超大型FPSO多点系泊系统设计优化

谷圣厅,白杨

(招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226100)

FPSO作为集原油生产、处理、存储,以及外输功能为一体的综合性海上平台,为远海油气资源开发和生产提供了有力的保障[1]。但由于其作业区域远离岸线、环境条件恶劣,FPSO的系泊系统面临更高的损伤及失效风险。悬链线式多点系泊是浮式海洋工程结构物较为常用的海上定位方式,由钢制锚链构成的传统悬链线系泊系统随着水深的增加其系泊线长度和自重将快速增加,有效定位能力迅速降低,平台的有效载荷受到很大的影响[2]。针对此问题,以50万t级超大型FPSO的深水系泊系统为分析目标,选择锚链-纤维缆-锚链的三段式多点系泊系统为基本方案,采用由动态时域耦合分析方法,引入多参数优化分析过程,采用系泊线张力与总长度等关键控制参数构成的约束条件提升优化分析效率。

1 平台设计参数

目标是一型总长超过335 m,满载排水量超过46万t的超大型FPSO,作业海区位于南中国海域,设计工作水深500 m,外形见图1,其结构主尺度见表1。

表1 平台结构主尺度列表

图1 FPSO外形

该型平台生产作业工况设计环境载荷为5年一遇风浪流极值,风暴自存工况设计环境载荷为200年一遇风浪流极值。分析结果显示:当风浪流同向时,浮体的运动响应幅值更大,系泊锚链中张力幅值更高。选择风浪流同向的情况做环境载荷输入条件,平台作业海区的风浪流环境参数条件见表2。

表2 作业海区环境条件

2 系泊系统布置

平台采用的多点系泊系统由对称布置的4组系泊线构成,其中首部2组系泊线每组由5根3段式锚链加聚酯纤维缆绳构成,主方向与X轴正方向呈34°夹角,单根系泊线夹角4°;尾部2组系泊线每组由4根3段式锚链与聚酯纤维缆组合而成,主方向与X轴负方向呈30°夹角。系泊线通过导缆器与FPSO主船体舷侧结构相连。为了提高系泊线与海底的摩擦力,减小腐蚀损伤程度,躺底段采用R5级无档钢制锚链,系泊线中间段采用聚酯纤维缆绳,以减轻系泊线整体重量。与FPSO主船体相连的系泊线上段采用耐磨性能好的R5级钢制锚链。系泊系统布置见图2,组成系泊线的各段材料的参数见表3。

表3 FPSO系泊线成分

图2 FPSO系泊布置示意

3 时域动态分析方法

在早期的FPSO系泊系统设计工作中,经常采用频域分析的方法评估FPSO平台在系泊系统约束下的运动响应特征,计算系泊系统的性能[3]。随着FPSO主尺度与作业水深的增加,FPSO平台的运动及载荷响应非线性特征越来越明显。时域分析方法能够计算FPSO与系泊系统在任意时间长度下的运动与载荷平衡过程,任意时刻的系统运动方程可以描述为[5]

Cijxj(t)]=Fi(t)

(1)

式中:i为带系泊系统的浮式风电平台运动自由度;aij为平台的惯性质量矩阵;mij(t)为平台的附加质量矩阵;Kij(t)为阻尼函数矩阵;Cij为静水恢复力矩阵;Fi(t)为波浪激励载荷矩阵;Xj(t)为平台的位移矩阵。对于FPSO船体或系泊缆绳,在任意时刻的受力平衡方程为

(2)

式中:md为带低频附加质量;mj为系泊线在波浪频率为ωj时的附加质量;cd为低频阻尼;cj为系泊线在波浪频率为ωj时的附加阻尼;aj为遭遇波浪幅值;Fωf(t)为波浪激励载荷。

FPSO带系泊系统的时域分析,将多点系泊系统的锚链与缆绳离散化为具有轴向刚度和质量惯性的一维有限元模型,建立系统的整体运动方程。通过随机的风、浪、流作用时间历程,计算整个系统的运动与受力平衡,得到FPSO及系泊锚链的运动及受力情况在时间历程上的结果。以风暴自存工况为例,动态时域耦合分析模型及计算结果中张力最大的一组系泊缆绳的轴向载荷变化见图3、4。

图3 动态时域耦合分析模型

图4 系泊锚链张力时程曲线

4 系泊系统优化设计

FPSO系泊系统的定位能力受到系泊线的数量、系泊线的布置夹角,系泊线的材料力学属性,预张紧力以及系泊点的位置等参数的影响。具有多重约束条件的最优解分析问题可以描述为[7]

minf(x)|x∈Rn:ci(x)≥0,i∈L

(3)

Ω={x∈Rn;Ci(x)≥0,i∈L}

(4)

式中:f(x)为期望函数,描述优化问题期望得到的结果或实现的目标,本项目第一期望函数要求为系泊线总长度最小,第二期望函数要求为FPSO的水平运动极值满足API要求。x为待优化的目标变量,可以指定为系泊线夹角,系泊线预张紧力等;Ci为约束条件变量,i∈L为约束条件函数。Ω为满足约束函数的目标参数集合。

在优化分析的过程中,还需要设置对待优化变量的改变趋势进行控制的惩罚函数,当优化变量的值使得期望函数的结果偏离限制条件时,优化分析过程将放弃这些待优化变量值,以保证分析效率。惩罚函数表达为

(5)

式中:ε为限制参数集合;μ为惩罚因子系数,μ>0。

超大型FPSO的系泊系统多选择在每个主要系泊方向上采用多根锚链构成的一组系泊线[6]。在优化分析过程中,首先通过动态时域分析方法计算系泊缆数量对FPSO平台运动响应特性的影响。同时比较单根系泊锚链上的张力极值。当采用16根系泊缆时,平台在风暴自存工况下的水平位移极值超过API规范的许用值。当系泊缆数量增加到20根时,平台纵摇运动、横荡运动及水平面内位移极值明显减小,单根系泊缆上的张力极值满足API规范要求。将系泊缆数量增加到24根时,平台的运动响应幅值及水平面内位移极值继续减小,但系泊缆的张力降低有限,说明系泊系统的效率开始降低。最终的方案选择首部两组系泊线采用每组5根锚链,尾部2组系泊线每组采用4根锚链的布置型式。

当系泊锚链间的夹角增大时,每根锚链上的载荷差异将增大,平台在水平面内各方向上的运动幅值将逐渐增加。通过优化分析方法,最终确定将每组系泊线中锚链间的夹角设置为4°。

系泊锚链的预张紧力指平台在静水环境下通过张紧系泊锚链对系泊系统施加的初始刚度。过小的预张紧力会导致平台的水平运动范围加大,同时升沉及横纵摇角度增加,运动加速度变大,对生产作业产生不利的影响。优化分析得到的系泊锚链预紧力参数在动态时域耦合分析中通过了API规范的验证,至此,实现了对系泊系统各主要参数的优化分析工作。

5 自存工况系泊系统能力验证分析

平台的预定作业海区平均水深500 m,缺少岛屿、浅滩的遮蔽,风浪涌浪发展迅速,容易受到西太平洋洋面生成的台风及热带气旋等恶劣自然天候的影响。选择200年一遇的风浪流环境载荷极值,采用API RP 2SK规范[9]作为评价衡准,对系泊系统的定位能力与安全性进行验证分析。在0°～180°中选择13个方向的风浪流载荷模拟不同方向的海况,分析采用的时间步长为0.01 s,总时长为10 800 s。

对于风暴自存工况,根据AIP 规范要求,将分别计算系泊线保持完整和一根系泊线发生失效情况下FPSO的运动响应情况和系泊线的张力。API规范对风暴自存工况中系泊线完整及破损情况下的系泊系统有效性评价衡准见表4。

表4 API规范对于风暴自存工况FPSO位移要求与系泊线张力极值

分析结果显示:在风暴自存工况下,当系泊系统保持完整,或1根系泊线失效时,FPSO的水平位移极值与系泊线张力极值都满足规范的要求,能够保障FPSO的安全。FPSO在风暴自存工况下系泊系统保持完整和1根系泊线失效时的最大水平位移计算结果见表5。

表5 风暴自存工况水深为480.0 m时FPSO位移计算结果

FPSO在风暴自存工况下系泊系统保持完整和1根系泊线失效时的系泊线张力极值计算结果见表6,破断载荷为13 780 kN,状态均为安全。

表6 风暴自存工况FPSO系泊线张力结果

6 结论

1)超大型FPSO的系泊系统设计与优化工作是一项包含多重变量及多项控制参数与约束条件的复域求解问题,在设计之初应首先确定最重要的设计目标参数与关键性约束条件,通过合理应用优化设计方法,加快优化设计过程的收敛,提升设计效率。

2)时域动态分析方法对超大型FPSO系泊系统的设计至关重要。风浪流环境下作用在FPSO船体上的各类载荷成分的量级差异巨大,同时数量众多的系泊线和立管系统将显著影响FPSO系泊系统的运动阻尼和固有周期。动态时域方法将系泊锚链与立管系统的质量、阻尼等与FPSO自身的运动特性在时间序列上统一求解,还可以通过傅里叶变换将时域分析结果进行转换得到FPSO或锚链系统在频域下的响应特征函数,并根据需要进一步进行概率统计分析或极值预报。

3)满载与压载工况下超大型FPSO的运动响应特征与系泊系统的受力特性差异巨大,对系泊系统的设计有着很大的影响。满载工况下FPSO重心位置偏低,各方向运动固有周期偏大,在系泊系统约束下多呈现低频大幅值的水平漂移运动。压载工况下FPSO吃水较浅,恶劣海况下风载荷对FPSO的横摇及摇首运动产生显著影响,同时横摇周期变短,当系泊系统刚度过大时,在风浪流联合作用下容易出现不规则振荡运动。