八角形FPSO串靠外输系统耦合动力响应分析

陈勃任，唐友刚，黄 印，何 鑫

(天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

八角形FPSO串靠外输系统耦合动力响应分析

陈勃任，唐友刚，黄 印，何 鑫

(天津大学 建筑工程学院 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

针对100 m作业水深的八角形FPSO，提出采用穿梭油轮串靠的外输方案，研究串靠外输在南海的适用性。建立由八角形FPSO及其系泊系统、穿梭油轮及FPSO与穿梭油轮之间的系泊大缆等组成的浮式多体动力学模型，根据多浮体动力学理论进行耦合时域模拟。在外输海况条件下，分析了串靠连接的环境适应性及研究大缆载荷的响应特性，对连接大缆的长度、刚度等关键参数进行了敏感性分析。研究表明，串靠外输的形式对于八角FPSO具有足够的安全性和可靠性，系泊大缆受到明显的冲击张力，张力的幅值受大缆的长度和刚度影响较大。

串靠外输；八角形FPSO；动力响应；浮式多体系统； 穿梭游轮； 系泊大缆

Abstract: An offloading scheme by using tandem shuttle tanker is proposed for an octagonal FPSO in 100m working depth. The adaptability of the offloading scheme in the South China Sea is also studied in this paper. The floating multi-body dynamical model is set up which consists of octagonal FPSO and its mooring system, shuttle tanker and hawser which connects the FPSO and the shuttle tanker et al. The simulation is carried out based on the floating multi-body dynamical theory in time domain. In the sea condition of offloading, the environmental adaptability of the tandem offloading scheme and the response characteristics of the hawser are analyzed. The sensitivity of the key parameters, such as the length and stiffness of the hawser are investigated. It is shown that the scheme of tandem offloading has sufficient safety and reliability to the octagonal FPSO. The hawser is forced by the impact loads obviously, and the amplitude of the tension is mainly affected by the length and stiffness of the hawser.

Keywords: tandem offloading; octagonal FPSO; dynamic response; floating multi-body system; tanker; hawser

传统的船型FPSO为保证其具有风标效应，通常采用转塔形式的单点系泊系统[1]，但是单点系统结构复杂，其建造、安装和维护成本昂贵。近年来，从经济性和适用性的角度出发，海洋工程界提出了一些新型的FPSO。由挪威的Sevan Marine公司设计的世界首座圆筒形FPSO——“Piranema Spirit”，于2007年在巴西投入使用，且无风标效应的圆筒形结构形式允许穿梭油轮在更大范围内进行外输操作[2]；王天英针对渤海海域边际油田提出了圆角倒棱台型FPSO(IQFP-FPSO)，该结构在浅水海域的水动力性能良好，且具有显著的抗冰能力，对于渤海边际油田的开发具有一定的优势[3]。赵志娟等人提出的多筒式FDPSO结构，不仅具有干式储油的优点，而且降低了原油卸载过程对结构运动性能的影响[4]。

国内外学者对于船型FPSO串靠外输也展开了一系列的研究。Morandini等人提出了FPSO串靠外输过程中的设计状态和安全准则等[5]；Sun等根据最弱失效模式组理论对FPSO外输中的断缆可靠性进行了计算，得出FPSO系泊系统和大缆的可靠性指标，结果表明在双缆的配置下外输可靠性明显提高[6]；Zhao等研究了与FPSO类似的FLNG串靠外输系统的设计问题，结果表明外输间距及FLNG与LNG船之间的连接方式都对外输操作的安全性和稳定性有显著影响[7]。FPSO串靠外输中会存在风载荷与流载荷的遮蔽效应：巴西圣保罗大学的Fucatu和Nishimoto对于海流的遮蔽效应通过模型试验进行了研究，结果表明由于FPSO引起的遮蔽效应，海流对于穿梭油轮的运动有一定的影响[8]；对于风载荷的影响，荷兰学者Koop等[9]采用风洞试验和CFD模拟手段对串靠外输中穿梭油轮所受的风力系数进行了研究，结果表明由于FPSO的遮蔽效应，穿梭油轮所受的风力反而增大6%。

针对浅水小型油田和边际油田的开发，范模[10]提出了八角形FPSO结构形式，其各向环境力基本相同，更有利于采用多点系泊系统，相比于船形FPSO采用的单点系统，可以大大降低系泊系统的复杂性和造价。近年来的研究工作，主要集中在圆柱形或者八角形FPSO的外形、水动力和运动响应的研究，而对于此类结构输油方式和输油过程的动力响应研究较少。本文针对100 m作业水深的八角形FPSO，针对串输方案，建立了八角形FPSO、大缆及油轮浮式多体系统耦合的分析模型，研究了不同大缆参数对于耦合系统的动力响应的影响，揭示了串输系统复杂的动力响应特性。

1 外输系统描述

在八角形FPSO主甲板的一边上设置用于外输连接的系泊大缆(hawser)和输油软管(hose)的接头。大缆连接处允许其发生左右约90°的旋转，以适应不同的环境载荷方向。在穿梭油轮的尾部，辅以限位拖轮以保证外输操作的安全进行。在主外输作业区的对称位置设置副外输作业区，以保证在反向的环境条件下外输工作也能顺利实施。八角形FPSO的串靠外输系统的总体布置和连接局部布置如图1所示。

图1 八角形FPSO串靠外输布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

对八角形FPSO和穿梭油轮(tanker)在ANSYS中建模，并导出用于AQWA水动力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的结构主要参数见表1，穿梭油轮的满载排水量为44 430 t，压载排水量为26 120 t。

八角形FPSO采用多点系泊的方式进行定位。在100 m水深，采用3组系泊缆，每组5根的多点系泊方式，每组间隔120°，组内每根系缆间隔3°。锚链的系泊预张力取150 t，相关锚链参数见表2。进行外输时，FPSO和穿梭油轮通过大缆连接，大缆的主要参数见表3。

表1 八角形FPSO主要参数Tab.1 Major parameters for octagonal FPSO

表2 FPSO锚链系泊参数(预张力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring for 100 meter depth (pretension=150 t)

表3 大缆参数Tab. 3 Parameters of hawser

2 多浮体系统动力学分析方法

2.1动力学方程

时域分析中，FPSO和穿梭油轮的运动控制方程[11]：

式中：M表示浮体的质量矩阵；A表示无限大频率时的附加质量矩阵近似值；D表示线性阻尼系数矩阵；K表示静水回复刚度矩阵；分别表示一阶和二阶波浪载荷、流载荷与风载荷；Fext表示系泊系统载荷、拖轮限位载荷、多体约束载荷等；hτ表示迟滞函数矩阵，是自由表面记忆效应的体现，可以由式(2)计算得到：

其中，aω=Aω-A，bω=Bω，Aω和Bω分别表示附加质量矩阵和辐射阻尼矩阵，由三维势流理论计算得到。

对FPSO和穿梭油轮组成的一个多浮体系统进行分析时，根据多刚体动力学系统的牛顿-欧拉方法，考虑浮体之间的连接形式进而求解计算。在计算中，考虑了该外输系统中拖轮拖力的方向是随着穿梭油轮的位置改变而改变的，并非一个定常载荷。

连接FPSO和穿梭油轮的系泊大缆相当于多浮体之间的约束形式，FPSO、穿梭油轮、大缆等组成的浮式多体系统在时域模拟过程中可按照多浮体动力学理论进行计算。

2.2线性阻尼系数

对于系泊浮体在运动过程中受到的黏性阻尼、系泊缆阻尼以及系缆与海底的摩擦阻尼等采用经验公式进行估算。参考BV NR 493规范：对于多点系泊的浮体，横荡和纵荡的线性阻尼系数取临界阻尼的3%，艏摇线性阻尼取临界阻尼的5%；对于外输过程中的穿梭油轮，由于其限位系缆位于水面以上，需再乘以系数0.37作为修正[12]。

2.3环境载荷

八角形FPSO的风载荷与流载荷根据CCS规范进行计算[13]。对于风载荷的计算，其形状系数取1.0；对于流载荷的计算，海流拖曳力系数取1.0。由于八角形FPSO结构近似于圆筒形，故忽略风和流引起的艏摇力矩。

穿梭油轮的风载荷与流载荷采用OCIMF给出的计算公式和系数进行计算[14]。

根据三维势流理论，采用源汇分布法求解出波浪的速度势，再通过压力积分求解波浪载荷。其中，波浪平均漂移力采用Newman近似法进行计算。

3 设计安全准则

FPSO串靠外输中系泊大缆的强度准则参考依据为BV NR 494[15]。大缆的设计载荷计算如下：

1)对于单大缆连接的串靠外输(single line system)

2)对于双大缆布置的串靠外输(twin-line system, 见图2)

其中，ThD表示大缆的设计张力，TD表示在系泊分析中等效为单缆绳的张力。

图2 典型的双大缆布置示意Fig. 2 Typical arrangement of double hawsers for offloading

大缆的强度准则：

其中,SF表示安全系数，见表4；BS表示大缆的水中破断强度，其计算如下：

其中,NWBS表示单腿式大缆的水中破断强度；cN表示构造系数。如图3所示，对于单腿式大缆(single leg type)，取cN=1.0；对于双腿式大缆(double leg or grommet type)，取cN=1.7。

图3 大缆构造示意Fig. 3 Structure of hawser

布置形式摩擦链等级Q3，QR3QR4大缆双缆2．02．22．5单缆2．52．73．0

选取单腿式的大缆构造形式，串靠外输采用单大缆连接。根据上述大缆的安全系数的选取要求和强度准则，可计算得到大缆的许用载荷为261.3 t。

4 数值模拟

通过AQWA-DRIFT模块对FPSO的外输系统的输油过程进行时域系泊分析。分析中，计算两种典型的装载工况：FPSO满载-穿梭油轮压载和FPSO压载-穿梭油轮满载。采用定常大小的力模拟穿梭油轮船尾限位拖轮的系柱拖力，取值20 t。时域分析模拟时长3小时，时间步长取0.2 s。计算中，FPSO和穿梭油轮的局部坐标系原点分别位于其中纵剖面、中横剖面、静水面的交点，未连接穿梭油轮和施加环境载荷时，FPSO局部坐标系原点与全局坐标系原点重合，方向见图4。

图4 坐标系与环境载荷方向Fig. 4 Coodinate system and environmental loads directions

确定两个外输操作环境条件如表5所示，取风浪流同向(-135°)进行计算分析。在FPSO满载工况下，计算得到的两浮体的纵荡、横荡和艏摇时程曲线及对应的大缆时程曲线如图5所示。

表5 外输环境条件Tab. 5 Environmental condition of offloading

图5 外输的时域历程曲线Fig. 5 Time-history curves for offloading

4.1适用性分析

对各工况下大缆设计载荷和结构最小间距进行统计，结果见表6。

表6 计算结果数据统计表Tab. 6 Statistical table of result

从表6可以看出，各装载及海况下，大缆的载荷均在许用载荷261.3 t以内。穿梭油轮与FPSO的最小间距在70 m以上。

由于八角形FPSO不具有类似于船型FPSO的风标效应，因此需对不同的环境载荷方向下，外输的安全性进行验证分析。现考虑图6所示三个不同的外输位置，分析其对于外输耦合系统的影响。计算海况取表6中的海况。

图6 穿梭油轮与FPSO的三个不同相对位置Fig. 6 Three different relative positions of shuttle tanker and FPSO

针对三个不同的相对位置，计算得到大缆载荷与浮体间距，结果见表7。从表中可以看出，不同位置下，大缆载荷与浮体间距变化不大。大缆载荷均在许用载荷的范围内，穿梭油轮与FPSO的最小间距在72 m以上。说明串靠外输形式对于不同的环境载荷方向具有较好的适应性。研究中发现，相比于位置1，在位置2和位置3的模拟中，FPSO的艏摇运动幅值有增大现象。分析其原因在于，大缆张力的作用线不再通过八角FPSO的中心，对FPSO产生艏摇力矩引起的。

表7 不同相对位置下分析结果统计Tab. 7 Results of different relative positions

为得出外输操作的临界环境条件，对海况等级进行搜索计算。根据蒲氏风级表中风速与有义波高的对应关系，确定表8中的6个计算海况，计算中采用JONSWAP模拟不规则波浪，谱峰周期取7.0 s，谱峰升高因子取2.0，风浪流环境载荷同向。统计得出大缆张力与有义波高的关系见图7，各海况下大缆的安全系数见表9。

表8 外输搜索计算海况等级列表Tab. 8 Sea state levels of searching calculation for offloading

图7 大缆张力与有义波高关系Fig. 7 Relationship between hawser tension and significant wave height

海况编号123456安全系数18．77．64．54．13．42．1

从图7中可以看出，随着有义波高的增大，大缆载荷迅速增加。大缆在7级海况下的安全系数为3.4，仍满足强度准则；在8级海况下大缆安全系数为2.1，不满足强度准则。因此以4 m的有义波高为临界海况条件，结合南海某海域各月份及年度的“波高-波向联合分布”资料(图8浪玫瑰图所示)，对FPSO逐月的外输时率进行统计，结果见表10。从三月份到九月份，每月外输时率均在90%以上，气象条件对FPSO外输影响不大；从十月份到次年二月份，环境条件较为恶劣，每月外输时率在90%以下，应根据气象条件合理安排FPSO的生产和外输工作。

图8 浪玫瑰图(年)Fig. 8 Wave rose diagram (year)

月份123456789101112时率/(%)87．489．996．397．899．297．896．396．396．284．076．176．4

4.2大缆响应特性分析

对图5(c)所示的连接大缆的时程曲线做快速傅里叶变换，得到缆绳载荷的频域特性曲线，见图9。从图中可以看出，缆绳的载荷主要出现在两个频率段：低频部分，从0.02 rad/s到0.05 rad/s，这部分与主要受浮体的低频运动决定；波频部分，从0.13 rad/s到0.22 rad/s。结合图5中大缆张力的时程曲线，分析这部分主要受到冲击张力的影响。当穿梭油轮与FPSO出现反向运动，大缆由松弛状态突变为张紧状态，此时大缆受到的瞬时冲击张力的作用。大缆松弛-张紧时产生的冲击张力容易引起缆绳的损伤，减小疲劳寿命[16]。

图9 大缆载荷频率成分分析Fig. 9 Frequency components of hawser tension analysis

4.3大缆参数敏感性分析

1)长度敏感性

外输中大缆的长度对大缆的响应特性有很大的影响。在此选取缆长从40 m到100 m、间隔10 m，共7个长度条件，对缆长的敏感性进行分析。以外输海况一为例，大缆张力结果如图10所示。当缆长增加时，其张力幅值明显减小。原因在于：当缆绳长度较短时，FPSO和穿梭油轮之间的约束刚度大，浮体相对运动剧烈，大缆张力较大；反之，当缆绳长度增加时，其张力较小。

2)刚度敏感性

在系泊大缆EA=43 000 kN大小的基础上，分别减小20%、40%和增大20%、40%。变化之后的刚度值见表11。分析中，大缆长度仍取80 m长。计算结果表明：大缆刚度的减小，会使其张力时程曲线的“尖点”减少，即张力载荷更加趋于平稳，大缆张力幅值也较小，见图11。

图10 大缆长度对张力幅值的影响Fig. 10 Length influence on tension amplitude of hawser

变化百分比/(%)-40-2002040刚度值/(N·m-1)3．23×1054．30×1055．38×1056．45×1057．53×105

图11 大缆刚度对张力幅值的影响Fig. 11 Stiffness influence for tension amplitude of hawser

5 结 语

采用多浮体动力学方法，计算分析了八角形FPSO串靠外输系统的耦合动力响应，分析了外输方案的适用性、大缆的响应特性和参数敏感性，主要结论如下：

1)外输过程中，如果环境载荷方向变化较大，穿梭油轮会绕导缆孔发生较大的转动，会对FPSO产生较大的艏摇力矩，加大FPSO的艏摇运动。

2)比较不同海况外输的计算结果可知，对作业于水深100 m的FPSO，7级海况(有义波高4.0 m)为外输临界海况，大于7级海况需要停止外输。

3)外输系泊大缆的载荷中的幅值主要是穿梭油轮远离FPSO运动时，缆绳由松弛突变为张紧时产生的冲击载荷，虽然缆绳的平均载荷不大，但是冲击载荷值可高出平均张力数倍，对于缆绳的安全影响很大。

4)大缆长度的增加可以使张力幅值减小，长度达到80 m以上时，张力值趋于稳定；大缆的刚度越小，穿梭油轮与八角FPSO的连接柔性增强，故大缆张力幅值也越小。相比于大缆的刚度参数，浮式多体系统对长度参数更为敏感。

[1] KNUDSEN B, GRAHL-NIELSEN M, ÅGEDAL B, et al. Design and model testing of a shallow draft buoy [C]//Proceedings of the Offshore Technology Conference. 2012.

[2] SAAD A C, VILAIN L, LOUREIRO R R, et al. Motion behavior of the mono-column FPSO sevan piranema in Brazilian waters [C]//Proceedings of the Offshore Technology Conference. 2009.

[3] 王天英, 亓和平, 冯永训. 新型 FPSO IQFP 的水动力性能研究 [J]. 石油机械, 2013(1): 49-54. (WANG Tianying, QI Heping, FENG Yongxun. Research on the hydrodynamic performance of the new type FPSO IQFP [J]. China Petroleum Machinery, 2013(1): 49-54. (in Chinese))

[4] 赵志娟,唐友刚,吴植融,等. 新概念多筒式FPSO设计及幅频特性研究 [J]. 船舶工程, 2013(1):95-98. (ZHAO Z J, TANG Y G, WU Z R, et al. Design and research on amplitude-frequency characteristics of a new concept multi-cylindrical FPSO [J]. Ship Engineering, 2013(1): 95-98. (in Chinese))

[5] MORANDINI C, LEGERSTEE F, MOMBAERTS J, et al. Criteria for analysis of offloading operation [C]//Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference. 2002: 2751-2755.

[6] SUN H, LI S, SUN L. Reliability analysis of FPSO broken cable in tandem based on weakest failure modes theory [C]//Proceedings of the 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers, 2011: 893-901.

[7] ZHAO W, YANG J, HU Z, et al. Hydrodynamics of an FLNG system in tandem offloading operation [J]. Ocean Engineering, 2013, 57: 150-162.

[8] FUCATU C H, NISHIMOTO K. The shadow effect on the dynamics of a shuttle tanker connected in tandem with a FPSO [C]//Proceedings of 20th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2003: 629-633.

[9] KOOP A H, KLAIJ C M, VAZ G N V B. Prediction wind loads for FPSO tandem offloading using CFD [C]//Proceedings of 29th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. 2010: OMAE2010-20284.

[10] FAN M, LI D, LIU T, et al. An innovative synthetic mooring solution for an octagonal FPSO in shallow waters [C]//Proceedings of the 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. American Society of Mechanical Engineers, 2010: 573-580.

[11] RP-F205, Global performance analysis of deepwater floating structures [S]. Norway: Det Norske Veritas, 2010.

[12] NI493, Classification of mooring systems for permanent offshore units [S]. France: Bureau Veritas, 2012.

[13] 海上移动平台入级规范 [S], 北京：中国船级社, 2012. (Rules for classification of mobile offshore drilling units [S]. Beijing: China Classification Society, 2012. (in Chinese))

[14] OCIMF, Prediction of wind and current loads on VLCCs [S]. 2nd Edition, England: Oil Companies International Marine Forum, 1994.

[15] NR494, Rules for the classification of offshore loading and offloading buoys [S]. France: Bureau Veritas, 2006.

[16] 张素侠. 深海系泊系统松弛—张紧过程缆绳的冲击张力研究[D]. 天津: 天津大学, 2008. (ZHANG Suxia. Study on snap tension of taut-slack mooring lines in deep water[D]. Tianjin: Tianjin University, 2008. (in Chinese))

Analysis of coupled dynamics response for octagonal FPSO in tandem offloading operation

CHEN Boren, TANG Yougang, HUANG Yin, HE Xin

(School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.003

1005-9865(2017)01-0021-10

2016-01-11

国家自然科学基金项目(51279130)

陈勃任(1991-)，男，山西运城人，硕士研究生，主要研究船舶与海洋工程结构动力响应。E-mail: chenborentju@163.com

唐友刚。E-mail: tangyougang_td@163.com