软钢臂单点系泊系统的最优配载工况研究

杨 硕

(必维船级社(中国)有限公司,上海 200011)

0 引 言

软钢臂单点系泊是渤海浅水浮式生产储油(FPSO)的主要系泊方式，其系泊系统主要分为水上软钢臂式单点系泊和水下软钢臂式单点系泊，主要部件包括单点系泊塔筒、软钢臂、系泊腿、旋转接头以及由上部组块立管跨接软管等组成的输送系统，但是随着单点系泊系统运营年限的增加，会出现轴承磨损以及系泊链疲劳等问题，该一系列问题会对单点系泊系统的安全产生很大影响。一些学者尝试研究优化配载以提高单点系泊的安全性，且能够以更安全的状态抵抗极限海况[1-2]。

针对软钢臂系泊系统，国内很多学者展开了一些学术研究，所涉及的大都是常规的稳定风浪流环境条件对系泊系统的影响[3-4]。其中对于软钢臂系泊的安全性问题研究得比较少，所涉及的一般是故障分析和安全预警[5-6]等问题。目前的工程经验表明，软钢臂系泊塔的轴承寿命对于整体结构的安全和寿命有重要影响，为减小单点系统运营年限中的安全隐患且延长系泊塔寿命，需在保证FPSO稳性和强度的前提下进行合理配载，使单点受到的系泊力减小以改善作业期间系泊塔轴承的应力分布，同时须限制FPSO与系泊塔之间的距离极值，以减小FPSO运动对软管及上部模块的受力影响，综上所述在不同海况下对FPSO进行合理配载具有重要意义。

如图1所示，本文研究目标为渤海某水下软钢臂单点，根据海域环境条件以及FPSO配载参数，以改善水下轴承应力分布，减少软钢臂(yoke)回转行程及上部组块和软管受力等目的，通过时域内耦合分析在环境载荷作用下，不同配载工况对FPSO-水下软钢臂单点系泊系统的多体运动特性的影响，最终根据分析结果推荐不同水深、不同环境条件下的最优配载作业工况表。

图1 FPSO-系泊缆-软钢臂系统模型

1 最优配载作用工况计算和评估流程

1.1 计算方法

本文利用AQWA软件中的AQWA-LINE和AQWA-DRIFT对FPSO-软钢臂系泊系统进行仿真分析，其中AQWA-LINE模块主要用于计算浮体水动力系数，包括由于波浪入射、辐射和衍射作用而产生的波浪力，同时还求解浮体的附加质量和附加阻尼[7-8]等，并考虑平均漂移力和慢漂力对浮体的影响。AQWA-DRIFT模块则通过调用AQWA-LINE所计算的幅值响应算子、附加质量和附加阻尼等，计算在随机风浪流条件下的运动响应及受力随时间变化的曲线，AQWA可以通过后处理AGS读取结果。

1.2 最优配载作业工况评估流程

为了分析FPSO-软钢臂多体系统的运动特性，本文基于三维波浪势流理论计算FPSO的水动力参数，再根据时域耦合分析[9]浮体运动以及软钢臂受力随时间的变化情况。FPSO会根据储油情况的不同进行配载作业，不同的配载工况则对单点系统转塔轴承和软钢臂旋转行程等产生影响，而本文最优配载作业工况筛选流程如图2所示，筛选过程中需要优先考虑的是对水下轴承磨损的影响，所以须选择较佳的配载工况以改善水下轴承的应力分布，从而降低磨损量以延长使用寿命，本文使用AQWA软件输出的是转台传递给轴承的载荷，轴承载荷与轴承应力成正比。其次需要考虑的是选择较佳的配载工况降低软钢臂的首摇行程及幅度，降低对轴承的磨损行程以达到降低磨损量延长系泊塔使用寿命的效果。最后考虑的筛选参数为上部模块及外输软管的受力情况，尽可能选择较佳的配载工况以改善浮体的纵荡极值，减少上部模块和外输软管受到极大拉力的可能性。

图2 最优配载作业工况筛选流程

2 软钢臂单点系泊水动力分析

2.1 FPSO-软钢臂单点系泊水动力模型

渤海海某软钢臂系泊系统水下部分主要包括FPSO主船体、系泊缆、yoke臂、转塔的下部连接轴承和外塔筒。其中，转塔和外塔筒为贴近海底的扁平状和细长圆柱结构，对FPSO运动性能的影响不大，可以忽略不计。因此，建立FPSO-系泊缆-软钢臂系统水动力模型如图3所示，本文将FPSO和软钢臂分别建立成两个6自由度的独立结构。目标FPSO相关参数如下[10-11]： FPSO总长为276.8 m、垂线间长为262 m、型深为23.6 m、型宽为51 m、平均吃水为15.5 m、排水体积为199 435.0 m3等。

表1所示为FPSO的配载工况表，该表的工况是基于FPSO的稳性和强度合格的基础上进行的合理配载，本文将基于图2的筛选流程选择最优配载作业工况。

表1 目标FPSO配载工况

(续 表)

AQWA软件输出本文目前FPSO在满载状态下的迎浪纵荡RAO曲线图和斜浪首摇RAO曲线图如图4和图5所示。

图4 FPSO满载状态迎浪纵荡RAO曲线

图5 FPSO满载状态斜浪首摇RAO曲线

2.2 环境参数

本文依据表2中的海况对FPSO-软钢臂系泊系统的受力和运动情况进行分析，需考虑百年一遇海况、一年一遇海况、50%遭遇概率海况以及30%遭遇概率海况。计算水深为分别为22.54 m、 23.8 m和28.17 m，环境方向分别为风浪流同向和风浪流异向。

表2 渤海该海域环境参数

3 最优配载作业工况筛选结果讨论

根据前面图2所讨论的流程，最优配载作业工况筛选过程主要是优先筛选转台受力(水平和垂向)较小的载况，其次在剩余工况中优先选择首摇幅值较小的，最终在剩余工况中优先选择纵荡幅度较小的载况，从而挑选出该海况下的最优作业工况。

如图6所示，以23.8 m水深条件、百年一遇海况计算结果为例，LC1作业工况下单点系泊塔水下轴承受到的水平力最大，而LC5作业工况下水下轴承所受的垂向力最大，因而在该海况条件下应避免将FPSO配载至LC1和LC5工况。从图6中还可以看出，LC6至LC11载况下的计算结果差别不大，而LC3载况下水下轴承所受到水平力和垂向力相对较小，因此LC3载况是该海况下的最优选择。

如图7所示，LC1作业工况以及LC6～LC10作业工况下FPSO纵荡运动极值较大，同样LC1作业工况以及LC6～LC10作业工况下软钢臂首摇幅度较大，因而LC1作业工况和LC6～LC10作业工况都不予推荐，根据计算结果，LC3作业工况下FPSO纵荡极值和软钢臂首摇幅值都相对比较小，因此在该海况下推荐LC3作业工况。

综上所述，根据筛选流程，同时依据表3配载作业工况计算结果统计，水深23.8 m及百年一遇海况下以LC3配载作业工况为最优选择。

图6 百年一遇单点系泊转台受力(水平和垂向)结果

图7 百年一遇海况下软钢臂首摇幅度和FPSO纵荡极值结果

表3 渤海目标单点百年一遇海况下所有配载工况计算结果统计(23.8 m水深)

以上述23.8 m水深、百年一遇海况下的最优配载作业工况筛选过程为例，对其他水深及海况条件进行最优配载作业工况的筛选，分别为22.54 m、 23.8 m和28.17 m等条件。最终筛选结果如表4所示，从结果可以看出：

(1) LC1(满载)工况转台水平力和垂向力值最大，其对于水下轴承磨损的影响较大，因此在所有海况中都应避免该工况。

(2) FPSO半载工况(LC3工况)下，单点系泊塔转台力相对较小，可以改善对水下轴承应力分布，且软钢臂首摇幅值较小，因此半载工况对轴承的磨损影响最小，同时半载工况下FPSO的纵荡幅值也较小，所以其对上部模块及软管受力影响也比较小。

表4 水下软钢臂单点系泊最优配载作业工况推荐

4 结 语

本文利用AQWA软件建立FPSO-软钢臂系统水动力模型，将FPSO和软钢臂分别模拟为两个6自由度的独立结构，进行FPSO-软钢臂系统的多体运动分析。本文重点讨论了从不同配载作业工况筛选出最优配载工况的过程，考虑的环境条件有百年一遇、一年一遇等。筛选过程考虑的因素主要包括系泊塔水下轴承分布、软钢臂首摇行程和FPSO纵荡极值等。从最优配载工况筛选过程可以得出以下结论：

(1) FPSO满载工况时，系泊塔转台所受到的水平力和垂向力最大，所以满载工况对于系泊塔水下轴承磨损的影响较大。同时FPSO在满载时其纵荡运动也相对比较明显，软钢臂首摇幅值也比较大，所以应在作业时尽量避免FPSO满载工况。

(2) FPSO半载工况时，转台所受到的水平力和垂向力最小，且该工况下其FPSO纵荡极值和首摇幅度也比较小，所以FPSO半载对于降低水下轴承磨损和减少上部模块软管的受力有很大的作用。

(3) 在某些环境条件下，应避免75%载况和压载工况。

综上所述，极限海况下推荐FPSO吃水为12～13 m更利于软钢臂单点的安全。且为降低对于水下轴承的磨损，延长软钢臂单点的使用寿命，在作业过程中应避免使FPSO处于满载工况。