浅水环境下典型外单点系泊系统的特性分析

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(大连理工大学，船舶工程学院， 辽宁 大连，116024)

浅水环境下典型外单点系泊系统的特性分析

王文华，冉晓明，邸晓宁，冯硕，黄一

(大连理工大学，船舶工程学院，辽宁大连，116024)

针对浅水环境下典型外单点系泊系统的结构特性，建立悬链锚腿式系泊系统(Catenary Anchor Leg Mooring System，CALM)、单锚摇臂式系统(Sal Yoke System， SYS)、水上软刚臂式系泊系统(Soft Yoke Mooring System, SYMS)3种单点系泊系统和浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)船体的多体水动力模型。基于船体与外单点系泊系统的时域耦合分析算法，综合考虑风、浪、流载荷的影响，计算得到FPSO的运动响应和外单点系泊系统所受载荷，统计和比较各单点系统的系泊性能和特点，为浅水环境下外单点系泊系统的设计研究提供理论依据。

单点系泊系统；多体水动力模型；时域耦合分析算法

0 引 言

近年来，海洋油气的加速开发使海洋工程装备得到快速发展，其中浮式生产储卸装置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)是一种集油气开采、分离处理、原油储运、人员居住于一体的多功能大型海上生产装备，其特点是：适应水深范围广、储/卸油气量大、承载能力强等，在海洋石油开发生产中发挥着重要作用[1-2]。

FPSO本身没有动力，需要通过系泊装置才能长期定位于指定海域。由于船型浮体的运动响应对环境载荷方向比较敏感，结合风向标效应，系泊方式通常采用单点系泊系统。目前单点系泊系统种类众多，可分为悬链锚腿式系泊系统(Catenary Anchor Leg Mooring System，CALM)、单锚摇臂式系统(Sal Yoke System， SYS)和水上软刚臂式系泊系统(Soft Yoke Mooring System, SYMS)等[3-4]，不同单点系统的系泊性能和特点各不相同，因此有必要对各种典型单点系泊系统的特性进行对比分析。

本文首先针对浅水环境下外单点系泊系统的结构特性，建立CALM， SYS，SYMS系泊系统和FPSO船体的多体水动力模型。然后，基于船体与外单点系泊系统的时域耦合分析算法，研究风、浪、流载荷联合作用下3种外单点系统的系泊性能和系泊特点，为确保FPSO的作业稳定性和生存可靠性提供依据。

1 数值算法和水动力模型

1.1FPSO船体参数和水动力模型

FPSO主船体总长276.8 m、垂线间长262.0 m、型深23.6 m、型宽51.0 m，相关参数见表1。在水动力计算中，需要根据不同装载状态下的吃水位置划分水下湿表面，进而通过网格收敛性分析，确定网格尺寸为1.5 m左右。FPSO整体和满载状态湿表面的网格如图1所示。

表1 FPSO主浮体参数

图1 FPSO水动力模型的网格划分

1.2外单点系泊系统水动力模型

以3种外单点系泊系统为研究对象，结合典型系泊系统的结构特性，建立CALM，SYS和SYMS系统的模型。

1.2.1 悬链锚腿式单点系泊系统(CALM)

CALM主要由浮筒、系泊锚链、系泊缆绳、输油系统和辅助设备组成，其中：浮筒为圆柱形，通过6根均匀分布的锚链固定于海底。浮筒主要参数参见表2，锚链参数见表3。FPSO和浮筒转台之间通过1根长度为45.7 m的系泊缆绳连接。CALM和FPSO的耦合水动力模型如图2所示。

表2 浮筒主要参数

表3 锚链主要参数

图2 CALM和FPSO耦合水动力模型

1.2.2 单锚摇臂式系统(SYS)

SYS包括具有外伸结构(用于悬挂锚链)的FPSO、锚泊系统(转塔、轴承、摇臂Yoke和锚链Chain)、立管和柔性跨接管系统、FPSO和系泊柱间的连接桥结构。其中，扁平状桩基和圆柱状外套筒对多体系统水动力性能的影响比较小，可以忽略。此外，摇臂的主要参数见表4，锚链(每根375 t)主要参数见表5。SYS和FPSO耦合水动力模型如图3所示。

表4 摇臂的主要参数 m

表5 锚链主要参数 m

图3 SYS和FPSO耦合水动力模型

1.2.3 水上软刚臂式单点系泊系统(SYMS)

SYMS分为软刚臂和系泊腿，主要参数见表6，其中：2个系泊腿分别位于FPSO两侧，上端连接在FPSO支撑结构上，允许结构横摇、纵摇；下端连接在软刚臂上，允许自由转动；软刚臂和塔架连接处也允许自由转动。SYMS和FPSO耦合水动力模型如图4所示。

表6 软钢臂和系泊腿的主要参数

图4 SYMS和FPSO耦合水动力模型

1.3算法理论简介

基于三维波浪势流理论[5-6]计算FPSO水动力参数。首先，基于拉普拉斯方程和边界条件求解流场速度势；然后，根据伯努利方程得到浮体压强分布，再沿物体湿表面积分可得到浮体所受波浪力。在环境载荷作用下，通过时域运动方程耦合分析多体系统的水动力特性[7]，其中：风流载荷系数通过OCIMF[8]获得，锚链张力采用缆索有限元计算[9]。细长圆柱状摇臂所受波流载荷采用Morison方程[10]计算。最后，针对时域运动方程，采用基于NEWMARK-BETA算法的预估-校正策略计算多体系统各物理量的时间历程，在时间步进过程中，通过循环迭代可以实现多体运动方程的双向耦合，从而得到FPSO和单点系泊系统的水动力特性。

2 数值模拟结果及分析

本文采用渤海海洋环境条件，该海域水深24 m，具体环境参数见表7。算例工况定义如下：工况1为风浪流同向、一年一遇；工况2为风浪方向180°、流向145°、一年一遇；工况3为风浪流同向、百年一遇；工况4为风浪方向180°、流向145°、百年一遇。

图5 不同单点系泊系统下FPSO水平运动响应

环境条件一年一遇百年一遇波浪最大波高/m5．88．4有义波高/m3．45．0波浪周期/s8．310．1风1小时风速/(m·s-1)17．626．5流流速/(m·s-1)1．171．58

2.1不同单点系泊系统下FPSO运动响应

2.1.1 水平面内的船体运动响应

基于船体与外单点系泊系统的时域耦合分析算法，计算得到不同单点系泊系统的FPSO纵荡、横荡和艏摇的运动响应，如图5所示，可以看出：3种不同单点系泊系统对FPSO水平面内运动响应的影响相差较大，其中CALM的运动响应比SYS和SYMS系统大很多、SYS次之、SYMS最小。这说明SYMS系泊效果最佳，CALM抵抗恶劣环境条件的能力相对最弱。此外，在满载状态和工况2～4下，CALM的FPSO运动幅值较大。从图5b)和5c)中可以看出：在百年一遇风、浪、流同向海况中，CALM会发生水平面内非稳定甩尾现象，需要在单点系统设计时特别注意。

2.1.2 水平面外的船体运动响应

不同单点系泊系统下FPSO垂荡、横摇和纵摇运动响应如图6所示，可以看出：针对水平面外的运动(垂荡、横摇、纵摇)，3种单点系统FPSO的运动幅值均较小；在垂荡和纵摇方面，SYMS的运动响应最小，SYS和CALM差别不大。这说明SYMS系泊刚度相对较大，可以在一定程度上限制FPSO在水平面外的运动。由图6b)可以看出：在百年一遇风、浪、流同向海况中，CALM的FPSO会发生横摇运动，这主要是由于该工况下CALM系统会发生水平面内的甩尾现象。

图6 不同单点系泊系统下FPSO水平面外的运动响应

2.2传递到单点系泊系统的载荷

作用在FPSO上的环境载荷将会通过连接构件传递到单点系泊系统，进一步对相关数据进行统计。其中，对于SYS和SYMS单点系泊系统，z方向载荷是由单点装置自身配重引起的，本文主要分析由FPSO传递到单点系统上的载荷，即x和y方向上的载荷。

2.2.1 FPSO靠近和远离对单点系统载荷的影响

在x和y方向上，各系统单点载荷极值的符号不一致，既可能发生在FPSO远离单点系泊系统时，也可能发生在FPSO靠近系泊系统时。

(1) 对于SYS，载荷的特点比较复杂。x方向的最大值发生在FPSO远离时。在y方向上，主要与环境载荷的方向有关：在风、浪、流同向的工况中，系统载荷基本为0；在风、浪、流异向的工况中，载荷最大值发生在FPSO远离单点系泊系统时。

(2) 对于SYMS，x方向的最大值发生在FPSO靠近单点系泊系统时。在y方向上，同样与环境载荷的方向有关：在风、浪、流同向的工况中，系泊系统载荷同样基本为0；在风、浪、流异向的工况中，载荷最大值则发生在FPSO靠近单点系泊系统时。

(3) 对于CALM，最大值均发生在FPSO远离浮筒时，因为该系统只能靠缆绳提供回复力使FPSO靠近单点系泊系统。

因此，作用在单点系泊系统的x和y方向的载荷极值，SYS和CALM系统均发生在FPSO远离系泊系统时，而SYMS系统发生在FPSO靠近系泊系统时。

2.2.2 装载状态对系泊系统载荷的影响

为了更好地分析装载状态对单点系泊系统载荷的影响，将x和y方向上不同装载状态的载荷极值绘制如图7和8所示，可以看出：整体上，满载状态x方向载荷较压载状态大，而装载状态对y方向载荷影响不大。但是，对于CALM，满载状态较压载状态大许多。此外，从图8中可以看出：对于风、浪、流同向海况，百年一遇CALMy向载荷会由于甩尾现象变得很大，其余工况下单点y向载荷均较小。

2.2.3 系泊系统形式对载荷极值的影响

为了更好地对比分析各系泊系统的载荷极值，将x和y方向上不同系泊系统形式的载荷极值进行对比，如图9和图10所示，可以看出：整体上，SYMS载荷最小。对于x向载荷：在压载状态下，SYS载荷最大；在满载状态下，CALM载荷最大，这主要因为满载状态FPSO甩尾现象引起CALM载荷迅速增大。对于y向载荷，SYS载荷相对CALM更小。

图7 不同装载状态x方向载荷极值

图8 不同装载状态y方向载荷极值

图9 不同单点系泊系统x方向载荷极值

图10 不同单点系泊系统y方向载荷极值

3 结 论

针对典型外单点系泊系统的结构特性，建立悬链锚腿式系泊系统(CALM)、单锚摇臂式系统(SYS)、水上软刚臂式系泊系统(SYMS)3种系统和FPSO的多体水动力模型。基于船体与外单点系泊系统的时域耦合分析算法，综合考虑风、浪、流载荷的影响，研究FPSO的运动响应和单点系泊系统所受载荷，得到主要结论如下：

(1) 不同单点系泊系统下FPSO水平面内纵荡、横荡和艏摇运动幅值均较大，而水平面外垂荡、横摇和纵摇运动幅值均较小。此外，对于水平面内运动响应，CALM最大，SYMS最小。其中，在满载状态，风、浪、流异向或百年一遇，风、浪、流同向海况下，CALM的运动响应特别大，说明在恶劣环境条件下该系统约束FPSO运动的能力较弱。对于水平面外的运动响应，SYMS船体的垂荡和纵摇运动幅值最小，SYS和CALM系统差别不大。此外，横摇运动会受到艏摇运动的影响，特点比较复杂。

(2) 在百年一遇，风、浪、流同向海况下，CALM会发生水平面内非稳定甩尾现象，在单点系统设计时需要特别注意。

(3) 作用在FPSO的环境载荷传递到单点系泊系统的x和y向载荷极值，SYS和CALM发生在FPSO远离系泊系统时，而SYMS发生在FPSO靠近系泊系统时。3种系统相互比较，SYMS系统的单点载荷最小。对于CALM，在满载状态、百年一遇条件下的浮筒运动响应和锚链缆绳的张力最大；而对于SYS，在压载状态、百年一遇条件下的锚链张力最大。

(4) 装载状态对3种系统FPSO运动的影响较大。对水平面的运动， CALM满载状态较压载状态的运动幅值大，SYS和SYMS满载状态的纵荡运动响应比压载状态大，而艏摇和横荡运动下2种装载状态相差很小。对于水平面外的运动，3种系统的特点一致，满载状态较压载状态运动幅值小。

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AnalysisonMooringPerformanceofClassicSinglePointMooringSystemsUnderShallow-WaterEnvironment

WANG Wenhua, RAN Xiaoming, DI Xiaoning, FENG Shuo, HUANG Yi

(School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024， Liaoning, China)

For the structural characteristic of classic single point mooring systems under shallow-water environment, a multi-body hydrodynamic model of Floating Production Storage and Offloading (FPSO) hull and Single Point Mooring Systems (SPM) such as Catenary Anchor Leg Mooring system (CALM), Sal Yoke System (SYS), and Soft Yoke Mooring System (SYMS) is proposed. Based on the coupled analysis method in time domain, by considering the effects of wind, current and wave loads, the motion performance of FPSO and mooring forces of various SPMs are calculated and analyzed, in order to provide the reference to the design of SPM under shallow-water environment.

Single Point Mooring Systems (SPM)； multi-body hydrodynamic model； coupled analysis in time domain

U661

A

2017-03-03

国家自然科学基金创新研究群体科学基金 (51221961)；工信部联装[2014]500号批文“天然气液化用大型混合冷剂压缩机研制”

王文华(1981-)，男，副教授，博士生导师

1001-4500(2017)05-0094-07