超强台风下“南海奋进”号FPSO系泊能力分析

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(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580；2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司， 广东 湛江 524057)

0 引 言

FPSO作为一种长期系泊、可连续作业的海洋石油装备，受到单点系泊系统的约束，在复杂海洋环境中的系泊能力对油气的正常生产作业起着关键性作用。对FPSO 水动力性能的研究方法主要有时域分析法和频域分析法：WICHERS[1]最早采用时域分析方法对处于风、浪、流联合作用下的 FPSO 进行水动力性能分析；HUIJSMANS[2]采用频域计算方法，基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)对耦合作用下FPSO二阶波浪力的传递函数进行求解。随着深水FPSO 的应用愈加广泛，必须对完全耦合的水动力时域数值分析模型进行发展。MAZAHERI等[3]推动全耦合时域数值模型的发展，并对深水系泊链和立管阻力系数对运动和系泊力的耦合影响进行分析研究。

近年来对于FPSO系泊系统的研究日趋成熟，刘元丹等[4]基于水动力学软件AQWA模拟FPSO 在给定的风、浪、流联合载荷作用下的总体时域拟静态运动响应，得到各系泊线在时域内的受力情况；于超等[5]通过水动力软件和专用系泊分析软件计算系泊系统的极限张力，进而得到系泊钢缆的安全系数，为FPSO生产提供安全保障。

本文以“南海奋进”号FPSO为研究对象，针对超强台风下FPSO不同装载时的系泊张力进行分析，获得该FPSO极限环境条件下的最佳装载范围。

1 FPSO水动力分析

水动力分析是进行系泊张力分析的基础，为系泊张力分析提供FPSO运动响应曲线。本文采用频域分析方法，湿表面上的水动力载荷及船体运动响应依照三维绕射-辐射理论计算，得到不同装载状态下FPSO的水动力参数，为分析FPSO不同装载下的系泊张力提供参考。

1.1 水动力分析理论

水动力分析理论的基本假设为：依据三维势流理论，将流体简化为无旋、无黏性和不可压缩的理想流体。根据速度势能控制方程和拉普拉斯方程进行求解。

拉普拉斯方程为

2φ=0(V=φ)

(1)

边界条件为不渗透的条件，即流体速度和结构速度在法向上分量一样：

(φ-Vs)n=0

(2)

式(2)中：Vs为流体速度；n为法向量。

当2种流体密度差别很大时，形成自由表面：

(3)

式(3)中：Z为水深；ω为角速度；g为重力加速度。

海底边界条件为

φ=0(Z→-∞)

(4)

(5)

不同的格林函数表达形式有所不同，为了在无穷远的地方使方程有解，需引入一个无穷远处为远场条件，以此来保证无限远处存在外传波，即

(6)

式(6)中：WL为结构表面的平均吃水；S0为平均湿平面。

1.2 水动力分析参数

在最大允许海况系泊系统的分析计算中，FPSO大体分为4种装载状态，依次为压载状态、半载状态、正常满载状态、极限满载状态。本文对压载、半载、满载情况下的水动力进行计算，船体参数见表1。

表1 船体参数

图1 水动力计算模型

1.3 水动力分析计算

采用水动力软件HydroSTAR进行水动力分析计算，波频0.05～2.00 rad/s，步长间隔为0.05，响应峰值周围区域是重要区域，需要对频率进行加密处理。船体呈几何形状对称，故将角度设在0°～180°，步长为15°，计算参考点取重心位置。计算模型如图1所示。

2 系泊张力分析

2.1 系泊张力分析方法

系泊系统评估分析利用国际专业的系泊软件Ariane7分析计算，并利用时域分析法对系泊系统中的低频及波频响应进行研究分析。设计安全系数的大小可依照BV船级社的定位系泊规范[6]和美国石油学会(American Petroleum Institute, API)规范[7]，其数值详见表2。

图2 系泊系统布置

表2 设计安全系数

设计张力为

TD=TM-αTS

(7)

式(7)中：TM为最大平均张力；α为比例系数；TS为最大张力标准差。

2.2 系泊系统的布置

该FPSO的系泊方式为内转塔式，其本身是不可解脱的。这里使用3组系泊缆，每组3根，每根均包含锚链和钢缆，其具体方位如下(以N顺时针为基准)。

第1组：第1根系泊缆线310°，第2根系泊缆线315°，第3根系泊缆线320°。第2组：第4根系泊缆线70°，第5根系泊缆线75°，第6根系泊缆线80°。第3组：第7根系泊缆线190°，第8根系泊缆线195°，第9根系泊缆线200°。系泊布置图如图2所示。

2.3 环境参数

允许环境参数见表3。

表3 允许环境参数

3 结果分析

3.1 最大允许工况下的系泊系统分析

单点系泊系统中系泊张力受FPSO的船体位移影响较大，而船体位移又与吃水深度有关。吃水过深会加大船体受到的波浪力及海流力，此情况不利于船舶运动；吃水过会造成船体的受风面积过大，船体运动随之增加。为此，需要分析多种不同吃水深度下的船舶运动，且找出对于系泊系统最为有益的情况(即系泊张力最小处)。

“南海奋进”号的吃水深度可由设计及操船手册查知为11～17 m，再把相应吃水装载状态下的横摇阻尼与惯性半径计算出来，具体各状态下船体参数见表4。

表4 “南海奋进”号各种吃水深度下船体参数

通过上述对各种装载下系泊力的计算，得出不同吃水状态下最大系泊力的时程曲线，如图3～图7所示。

图3 “南海奋进”号吃水深度11 m系泊力时程曲线

图4 “南海奋进”号吃水深度12 m系泊力时程曲线

图5 “南海奋进”号吃水深度13 m系泊力时程曲线

图6 “南海奋进”号吃水深度15 m系泊力时程曲线

图7 “南海奋进”号吃水深度17 m系泊力时程曲线

为深入分析最大系泊张力的变化，将各不同吃水下系泊张力的最大值进行统计，见表5。

表5 “南海奋进”号各种装载状态下系泊张力值

图8 “南海奋进”号各种装载状态下系泊张力变化图

各种装载下系泊力的变化曲线如图8所示。

由图8可知：FPSO系泊张力在半载状态下有极小值，在此系泊系统受力最低。对该吃水范围深入分析，加密细分13.5～ 14.5 m内的吃水。选取吃水13.5 m、14.0 m、14.3 m、14.5 m进行系泊力的研究。加密后不同装载条件下系泊张力变化如图9所示。

图9 “南海奋进”号加密后各种装载条件下系泊张力变化图

综合图8和图9可以看出：“南海奋进”号FPSO在吃水为14.0～14.5 m内系泊系统的受力最小，系泊力降低约9%～12%。

3.2 系泊系统抗风能力研究

选取14.0 m、14.3 m和14.5 m对系泊系统极限抗风能力进行研究，控制装载状况需要依据操船的现场实际状态。控制吃水深度在14.0～14.5 m通过对油舱和压载水舱的调节实现，结合FPSO实际的工作和装载情况进行配载。

“南海奋进”号临界工况的确定，需在特定装载条件下，风力大于最大允许工况时，令风速及海况条件逐渐增加，直至系泊系统无法满足要求，该工况即为FPSO的临界工况。对每种工况计算分析系泊力，从而得出最大系泊张力，见表6。

由表6可知：在吃水深度为14.0 m和14.3 m装载状态下，取最小安全系数1.67，系泊系统的抗风能力为1 min内的平均风速，约为57 m/s；在吃水深度为14.5 m装载状态下，系泊系统的抗风能力为1 min内的平均风速，约为56 m/s。在特定装载条件(吃水为14.0～14.5 m)时，“南海奋进”号临界工况为16级。

4 结 论

(1) “南海奋进”号FPSO 在压载、半载、满载状态下，最大系泊张力为8 131 kN，相应的安全系数为2.09，满足BV船级社及API规范的要求。

(2) “南海奋进”号FPSO在吃水为14.0～14.5 m时系泊系统受力最小，系泊力降低了约9%到12%，且在此装载条件范围内抗台风的能力也是最强的，当FPSO处于特定装载状态(吃水为14.0～14.5 m)时的临界工况是16级。

(3) 在将来的研究中，可在最为有利的装载状态下，研究此时系泊系统的极限抗风能力，保证在此条件下FPSO船体的安全，并对极限风暴状态下的船体强度、稳性进行计算。

[1] WICHERS J E. A Simulation Model for a Single Point Moored Tanker [D].Delft：Delft University of Technology,1988.

[2] HUIJSMANS R H M. Mathematically Modeling of the Mean Wave Drift Force in Current: A Numerical and Experimental Study[D]. Delft：Delft University of Technology, 1996.

[3] MAZAHERI S, DOWNIE M J. Response-Based Method for Determining the Extreme Behavior of Floating Offshore Platforms[J] .Ocean Engineering , 2005 (32):363-393.

[4] 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(06): 146-149.

[5] 于超, 郑晓涛, 谢小波, 等. FPSO 单点系泊钢缆剩余强度评估方法[J]. 船海工程, 2015, 44(05): 12-14.

[6] Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units: NI 493 DTM R00 E [S]. 2012.

[7] Design and Analysis of Station-Keeping System for Floating Structures: API.RP 2SK [S]. 2005.