南海FPSO超极限海况下抗风能力分析

李 牧，田冠楠，杨凯东

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)



南海FPSO超极限海况下抗风能力分析

李 牧，田冠楠，杨凯东

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

在三维势流理论的基础上，对作业于南海海域的海洋石油111FPSO进行时域内的系泊分析，获得在该海况不同装载量和不同装载方式锚链的系泊力，利用Weibull分布函数推导超百年一遇环境条件，通过对比系泊力大小，选取最恶劣海况下安全系数最大的最优装载形式进行极限抗风能力分析，得到海洋石油111FPSO最大可以抵抗的台风等级。

单点系泊；Weibull分布；超百年一遇海况；极限抗风能力

近年来南海环境愈加恶劣，超强台风频发，超百年一遇台风的出现已不罕见，给油田安全及正常生产带来很大程度的威胁，浮式生产储油装置(FPSO)是海洋油气资源生产的主要装备，一旦出现问题将造成极为严重的后果[1]。而且南海FPSO的单点系泊系统大都现已服役多年，由于系统磨损、老化、锈蚀及疲劳等情况引起系泊强度降低，为保证FPSO的安全，现有必要分析超极限海况下FPSO抵抗风、浪、流的能力，以更加真实有效地评估FPSO及单点系统的作业状态，为业主及作业者决策提供更有利的理论依据。

国内外学者针对FPSO系泊系统进行了大量的研究。对风浪流作用下的FPSO响应进行研究，提出了不规则波作用下，风浪流联合作用下系统系泊力的时域计算方法[2]，应用多体水动力学软件AQWA，对系泊系统进行频域水动力分析和时域运动响应分析，从而得到FPSO时历运动响应曲线和各系泊线的受力情况[3-4]。

以海洋石油111FPSO为研究目标，研究其可以抵抗的最恶劣海况，根据由ARIANE进行系泊分析计算的29种装载工况对应的安全系数最大的装载工况，利用Weibull分布原理推导超极限海况。

1 理论基础

海洋石油111FPSO极限抗风能力分析首先进行水动力计算、结合工程实际针对29种典型装载工况进行了系泊计算，通过系泊分析结果对比，在5种海况下，选取29种装载工况对应的安全系数最大的装载工况进行极限系泊分析，以得到满足最小安全系数的极限生存海况。

1.1 极限载荷分析方法

基于BV规范NR493，采用ARIANE V7软件，通过时域分析得到船体的低频响应，经过所有时间序列的数值积分后与波频运动进行叠加，进而通过张力-变形曲线(系缆特性)得到瞬时张力。

1.2 设计张力计算方法

为了达到统计目的，单个海况组合至少需要计算10 800 s(3 h)的时间历程，然后从锚链载荷3 h的时间曲线中选取最大值。由于相同的波浪或风的谱参数对应的时历曲线具有随机性，所以对一个给定海况，考虑种子的随机性进行n次重复计算。 锚链的设计张力由下式计算。

(1)

(2)

(3)

式中：Tk——单次计算锚链载荷时历曲线中的最大值(单个种子)；

Tμ——n次计算得到所有最大值的平均值(n个种子)；

Tσ——n次计算得到所有最大值的标准差；

TD——锚链的设计张力；

a——系数，取决于计算的种子数。

1.3 安全系数

锚链的安全系数(SF)是锚链的破断载荷除以锚链的最大设计张力，根据BV规范NR493，在完整状态下，锚链的安全系数要大于等于1.75。

1.4 Weibull分布

目前在海洋工程极限海况的推算上有些公认方法，如，指数分布函数、皮尔逊Ⅲ型曲线、耿贝尔分布曲线及威布尔分布函数，不同方法都有各自的实用性。本文采用Weibull分布函数[5], 该分布对于年最大风速、波高、降水量等气候极值具有很高的拟合精度和很强的适应性。

已知不同重现期下有义波高的极值，设三参数Weibull分布函数分布：

(4)

(5)

则重现期T(x)的函数式：

(6)

2 工程实例分析

2.1 极限海况

极限海况的环境条件参数见表1。

表1 百年一遇台风海况

注：考虑了Tp减小10%的敏感性计算分析。

2.2 模型参数

海洋石油111号FPSO在番禺油田服务，作业水深105 m。船体主尺度见表2，综合考虑FPSO海上生产实际及穿梭油轮周期选取装载工况，通过调节压载以保证FPSO的浮态和强度满足要求。

表2 海洋石油111FPSO主尺度 m

对FPSO湿表面进行网格划分，建立水动力模型见图1。

图1 FPSO水线以下整体网格(Add_lc1工况)

111号FPSO系泊系统为内转塔系泊系统，锚链为3×3布置形式，即9根系泊锚链构成，各组锚链间隔120°，一组内的锚链间隔5°，各组锚链布置见图2、3，系泊锚链通过内转塔式STP浮筒与船体连接。

图2 系泊系统三维视图

图3 系泊系统布置

2.3 装载工况

从装载手册中选择6个原始装载工况，根据工程实际配置23种新的装载工况进行计算分析,见表3。

表3 29种装载工况列表

2.4 计算小结

由海洋石油111FPSO百年一遇极限海况系泊分析[4]结果得出，在5种海况下，29种装载工况对应的最大载荷均发生在A1海况下，因此选取A1海况下对应的安全系数最大的装载工况进行极限系泊分析，以得到满足最小安全系数的极限生存海况.。如图4所示，Add_lc5装载工况是最优的装载工况。

图4 A1海况下29种装载工况系泊力安全系数统计

2.5 极限海况计算

计算所选取海洋环境数据为风、浪、流主导下的百年一遇海况，选取JONSWAP谱作为分析波浪形态的波浪谱。

由海洋石油111FPSO百年一遇极限海况系泊分析结果得出，在5种海况中，24种装载工况对应的最大载荷均发生在A1海况下。因此，对海洋石油111FPSO做超极限生存海况计算，仅考虑A1浪主导海况对应的超级限海况即可。

A1海况为浪主导海况，对应的1年一遇，5年一遇，10年一遇，20年一遇，25年一遇，50年一遇，100年一遇的海况信息见表4[5]。

表4 番禺海域浪主导海况

根据表4信息，采用Weibull统计方法获取超过100年一遇的超极限海况数据。

波浪Hs的Weibull曲线见图5，当考虑1年一遇的数据时，Weibull曲线与7个点的吻合性差一些，当去除1年一遇数据后获得的Weibull曲线与其他6个点高度吻合，因此该海域海况统计采用该Weibull曲线结果。

图5 有义波高Hs的Weibull曲线结果与环境条件比较

此外超极限海况下各Hs对应的Tp按照百年一遇的Hs和Tp对应的波陡值0.037 6。

风速的Weibull曲线见图6，当考虑1年一遇的数据时，Weibull曲线与7个点的吻合性差一些，当去除1年一遇数据后获得的Weibull曲线与

图6 风速Weibull曲线与环境条件统计比较

其他6个点高度吻合，因此该海域海况统计采用该Weibull曲线结果。

流速的Weibull曲线与现有的7个数据点也非常吻合，如图7所示。

图7 流速Weibull曲线与环境条件统计比较

超极限海况得到数据见表5(有义波高和风速是由去除1年一遇数据的Weibull曲线得到)。

表5 超极限海况(浪主导海况)

注：考虑了Tp-10%的敏感性分析。

2.6 结果分析

根据BV规范NR493，锚链张力安全系数需要大于1.75。

此次计算分析考虑了种子数目是20 。

通过对超极限海况计算分析，得到安全系数接近1.75的2组海况，见表6。由表6可以得出，满足安全系数1.75的最恶劣海况信息,见表7。

表6 超极台风海况计算结果

注：Hs表示有义波高，m；Tp表示谱峰周期，s；DirH表示波向角度，(°)；Uw表示风速，m/s;DirV表示风向角度，(°)；Uc表示流速，m/s；DirC表示流向角度，(°)。

表7 满足安全系数1.75的最恶劣海况

台风等级以10 min平均风速划分，浪主导海况对应的1年一遇，5年一遇，10年一遇，20年一遇，25年一遇，50年一遇，100年一遇海况的1 h平均风速和10 min平均风速信息见表8。

由表8知，番禺海域10 min与1 h平均风速的比值约为1.06，满足安全系数1.75时的最恶劣海况对应的1 h平均风速为47.58 m/s，对应的10 min平均风速为约50.43 m/s，对应的台风海况等级为15级海况。

表8 1小时平均风速和10分钟平均风速的比值

3 结论

1)由海洋石油111FPSO百年一遇5种极限海况下，各储油量最安全装载工况对应的系泊载荷极值最小的是53 000 t时对应的装载工况Add_lc5；

2)满足安全系数的最恶劣海况下，最安全的装载工况可以抵抗最大的台风等级为15级，可以为生产作业方合理评估系泊系统安全状况提供可靠的理论依据。

[1] 余小川,谢永和,李润培,等.水深对超大型FPSO运动响应与波浪载荷的影响[J].上海交通大学学报,2005,39(5)：1-6.

[2] 聂孟喜,王旭升,王晓明,等.风、浪、流联合作用下系统系泊力的时域计算方法[J].清华大学学报(自然科学版),2004(9):1214-1217.

[3] 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.

[4] 吕立功,景勇,温宝贵,等.FPSO系泊系统设计上的考虑[C].吴有生.2005年度海洋工程学术会议论文集.上海:中国造船工程学会,2005:348-356.

[5] 严晓东,马翔,郑荣跃,等.三参数威布尔分布参数估计方法比较,宁波大学学报,2005,18(3)：301-305.

On the Ultimate Wind Resistant Ability of the FPSO in South China Sea

LI Mu, TIAN Guan-nan, YANG Kai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

Based on the 3D potential flow theory, the mooring analysis in time domain was carried out for HYSY 111 FPSO to get the mooring force in south China sea at different loading quantity and different loading forms. The environmental conditions once in a hundred years were deducted with Weibull distribution function. By comparison of mooring forces, the optimal loading form was selected to take the extreme wind resistance analysis. The maximum resistance of the typhoon level for HYSY 111 FPSO was gotten.

single point mooring system; Weibull distribution; sea condition over 100 years; ultimate wind resistant capacity

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.001

2016-07-10

中海石油总公司项目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 13 LTD NFCY 2012-01)

李牧(1986—)，硕士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0001-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:浮体结构

E-mail:limu@cnooc.com.cn