深水FPSO船体、系泊与立管的时域耦合分析

施兴华，徐烁硕，杭　岑，章　柯

(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、系泊与立管的时域耦合分析

施兴华1，徐烁硕1，杭岑2，章柯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)

摘要：基于时域耦合理论，应用SESAM/DeepC模块，采用时域非线性方法对深水FPSO船体、系泊与立管进行耦合计算，分析考虑立管和不考虑立管影响下的系泊性能，研究立管的单位长度质量、立管的轴向刚度，以及立管上安装浮力块的位置、质量和体积对FPSO系泊性能的影响，探讨了由于浮力块设置形成不同形式的立管对FPSO动力响应的影响。结果表明，立管可减小深水FPSO的系泊缆张力和运动响应，简单悬链线立管的顶端张力均较大，安装浮力块后可有效减小张力。

关键词：深水FPSO；立管；系泊；耦合分析

海洋立管是深海浮式结构物的关键组成部分，不仅是海面与海底的连接通道，也是连接水下井口与水上浮体的纽带。风、浪、流等环境载荷作用下，系泊状态下FPSO水动力性能的数值预报一直是学者们研究的热点问题。很多学者在进行FPSO系统时域耦合计算[1]时，通常忽略立管系统的影响，实际上立管系统也会对整个系泊系统的刚度产生影响，而且在耦合分析中，作用在立管上的环境载荷会对整个分析产生影响。近年来有学者，考虑船体-系泊-立管的耦合作用，将立管作用视为船体的拉力，Arcandra[2]研究了平台、系泊缆索、立管系统的水动力特性，M. H. Kim[3]建立了转塔系泊FPSO的船体、锚泊、立管系统耦合水动力模型，对其进行了时域分析。同时单独针对立管开展其动力特性研究，孙丽萍[4]和丁鹏龙[5]分别研究了立管参数及浮力块对缓波型和陡波型布置的柔性立管动力响应的影响规律。但是FPSO和系泊系统、立管系统耦合之后会显著地表现出非线性特性，需要用时域耦合方法进行精确模拟，冯爱春[6]用耦合分析方法研究了SCR和TTR两种立管对张紧式半潜平台运动响应和系泊张力特性的影响。本文采用时域非线性方法对深水FPSO船体、系泊与立管进行耦合计算，分析立管参数和浮力块对深水FPSO运动响应和系缆张力特性的影响。

1时域耦合理论

浮体在风浪中的运动经过摄动分析后，可以分为一阶小幅运动响应和二阶大幅运动响应，即浮体的响应可以分为高频响应和低频响应两部分，并且两者互不影响。低频运动指大幅的慢漂振荡运动，高频运动可以理解为低频运动基础上的微幅振动，即高频运动的平均值为低频的运动位置。因此在求解时域运动方程时，分为低频响应和高频响应两部分来求解[7]。因为主要研究FPSO的低频运动，因此给出低频运动方程。

(1)

式中：x(2)——低频运动；

B11,B22,B66——阻尼系数；

Bwdd——纵荡方向的线性波浪慢漂阻尼系数；

Fcurrenti——流引起的动力载荷；

Fwindi——风引起的动力载荷；

Fmoori——系泊力；

Fwave(2)i——二阶波浪漂移力。

2立管形式

海洋立管通常分为刚性立管和柔性立管，刚性立管又分为钢悬链式立管(steel catenary riser，SCR)和顶张紧式立管(top tensioned riser，TTR)。如果采用刚性立管和柔性立管的组合，将其称为复合立管(hybrid riser)。

顶张紧式立管适用于采用张力腿(TLP)平台或深水浮筒(SPAR)平台结构形式的开发方案，用于将水下井口垂直回接到TLP或SPAR的干式采油树上。

钢悬链式立管和柔性立管适用于采用TLP、SPAR、半潜式浮式结构或FPSO的开发方案，用于将水下采油树回接到浮式平台上，但因柔性立管的特殊结构形式，其适应水深远较钢悬链式立管小。为了适应不同水深的需要，钢悬链线立管的概念被不断的发展和延伸，通过浮力块的设置，已经出现了5种形式的钢悬链线立管：简单悬链线立管、浮力波或缓波悬链线立管、陡波悬链线立管和L形立管。柔性立管是一种多层复合套管，每层采用不同的材料和结构以满足不同的需求，可以实现较大曲率的弯曲，能较好地顺应浮体的漂移和升沉运动，在恶劣的海域环境中尤为适用。

复合式立管适用于与半潜式浮式结构或FPSO的开发方案。目前国外应用的最大水深为安哥拉Girassol项目，水深为1 350 m[8]。

FPSO的运动性能对海洋立管系统的影响很大，尽管有不同的立管可以选择，但是影响立管工程设计的因素却很多。从技术可行性上来讲，所选择的FPSO立管应该具备较好的顺应性，尽量减少船体运动影响的传递，这样可以改善立管的动力响应。

3计算模型

3.1深水FPSO模型

以某工作于中国南海海域30万t的FPSO为研究对象，其主尺度参数见表1，计算模型见图1。

3.2系泊和立管系统模型

该FPSO由4组16根相同的张紧式系泊缆和由4根输油管道组成。系泊缆的主要参数见表2。

表1　FPSO主尺度参数

图1　FPSO船体面元模型

长度/m直径/m湿重/(kg·m-1)刚度/N破断强度/kN船链1000.146386.91.221×10918520聚酯缆28780.1757.773.180×10812790

FPSO船体、系泊和立管的耦合模型见图2。

图2　船体、系泊、立管耦合模型

4立管对FPSO动力响应影响的分析

4.1立管的影响

分析具有相同系泊方式、相同系泊材料、相同环境条件，深水FPSO系统有无立管时的系统动力特性,见图3。

可看出，如果同时将立管、系泊和船体进行耦合计算时，得到的纵荡响应谱和系缆张力响应谱的峰值要小于忽略立管的情况，而横荡响应谱和艏摇响应谱峰值略大于无立管的情况。因此，立管系统影响FPSO整个系统的的水平运动和系缆张力。以下的研究仅对纵荡、系泊缆张力等开展研究。

图3　运动和张力响应谱

4.2立管单位长度质量的影响

分析给定立管轴向刚度为2×1010N，不同单位长度质量时FPSO船体的运动性能、系泊缆张力和立管张力特性见图4。

图4　运动和张力随立管单位长度质量的变化

从图4可看出，船体纵荡运动、系泊缆张力，随立管单位长度质量增加而逐渐减小。同时，立管张力随立管单位长度质量增加而逐渐增加，当立管单位长度质量为500 kg/m时，立管张力较大，达到3×104kN。因此，必须安装可以减小立管顶端张力的结构，使得立管张力在安全范围内。

4.3立管轴向刚度的影响

分析在给定立管单位长度质量为100 kg/m，不同立管轴向刚度时FPSO船体的运动性能、系泊缆张力和立管张力特性，见图5。

图5　运动和张力随立管轴向刚度的变化

从图5可以看出，船体纵荡运动和系缆张力随立管轴向刚度的增加，先后呈现增加、减小、增加、减小的趋势。同时，立管张力随立管轴向刚度的增加而逐渐增加，而且立管张力都较大。

5浮力块对FPSO系统动力响应的影响

由上述的分析可知，进行船体、系泊和立管系统的耦合数值计算时，立管的顶端张力都较大，因此，必须在立管上安装浮力块，利用浮力块提供的浮力，使得立管弯曲成波形，具有更好的顺应性，减小立管的顶端张力。

5.1浮力块位置的影响

选取单位长度质量为100 kg/m，轴向刚度为3×1010N的立管进行计算，该立管总长3 600 m，管内流体密度为880 kg/m3，立管外径为0.4 m，内径为0.3 m。计算了浮力块质量为20 t时，浮力块距立管顶端不同距离情况下浮力块对FPSO动力特性的影响，见图6。

从图6可看出，安装浮力块的纵荡运动和系缆张力比未安装浮力块的值大，且纵荡运动和系缆张力随浮力块距立管顶端距离的增加而逐渐减小。安装浮力块的横荡、艏摇，以及立管张力比未安装浮力块的值小，且横荡运动、艏摇运动和立管张力随浮力块距立管顶端距离的增加而逐渐增加。

图6　运动和张力随浮力块安装位置的变化

5.2浮力块质量的影响

选取上述立管，分别计算浮力块距立管顶端1 800 m、浮力块体积为50 m3时，不同浮力块质量情况下浮力块对FPSO动力特性的影响，见图7。

从图7可以看出，安装浮力块的纵荡运动和系缆张力比未安装浮力块的值大，且纵荡运动和系缆张力随浮力块质量的增加而逐渐减小。安装浮力块的立管张力比未安装浮力块的值小，立管张力随浮力块质量的增加逐渐增加。同时，由图7c)可见，立管上安装浮力块可以有效的减小立管的顶端张力。

图7　运动和张力随浮力块质量的变化

5.3浮力块体积的影响

选取上述立管，分别计算浮力块距立管顶端1 800 m、浮力块质量为20 t时，不同浮力块体积情况下浮力块对FPSO动力特性的影响，见图8。

图8　运动和张力随浮力块体积的变化

从图8可看出，安装浮力块的纵荡运动和系缆张力比未安装浮力块的值大，且纵荡运动和系缆张力随浮力块体积的增加而逐渐增加。安装浮力块的立管张力比未安装浮力块的值小，立管张力随浮力块体积的增加逐渐减小。同时，图8表明，立管上安装浮力块可以有效减小立管的顶端张力。

5.4不同形式立管对FPSO系统动力特性的影响

通过调整浮力块的位置以及浮力块的质量和体积，立管的形式已经不再单一化，出现了简单悬链线型、缓波型、陡波型等多种形式的立管。不同形式的立管计算模型见图9。FPSO的响应结果见表3。

图9　不同形式的立管模型

简单悬链线型缓波型陡波型纵荡/m-34.990-36.685-36.615横荡/m12.67112.77912.817垂荡/m-4.169-4.144-4.150横摇/(°)8.6718.3608.365纵摇/(°)5.0885.1425.138艏摇/(°)5.5415.5225.515系泊缆张力/kN3881.584044.874038.98立管张力/kN22356.91147.991587.37

由表3可见，不同形式立管对应的FPSO 6个自由度运动及系缆张力最大值的变化量均小于5%，说明立管形式对FPSO运动响应的影响较小。但不同形式立管对应的立管张力变化较大，尤其是安装浮力块的缓波型和陡波型立管的顶端张力，相对于未安装浮力块的简单悬链线立管的张力有明显减小。此外，陡波型立管几乎与海底没有接触，可避免立管与井口的摩擦。

6结论

1) 立管系统对FPSO的运动响应和系泊缆张力产生一定的影响。船体纵荡和横荡运动，以及系泊缆张力，随立管单位长度质量增加而逐渐减小。立管张力随立管单位长度质量增加而逐渐增加。立管轴向刚度对FPSO系统水动力性能的影响比较显著，且立管张力随立管轴向刚度的增加而逐渐增加。

2) 通过分析浮力块的位置、质量和体积的对于FPSO水动力性能的影响，表明在立管上设置浮力块对FPSO运动响应的影响较小，但是立管张力却明显减小。

参考文献

[1] 刘元丹，刘敬喜，谭安全.单点系泊FPSO风浪流载荷下运动及其系泊力研究[J].船海工程，2011，40(6)：146-149.

[2] Arcandra. Hull/Mooring/Riser coupled dynamic analysis of a deepwater floating platform with polyester lines [D]. Texas: Texas A&M University. 2001.

[3] KIM M H. Vessel/mooring/riser coupled dynamic analysis of a turret-moored FPSO compared with OTRC experiment[J]. Ocean engineering. 2005(32)：1780-1802.

[4] 孙丽萍，周佳，王佳琦.深水柔性立管的缓波型布置及参数敏感性分析[J].中国海洋平台，2011,26(3):37-42.

[5] 丁鹏龙，李英，刘志龙.陡波型柔性立管浮力块参数化及应用[J].海洋工程，2014,32(4):19-23.

[6] 冯爱春.深海平台及系泊与立管系统动力特性分析[D].上海：上海交通大学，2010.

[7] 戴遗山.舰船在波浪中运动的频域与时域势流理论[M].北京：国防工业出版社，1998.

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

SHI Xing-hua1, XU Shuo-shuo1, HANG Cen2, ZHANG Ke1

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

Abstract:To study the effect of the riser systems to the deepwater FPSO system, based on time-domain coupling theory, the SESAM-DeepC is applied to conduct the coupling analysis of the FPSO hull, mooring and riser by nonlinear method in rime domain. The mooring performance of system is analyzed considering riser and without riser, besides, the influence of the mass per unit length of the riser, the axial stiffness of the riser, the location, mass, volume of the buoyancy to FPSO is studied. The effects of different forms of rises on the response of FPSO are discussed. The results indicate that the riser can reduce the mooring force and motion responses of the deepwater FPSO. The top tension of simple catenary riser is larger and installing the buoyancy block can effectively reduce tension.

Key words:deepwater FPSO; riser; mooring; coupled analysis

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.031

收稿日期：2015-11-07

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

第一作者简介：施兴华(1981—),男,博士,副教授 E-mail:shixinghua9@163.com

中图分类号：U674.38

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0135-06

修回日期：2015-12-24

研究方向:海洋工程结构水动力分析