深水FPSO船体与系泊的时域耦合分析

施兴华， 路 瑞， 杭 岑， 嵇春艳

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江212003； 2. 上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125)



深水FPSO船体与系泊的时域耦合分析

施兴华1， 路 瑞1， 杭 岑2， 嵇春艳1

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江212003； 2. 上海振华重工(集团)股份有限公司， 上海 200125)

为了得到特定海况下合理的系泊方式，基于时域耦合理论，采用SESAM软件建立FPSO船体和系泊系统的耦合分析模型，从FPSO船体的运动响应和系缆张力两个角度，分别研究了张紧式系泊和悬链式系泊、单点系泊和多点系泊、单点系泊组式和分式布置、张紧式系泊张紧角、单点系泊风浪流夹角，以及月池开孔等因素对FPSO动力响应的影响。结果表明，对工作于恶劣海况的FPSO采用单点张紧式系泊的组式布置更为合理。且张紧角在30°~45°之间时，FPSO运动位移和系缆张力均在安全范围内，FPSO水平运动对风载荷较为敏感，系缆张力值对流的入射方向较为敏感。

深水FPSO；系泊；时域耦合分析；系缆张力

0 引言

FPSO具有投资小、开采风险低、施工周期短、建造质量好、建造费用对水深和海底地质条件不敏感、适应范围广等特点。FPSO通常被系泊系统定位于某一固定海域，进行长期的海上油气开发，不同于常规的运输船舶，FPSO在生产工况下，要求系泊系统能够限制其运动，以确保连接在FPSO与海底管道之间的立管不致有较大的偏斜，不会导致立管破坏，保证连续的安全生产。因此，必须研究在一段时间内，深水FPSO船体和系泊系统之间的耦合动力响应，分析选取特定工况下合理的系泊方式。

由于海洋环境条件复杂，FPSO在恶劣海况下的水动力性能及其系泊系统的定位能力一直是研究人员和工程人员关注的焦点。Wichers等[1]发展了全耦合时域数值模型，研究了深水系泊缆索和立管阻力系数对浮体运动和系泊缆索张力的耦合影响。黄祥鹿等[2]对如何求解系泊浮体在波浪中的运动响应进行了研究，提出了一种近似求解方法。Sphaier等[3]运用简化的船体运动方程解决了转塔式FPSO系泊系统的静力问题。朱建等[4]研究了西非海域涌浪对多点系泊FPSO水动力性能的影响。Kim等[5]采用实验方法研究了转塔式FPSO的船体与系泊的耦合运动。该文采用时域非线性方法对深水FPSO和船体进行了耦合计算，分析了不同系泊方式、张紧角、风浪流和月池开孔对系泊的影响。

1 系泊系统概述

1.1 系泊系统分类

单点系泊系统允许FPSO绕着某一个基点(FPSO中线面靠近船艏位置)产生风标效应而旋转，使得FPSO的船艏始终指向外载荷合力最小的方向，减小系统所需要的总系泊力。由于单点系泊系统具有水深适应范围大、可系泊超大型FPSO或油轮、抵抗海洋环境能力强等诸多优点而被广泛应用。当浮体长宽比约等于1，或者工作海域的海况较为缓和，或者环境力的方向性较为单一时，可以考虑使用多点系泊系统。

图1 悬链式系泊方式示意图

图2 张紧式系泊方式示意图

相对于单点系泊，多点系泊系统制造技术简单且经济，专利技术少，在国际上没有被垄断。但是缺点也是明显的：(1) 多点系泊系统有一个相当大的系泊线辐射范围；(2) 外输油轮难于直接旁靠FPSO；(3) 对于浅水海域使用多点系泊系统时，还应考虑系泊线对航行船舶的影响。因此，多点系泊系统主要用于原油外输频率低，环境条件温和的海域[6]。

1.2 系泊方式

1.2.1 悬链式系泊

悬链式系泊方式中，由锚链、钢缆，或两者组合形成的单根系泊线连结在浮体和锚之间，如图1所示。当浮体在环境载荷的影响下发生位移时，附连在其水下表面的系泊线将提升或下放海床，致使系泊线张力增加或减小，系泊系统通过多根系泊线组合形成的非线性回复力来实现平台的定位。常规设计的系泊线与海底水平相接，此时系锚点只受水平方向的力，使得锚的抓力得到充分发挥，防止走锚。但是，该理论忽略了系泊链受水动力而产生的位移以及轴向拉伸对浮体的影响。

1.2.2 张紧式系泊方式

深水系泊系统设计的最大问题是垂向载荷增加、水平回复力降低和FPSO的漂移增大。对于悬链系泊系统而言，水越深，系泊线直径越大，质量也就越大，而系泊线的悬链部分的质量全部由船体承担，因而FPSO的载重量就会减小，因此需要降低系泊线单位长度质量。

深水FPSO常选用张紧式系泊方式，如图2所示。采用轻质合成纤维材料的张紧式系泊线，较好地解决了钢质系泊线的尺度和质量随水深不断增加的弊端，辐射范围比悬链线式小很多，减小了系泊线的长度。

2 时域耦合分析

2.1 张紧式系泊和悬链式系泊对系泊性能的影响

图3 耦合分析模型

悬链式系泊一般采用三段式或者四段式，由钢链和钢缆间隔布置而成，回复力主要来自其自身重力[7]。随着水深的增加，悬链式系泊的重量也会逐渐增加，导缆孔处张力倾角减小，造成系泊系统的有效性降低。张紧式系泊可适用于较深水域，系泊缆以一定的角度到达海底，其回复力来自系泊缆的弹性伸长，通常采用三段式，两端为钢链，中间为合成纤维材料。这类系泊从平台导缆孔到海底锚处，几乎呈现直线型，可以有效的减少与附近其他水下设施碰撞的危险。

FPSO工作于中国南海海域，其工作水深为1 500 m。表1给出了中国南海海域百年一遇的极限海况，表2给出了悬链式系泊和张紧式系泊的系泊缆主要参数，图3给出了FPSO及其系泊系统耦合分析模型。

表1 环境参数

表2 悬链式系泊缆和张紧式系泊缆主要参数

表3 张紧式、悬链式系泊对系泊性能的影响

由表3可知，从FPSO六个自由度的最大运动响应可看出，在1 500 m深水海域，张紧式系泊和悬链式系泊这两种方式的系泊定位性能相当。然而，张紧式系泊的系泊缆张力和系泊缆湿重远小于悬链式系泊，而且，随着水深的增加，悬链式的系泊缆长度将逐渐增加，不利于海底管道和设备的布置，所以对于工作在深水海域的FPSO，张紧式系泊方式更加合适。

2.2 单点系泊和多点系泊对系泊性能的影响

研究多点系泊和单点系泊对南海海域FPSO系泊性能的影响，计算模型如图4所示，单点、多点系泊对系泊性能的影响见表4。

图4 耦合分析模型

响应单点系泊多点系泊响应单点系泊多点系泊纵荡/m-35.236-33.793横摇/(°)8.472-9.322横荡/m11.69311.762纵摇/(°)-5.1544.876垂荡/m-4.080-4.192艏摇/(°)5.5539.262系缆张力/kN3918.543613.33

由表4可知，单点系泊和多点系泊方式下的纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇以及系缆张力的最大值几乎相等，但多点系泊下的最大艏摇角比单点系泊的大，说明当FPSO 遭遇恶劣环境时，由于单点系泊具有良好的风标效应，可及时调整船体模态，使艏摇角变小，而多点系泊无法调整船体模态，使其具有较大的艏摇角。对于工作在较为恶劣海况下的FPSO，更适合采用单点系泊进行锚泊定位。此外，给出FPSO纵荡、横荡、系缆张力的时历曲线，可以更为明确地掌握单点系泊和多点系泊的运动过程，如图5所示。

图5 单点系泊和多点系泊纵荡、横荡、系缆最大张力时历曲线

2.3 系缆组式、分式布置对系泊性能的影响

对于采用内转塔式单点系泊深海作业的FPSO，系泊系统采用散射布置还是采用分组式布置将对空间布置产生重大影响，图6为内转塔式单点系泊的耦合模型，表5给出了组式、分式对应的纵荡、横荡以及最大张力的响应对比。

图6 耦合分析模型

表5 组式、分式对系泊性能的影响

图7 四种不同夹角的系泊布置方式

由表5可知，组式布置的系泊缆的最大张力要比分式布置的小，同时组式布置对船体的纵荡响应也略小于分式布置，这是由于在遇到恶劣海况时，组式布置的系泊方式抵抗环境载荷的系泊缆的根数较多，而分式布置的作用较分散，所造成分式布置的动力响应都偏大。因此在该文的环境工况下，建议系缆以组式布置更为合理。

2.4 张紧角对张紧式系泊性能的影响

张紧式系泊在初始时刻，系泊缆处于紧绷状态，FPSO系缆作用力由系泊缆与水平面的夹角决定。为了研究系泊缆与水平面夹角对系泊性能的影响，选取30°、35°、40°、45°四种张紧角，系缆布置方式如图7所示，四种系泊布置方式下系泊缆各分段长度见表6，计算结果见表7。

表6 四种系泊布置方式下系缆长度

表7 张紧角对系泊性能的影响

由表7可知，随着系缆与水平面夹角的逐渐增大，FPSO船体的纵荡响应具有较明显的增大趋势，横荡运动和艏摇运动具有小幅的减小趋势，而垂荡、横摇和纵摇值变化较小，此外，系缆的最大张力也随着夹角的增加而逐渐增加。FPSO六个自由度运动的最大值以及系泊缆的最大张力均在相关许用范围内，可以安全地进行生产作业，因此，深水FPSO的张紧式系泊方式的系缆与水平面的的初始夹角可以控制在30°~45°范围内，且较小夹角的系泊性能更优。

2.5 风浪流不同方向对张紧式系泊性能的影响

单点系泊系统具有良好的风标效应，比较适用于较为恶劣的海域，比如中国的南海海域。在FPSO所采用的单点系泊系统中，内转塔式系泊系统最为广泛，常用于中等水深和深海区域。

根据工程实践经验，FPSO运动响应的最大值以及系泊张力的最大值可能出现在风、浪同向，流与风、浪成0°、30°、45°、90°角；浪、流同向，风与浪、流成30°、45°、90°等工况。

针对水深为1 500 m的张紧式单点系泊FPSO，按照表2设计的系泊形式和组合缆材料，对不同风、浪、流方向组合工况下的FPSO运动响应及系缆动力响应进行计算，计算工况见表8。

表8 计算工况

2.5.1 运动响应分析

假定波浪入射方向不变，当风浪同向时改变流的入射方向，当浪流同向时改变风的入射方向，得到水平位移的结果见表9。

表9 不同工况下的最大水平位移

由表9可知，当风浪同向，来流与浪的夹角从0°增大到90°，FPSO的纵荡位移逐渐减小，其横荡位移逐渐增大且变化幅度较大。当浪流同向，随着风与浪向的夹角从0°增大到90°，FPSO的纵荡位移逐渐减小，其横荡位移逐渐增大。风、浪、流载荷中风载荷或者流载荷与另外两个之间有夹角时，斜风作用下的水平位移比斜流作用下的大，说明风载荷对FPSO水平运动的影响较为明显。

图8描述了七种工况下的三个自由度运动的最大值和标准差。最大值是FPSO各自由度上的最大偏移，标准差可以理解为FPSO运动的稳定性。FPSO斜风、顶流、顶浪时的偏移量比斜流、顶风、顶浪时的偏移量大。随着风、流的入射方向与浪的入射方向之间的夹角从0°变化到90°，FPSO的横荡及艏摇位移随之增加，其纵荡位移随之减小，同时斜风比斜流的横荡及艏摇运动的稳定性差。随着来风、流方向与来浪方向之间夹角的增加，FPSO纵荡运动的稳定性变化不大。

图8 不同工况下水平方向运动

2.5.2 系泊缆张力

FPSO的系缆布置方式如图6所示，假定位于船艏位置的系缆为A组缆，以逆时针方向旋转，依次为B、C、D，系缆编号依次为1#、2#、3#……16#。图9为7种工况下，A/B/C/D四组缆中受力最大的系泊缆的统计图。

图9 不同工况下系缆张力统计图

图9描述了不同工况下系缆张力的最大值、平均值及标准差。由图9(a)可知，沿船长方向布置在x轴正方向的A组缆，随着风、流与浪之间夹角的变化，系泊缆的受力相对较稳定，但是标准差较大，所以系缆易疲劳破坏，斜风情况下的系缆张力要略大于斜流情况，说明对于沿船长方向布置在船艏的系缆，斜风的影响要大于斜流。由图9(b)可知，布置在FPSO左舷的B组系缆，在流与浪夹角为45°时，系缆力突变出现最大值，说明45°斜流对B组缆影响较大。对于风、流与浪之间夹角的变化，B组缆的受力较敏感，具有较大的不稳定性。由图9(c)可知，相对于A组缆布置的C组缆，斜流影响比斜风大，同时对于风、流与浪之间夹角的变化，斜流的系缆张力稳定性要比斜风时差，且斜流下标准差值较大，系缆更易于破坏。由图9(d)可知，布置在右舷的D组缆，在横流下张力突变出现最大值，且斜流下的系缆张力均大于斜风下的张力，对于风、流与浪之间夹角的变化，系缆受力较敏感，斜流下的张力稳定性要明显比斜风下的差。

2.6 月池开孔对系泊性能的影响

选取月池开孔距船中90 m和无月池开孔的FPSO船体计算模型，如图10所示，计算结果见表10。

图10 时域耦合模型

表10 月池对系泊性能的影响

由表10可知，FPSO船体含有月池开孔时，其纵荡、垂荡、纵摇、艏摇以及系泊缆张力相对于无月池开孔时有所增大。含月池开孔时的横荡和横摇相对于无月池开孔时有所减小，月池开孔起到一定减摇的作用。这是因为，月池开孔的存在对船体的水动力系数有影响，从而对系泊性能产生一定的影响。

3 结论

该文研究了深水FPSO在中国南海海域，采用不同系泊方式的系泊性能。此外研究了不同风、流与浪之间的夹角及月池对系泊性能的影响。最后得到如下结论：

(1) 张紧式系泊比悬链式系泊更加适用于深水海域，在深水海域悬链式系泊的系缆重量和系缆张力明显大于张紧式系泊，悬链式系泊的系缆顶端张力极易达到破断强度，不适合深水海域。

(2) 对于工作在中国南海海域的FPSO，单点系泊方式要优于多点系泊方式，在恶劣的海况下，由于单点系泊具有良好的风标效应，其艏摇角要小于多点系泊。

(3) 在所有单点系泊方式中，内转塔式单点系泊应用较为广泛，在相同系缆，相同环境条件下，组式单点系泊要优于分式布置，在抵抗风浪流外环境时，组式布置的系泊中有较多系缆可以共同作用抵抗外环境。

(4) 深水FPSO采用张紧式单点系泊进行锚泊时，张紧角对整个系统的动力特性具有一定的影响，张紧角不宜过大也不宜过小，一般可取30°~45°。

(5) 斜风作用下的水平位移比斜流作用下的大，说明风载荷对FPSO水平运动的影响更加明显。此外，系缆张力值对流的入射方向较为敏感。

(6) 通过对含有月池开孔的船型和无月池开孔的船型分别进行系泊计算后可知，月池开孔的存在对FPSO船体的运动响应和系缆的张力都有一定的影响。

[1] Wichers J E, Devlin P V. Effect of coupling of mooring lines and risers on the design values for a turret moored FPSO in deep water of the Gulf of Mexico[C]. Proc. of the 11th ISOPE Conf, Stavanger, Norway, 2001.

[2] 黄祥鹿，陈小红，范菊．锚泊浮式结构波浪上运动的频域算法[J]. 上海交通大学学报, 2001,35(10): 1470-1476.

[3] S. H. SPHAIER, et al. Maneuvering model for the FPSO horizontal plane behavior [C]. ISOPE, 2000.

[4] 朱建，窦培林，陈刚. 西非海域涌浪对多点系泊FPSO水动力性能影响分析. 中国造船. 2014, 55(3):117-124.

[5] M. H. Kim, B. J. Koo, R. M. Mercier, et al. Vessel/mooring/riser coupled dynamic analysis of a turret-moored FPSO compared with OTRC experiment[J]. Ocean engineering, 2005, 32 (14): 1780-1802.

[6] 胡安康．FPSO浮式生产储油装置工程研究[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2012.

[7] 童波，杨建民，李欣．深水半潜式平台系泊系统动力特性研究[J]．海洋工程，2009，27 (2)：1-7.

Vessel and Mooring Coupled Analysis of Deepwater FPSO in Time-domain

SHI Xing-hua1, LU Rui1, HANG Cen2, JI Chun-yan1

(1. School of Naval Architrcture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China;2. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.， Ltd, Shanghai 200125, China)

In order to get reasonable mooring pattern in given sea condition, based on time-domain coupling theory, applying the SESAM establish the FPSO vessel and mooring coupled analysis model, From the response of t motion and tension, studying the influence of taut mooring and catenary mooring, single point and spread mooring, group and spread arrangement, angle between line and plane, angle of wind, wave, current and moonpool on mooring performance of FPSO. It is indicated that it is more reasonable to adopt point single point mooring in worse condition. The displacement and tension of FPSO are in the range of safety when the tension angle are between 30 degrees to 45 degrees. It is sensitive of horizontal movement of FPSO to wind, it is sensitive of cabin tension to incident direction of the flow.

deepwater FPSO; mooring; time domain coupled analysis; tension

2015-06-04

国家自然科学基金(51509113)，江苏省高校自然基金项目(13KJA570001, 14KJB580005)，江苏省重点实验室开放基金(CJ1306，CJ1403)。

施兴华(1981-)，男，副教授。

1001-4500(2016)01-0060-08

P75

A