在優(yōu)化分析的過程中,還需要設(shè)置對(duì)待優(yōu)化變量的改變趨勢(shì)進(jìn)行控制的懲罰函數(shù),當(dāng)優(yōu)化變量的值使得期望函數(shù)的結(jié)果偏離限制條件時(shí),優(yōu)化分析過程將放棄這些待優(yōu)化變量值,以保證分析效率。懲罰函數(shù)表達(dá)為

(5)

式中:ε為限制參數(shù)集合;μ為懲罰因子系數(shù),μ>0。

超大型FPSO的系泊系統(tǒng)多選擇在每個(gè)主要系泊方向上采用多根錨鏈構(gòu)成的一組系泊線[6]。在優(yōu)化分析過程中,首先通過動(dòng)態(tài)時(shí)域分析方法計(jì)算系泊纜數(shù)量對(duì)FPSO平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性的影響。同時(shí)比較單根系泊錨鏈上的張力極值。當(dāng)采用16根系泊纜時(shí),平臺(tái)在風(fēng)暴自存工況下的水平位移極值超過API規(guī)范的許用值。當(dāng)系泊纜數(shù)量增加到20根時(shí),平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)、橫蕩運(yùn)動(dòng)及水平面內(nèi)位移極值明顯減小,單根系泊纜上的張力極值滿足API規(guī)范要求。將系泊纜數(shù)量增加到24根時(shí),平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值及水平面內(nèi)位移極值繼續(xù)減小,但系泊纜的張力降低有限,說明系泊系統(tǒng)的效率開始降低。最終的方案選擇首部?jī)山M系泊線采用每組5根錨鏈,尾部2組系泊線每組采用4根錨鏈的布置型式。

當(dāng)系泊錨鏈間的夾角增大時(shí),每根錨鏈上的載荷差異將增大,平臺(tái)在水平面內(nèi)各方向上的運(yùn)動(dòng)幅值將逐漸增加。通過優(yōu)化分析方法,最終確定將每組系泊線中錨鏈間的夾角設(shè)置為4°。

系泊錨鏈的預(yù)張緊力指平臺(tái)在靜水環(huán)境下通過張緊系泊錨鏈對(duì)系泊系統(tǒng)施加的初始剛度。過小的預(yù)張緊力會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)的水平運(yùn)動(dòng)范圍加大,同時(shí)升沉及橫縱搖角度增加,運(yùn)動(dòng)加速度變大,對(duì)生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生不利的影響。優(yōu)化分析得到的系泊錨鏈預(yù)緊力參數(shù)在動(dòng)態(tài)時(shí)域耦合分析中通過了API規(guī)范的驗(yàn)證,至此,實(shí)現(xiàn)了對(duì)系泊系統(tǒng)各主要參數(shù)的優(yōu)化分析工作。

5 自存工況系泊系統(tǒng)能力驗(yàn)證分析

平臺(tái)的預(yù)定作業(yè)海區(qū)平均水深500 m,缺少島嶼、淺灘的遮蔽,風(fēng)浪涌浪發(fā)展迅速,容易受到西太平洋洋面生成的臺(tái)風(fēng)及熱帶氣旋等惡劣自然天候的影響。選擇200年一遇的風(fēng)浪流環(huán)境載荷極值,采用API RP 2SK規(guī)范[9]作為評(píng)價(jià)衡準(zhǔn),對(duì)系泊系統(tǒng)的定位能力與安全性進(jìn)行驗(yàn)證分析。在0°～180°中選擇13個(gè)方向的風(fēng)浪流載荷模擬不同方向的海況,分析采用的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s,總時(shí)長(zhǎng)為10 800 s。

對(duì)于風(fēng)暴自存工況,根據(jù)AIP 規(guī)范要求,將分別計(jì)算系泊線保持完整和一根系泊線發(fā)生失效情況下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況和系泊線的張力。API規(guī)范對(duì)風(fēng)暴自存工況中系泊線完整及破損情況下的系泊系統(tǒng)有效性評(píng)價(jià)衡準(zhǔn)見表4。

表4 API規(guī)范對(duì)于風(fēng)暴自存工況FPSO位移要求與系泊線張力極值

分析結(jié)果顯示:在風(fēng)暴自存工況下,當(dāng)系泊系統(tǒng)保持完整,或1根系泊線失效時(shí),FPSO的水平位移極值與系泊線張力極值都滿足規(guī)范的要求,能夠保障FPSO的安全。FPSO在風(fēng)暴自存工況下系泊系統(tǒng)保持完整和1根系泊線失效時(shí)的最大水平位移計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 風(fēng)暴自存工況水深為480.0 m時(shí)FPSO位移計(jì)算結(jié)果

FPSO在風(fēng)暴自存工況下系泊系統(tǒng)保持完整和1根系泊線失效時(shí)的系泊線張力極值計(jì)算結(jié)果見表6,破斷載荷為13 780 kN,狀態(tài)均為安全。

表6 風(fēng)暴自存工況FPSO系泊線張力結(jié)果

6 結(jié)論

1)超大型FPSO的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作是一項(xiàng)包含多重變量及多項(xiàng)控制參數(shù)與約束條件的復(fù)域求解問題,在設(shè)計(jì)之初應(yīng)首先確定最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)與關(guān)鍵性約束條件,通過合理應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,加快優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的收斂,提升設(shè)計(jì)效率。

2)時(shí)域動(dòng)態(tài)分析方法對(duì)超大型FPSO系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。風(fēng)浪流環(huán)境下作用在FPSO船體上的各類載荷成分的量級(jí)差異巨大,同時(shí)數(shù)量眾多的系泊線和立管系統(tǒng)將顯著影響FPSO系泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)阻尼和固有周期。動(dòng)態(tài)時(shí)域方法將系泊錨鏈與立管系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼等與FPSO自身的運(yùn)動(dòng)特性在時(shí)間序列上統(tǒng)一求解,還可以通過傅里葉變換將時(shí)域分析結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到FPSO或錨鏈系統(tǒng)在頻域下的響應(yīng)特征函數(shù),并根據(jù)需要進(jìn)一步進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析或極值預(yù)報(bào)。

3)滿載與壓載工況下超大型FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征與系泊系統(tǒng)的受力特性差異巨大,對(duì)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著很大的影響。滿載工況下FPSO重心位置偏低,各方向運(yùn)動(dòng)固有周期偏大,在系泊系統(tǒng)約束下多呈現(xiàn)低頻大幅值的水平漂移運(yùn)動(dòng)。壓載工況下FPSO吃水較淺,惡劣海況下風(fēng)載荷對(duì)FPSO的橫搖及搖首運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響,同時(shí)橫搖周期變短,當(dāng)系泊系統(tǒng)剛度過大時(shí),在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下容易出現(xiàn)不規(guī)則振蕩運(yùn)動(dòng)。