基于MOSES的FPSO限位作业中拖船布置方案适用性分析

赵铭文， 杨小乐， 蔡元桃， 董宝辉， 李翔云

(1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司， 天津 300459；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300461)

0 引 言

在海洋石油的生产过程中，需要对海底管道进行维护和更换。当海底管道的维护和更换出现在浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading， FPSO)单点系泊系统旋转半径内时，需要对FPSO进行限位操作[1-2]，只有将FPSO限定在特定区域内，大型工程船舶才能进行工程作业。受风、浪、流等海洋环境因素的影响，FPSO的限位需要拖船的协助[3]。为确保限位作业方案的安全适用，需要对FPSO的运动和拖缆的张力进行计算分析[4-5]。

以某油田FPSO限位作业为例，对系泊系统模型和环境参数进行分析，由于海上安全作业允许的最大风级为7级，因此分析5级、6级和7级风作业工况下的环境条件参数，给出一套FPSO限位作业拖船布置方案，基于MOSES软件对多刚体耦合计算模型进行频域和时域分析，对计算结果进行分析，找出最适合拖船工作的工况，为安全生产提供依据。

1 系统模型与作业环境参数

1.1 系统模型

某FPSO以单点系泊的方式固定在工作海域[6]。固定装置为导管架式系泊塔，FPSO上的系泊钢架通过系泊腿、软刚臂与导管架式系泊塔连接。系泊腿两端均采用万向接头，软刚臂另一端与系泊导管架轴承相连，FPSO通过系泊导管架上的转盘绕系泊导管架转动。单点系泊系统如图1所示。

图1 软刚臂单点系泊系统

1.2 FPSO参数及海区环境参数

1.2.1 FPSO主要参数

某FPSO的主要参数如表1所示。

表1 FPSO主尺度

在对该FPSO进行限位分析时，为分析其装载状态对限位操作造成的影响，分别选取满载和空载两种典型装载状态，分别对应于装载手册中的Load 1(全部油舱满载)和Load 3(全部油舱空舱)。在实际限位作业中，可调整吃水达到相应装载状态。2种不同装载状态的静水力计算结果如表2所示，重心位置计算以船尾为基准。

表2 各装载状况静水力计算表

1.2.2 海区环境参数

对该海域的风、浪和有义波高进行统计分析，确定5级风、6级风和7级风作业工况的环境条件参数如表3所示。

表3 不同风级作业工况的环境条件参数

1.3 限位区域与环境载荷方向

限位作业属于海底管道更换项目的一部分。为保证限位期间FPSO和工程作业船的安全，随着工程作业船从南偏西方向向北偏东方向逐步移动至FPSO系泊点(图2(a)的中心点)，需要将FPSO限定在特定区域内，以防FPSO受风浪流的影响与工程作业船或其锚泊系统发生碰撞。海底管道更换作业分为6步，每一步有与之对应的限位区域，具体方案如图2所示(以下FPSO的艏向角均以正北为基准、顺时针方向)：

(1) 当工程作业船接近FPSO系泊点侧2.5 km附近(从南偏西方向向北偏东方向逐步移动)，抛锚点进入FPSO作业半径时，FPSO开始限位操作，FPSO的活动范围为0°～139°和264°～360°，活动范围角度为235°，且FPSO不能超越139°和263°两条限位边界线，如图2(a)所示。

(2) 当工程作业船接近FPSO系泊点侧850 m位置时，FPSO的活动范围为0°～55°和318°～360°，活动范围角度为97°，FPSO不能穿越55°和318°两条限位边界线，如图2(b)所示。

(3) 当工程作业船接近FPSO系泊点侧100 m位置时， FPSO的活动范围为0°～41°和355°～360°，活动范围角度为46°，FPSO不能穿越41°和355°两条限位边界线，如图2(c)所示。

(4) 当工程作业船到达FPSO的系泊点时，FPSO的活动范围为297°～344°，活动范围角度为47°，FPSO不能穿越297°和344°两条限位边界线，如图2(d)所示。

(5) 当工程作业船离开FPSO系泊点，离开FPSO作业半径时，FPSO的活动范围为281°～341°，活动范围角度为60°，FPSO不能穿越281°和341°两条限位边界线，如图2(e)所示。

(6) 当进行膨胀弯安装、立管安装等工作时，工程作业船在FPSO系泊点侧施工过程中，FPSO的活动范围为6°～66°，活动范围角度为60°，FPSO不能穿越6°和66°两条限位边界线，如图2(f)所示。

图2 限位区域

根据环境数据统计，在固定坐标系内，风在各个方向上均有分布，流在2月存在北偏东129°、3月—4月存在北偏东125°的主流向。在限位作业中，FPSO可能处于限位区域中的任意位置，因此需要选择相应的环境载荷方向进行组合。在限位分析中：令风、浪同向，选取 0°、45°、90°、135°、180°等5个风、浪方向；考虑海流主流向、限位区域和涨落潮情况，由于FPSO位置不确定，选择45°、90°、135°等3个流向。环境载荷方向如图3所示。对每个装载状态，共有15个环境方向的组合。

图3 环境载荷方向

1.4 拖船布置方案

在FPSO限位作业过程中，2条拖船的布置方式如图4和图5所示。在正常限位作业中拖船1、拖船2与FPSO的横向夹角为30°，分居FPSO两侧，拖缆的长度为360 m。在应急限位作业中拖船1与FPSO横向夹角为30°、拖缆长度为360 m，拖船2与FPSO的横向夹角为40°、拖缆长度为260 m。拖船提供的拉力可达884 kN，FPSO尾部甲板设置系泊绞车和带缆桩，FPSO尾部带缆桩的安全工作载荷为686 kN，拖缆参数如表4所示。当FPSO与风浪流方向夹角增大，1条拖船无法满足正常限位时，背风侧的拖船应及时调整位置至迎风侧，调整为应急限位拖船布置方案。迎风的拖船及时调整自己的位置，使拖缆与FPSO横向夹角保持在30°，另一侧的拖船应及时调整位置至同一侧，拖缆与FPSO横向夹角保持在40°。当风浪减小至允许正常限位的条件后， 2艘拖船再按顺序回到正常限位的位置。

图4 FPSO正常限位拖船布置方案

图5 FPSO 应急限位拖船布置方案

表4 拖缆相关参数

续表4 拖缆相关参数

2 模型与计算方法

限位计算分析采用海上操作工程软件MOSES[7]，在MOSES软件中采用三维势流理论计算响应幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)，整个系统在时域内进行多刚体动力响应分析。

2.1 坐标系

在建模过程中，船体坐标原点取在船尾中线处，x轴正向从船尾指向船首，y轴正向指向左舷，z轴正向竖直向上，如图6所示。

图6 船体坐标系示例

2.2 FPSO及系泊装置模型

分析的对象为多刚体系统：FPSO通过2条刚性系泊腿连接至软刚臂上，软钢臂又连接在固定于海上的导管架式系泊塔上；FPSO的尾部通过拖缆被拖船拖住以达到限位目的。软钢臂单点系泊装置、限位拖缆与FPSO模型连接，构成完整的限位分析多刚体耦合计算模型。

根据船舶型线资料，采用MOSES软件建立FPSO的水动力计算模型，如图7所示。

图7 FPSO水动力计算模型

根据软钢臂单点系泊装置技术资料，建立软钢臂单点系泊装置各组成部分模型，将其与FPSO模型连接，构成多刚体耦合计算模型，将软钢臂单点和FPSO作为不变形的刚性体(body 1释放z方向旋转、body 2释放全自由度)，把摇臂模拟为弹性单元进行位移约束(EU指定刚度)，系缆作为线性单元进行载荷传递，拖船固定方向(tug指定大小和方向)，通过MOSES软件(connector命令)进行物理模型的叠加达到耦合效果，最终实现body 2的限位运动。根据装载状态定义整体系统的初始位置，如图8所示。

图8 软刚臂单点系泊系统模型

软钢臂与塔架连接的转盘和横摇-纵摇铰接接头放开软钢臂3个旋转自由度，可进行艏揺、纵摇和横摇自由度转动。对于系泊腿，其上端有轴向滚动轴承的万向接头允许系泊腿上端3个自由度的旋转，其下端经铰接接头连接于软钢臂压载水舱的吊耳上，可进行横摇和纵摇两个自由度的旋转。

2.3 运动响应函数(RAO)

采用MOSES软件计算FPSO在空载和满载装载状态下6个自由度的运动响应函数RAO。以空载状态下的纵荡为例，空载状态纵荡幅值运动响应曲线如图9所示。通过对FPSO频域的计算，将计算结果(6自由度解文件)传递给时域计算。

图9 FPSO空载状态纵荡幅值运动响应曲线

2.4 时域计算结果

依据作业海域的特点，选取JONSWAP谱，谱峰因子取3.3，对应第1.2节确定的5级风作业、6级风作业和7级风作业等3种工况，当FPSO受到的风、浪、流等环境载荷均在同侧时， FPSO所处的限位环境最为恶劣，因此将环境载荷均施加在FPSO的一侧，时域计算取3 h，步长取0.5 s进行数值模拟，采用统计方法对FPSO空载和满载状态下的运动响应和系泊力进行统计分析。

计算5级风作业海况下正常限位拖船布置方案中FPSO的运动和拖缆最大张力，结果如图10～图13所示。由于环境载荷均在FPSO的一侧，而在正常限位方案中2艘拖船分布在FPSO两侧，因此拖缆2不受力，张力为0 N。由图10和图11可知：在正常限位拖船布置方案下拖缆1的张力已经超过带缆桩的安全工作载荷，因此在计算6级和7级风作业海况时应该采用应急限位拖船布置方案；在5级风作业海况时，在2种装载状态下，采用正常限位拖船布置方案，仅当风、浪方向为0°～20°、145°～180°时，拖缆的张力极值均小于带缆桩的工作载荷，可进行限位作业，在其余风浪方向建议采用应急限位拖船布置方式进行限位作业。

图10 5级风作用FPSO空载状态下拖缆张力

图11 5级风作用FPSO满载状态下拖缆张力

图12 5级风作用FPSO空载状态下纵荡、横荡和艏摇

图13 5级风作用FPSO满载状态下纵荡、横荡和艏摇

6级和7级风作业海况应急限位拖船布置方案下FPSO的运动及拖缆最大张力如图14～图21所示。

由图14和图15可知，在6级风作业海况时，在2种装载状态下，采用应急限位拖船布置方案，拖缆张力极值均小于带缆桩的工作载荷，可进行限位作业。

图14 6级风作用FPSO空载状态下拖缆张力

图15 6级风作用FPSO满载状态下拖缆张力

图16 6级风作用FPSO空载状态下纵荡、横荡和艏摇

图17 6级风作用FPSO满载状态下纵荡、横荡和艏摇

图18 7级风作用FPSO空载状态下拖缆张力

图19 7级风作用FPSO满载状态下拖缆张力

图20 7级风作用FPSO空载状态下纵荡、横荡和艏摇

图21 7级风作用FPSO满载状态下纵荡、横荡和艏摇

由图18和图19可知，在7级风作业海况时，在2种装载状态下，采用应急限位拖船布置方案，仅当风、浪方向为0°、180°时，拖缆的张力极值小于带缆桩的工作载荷。因此，建议在此作业海况时停止限位作业。

在限位操作中，应尽可能使FPSO纵向与风、浪方向夹角最小，尽可能避免在横风状态下对FPSO进行限位作业，从而避免FPSO系统受力过大；建议FPSO在六级风及以下作业海况时进行限位作业。

3 结 论

给出一套FPSO限位作业拖船布置方案，并对该方案进行数值仿真计算，建立FPSO限位作业多刚体耦合计算模型，通过时域模拟不同海况时FPSO运动，计算FPSO的运动和拖缆受力情况。对本方案进行数值仿真计算，得到5级～7级风况、不同风浪方向下拖船布置方案的可行性，为限位作业的安全可行提供参考依据，为工程的实施提供一定的参考。