2020, Vol. 42
2. 国家能源深水油气工程技术研发中心，北京 100028
2. National Research and Development Center for Energy Engineering Technology in Deep Water, Beijing 100028, China
FPSO是一种可对海上油田进行全海式开发的工程装备，其主要优势在于集油气生产处理、原油储存、外输功能于一体，并具有良好的水深适应性。到目前为止全球大约有200多艘FPSO服役，均取得了良好的应用效果。
由于FPSO具有很大的水线面面积，导致其船体运动对环境载荷的影响十分敏感且容易产生很大的波频与低频运动。此外，尽管一些FPSO采用单点系统实施定位因而具有风向标效应，但交叉的风、浪、流环境条件可能会导致船体受载面积的增加，导致更加极端的船体偏移与系泊载荷，因此从设计角度，系泊方案的制定必须根据FPSO船型，海区特定的环境条件特点，从而涵盖最不利环境载荷组合以及装载工况。
本文展示了1艘应用于中国南海的FPSO单点系泊系统的设计与验证过程，介绍系泊系统的设计衡准，给出主要的强度与疲劳分析结果。计算表明，单点系泊系统在完整工况与单缆破损工况能够承受目标油田百年一遇环境条件，预期疲劳寿命满足设计要求。此外当波浪周期略低于设计海况的谱峰周期时，将激发起更大的船体低频运动进而导致最大的系泊张力。对于单点系泊系统而言，其最不利工况通常并非环境载荷沿同方向入射时，而是呈一定夹角入射时，此时由于船体受载面积的增加，将产生更大的船体偏移与系泊张力。
1 设计基础FPSO拟作业目标油田位于南海北部，水深为267～330 m。为开发该油田，将新建1艘FPSO 用于原油生产、储存与外输。FPSO配备有电站、热站、原油处理设施、水处理系统、原油计量系统和储油舱。来自临近开发井的油、气、水将首先被井口平台分解成含水40%的原油，之后油、气通过水下管线混输至FPSO 进行下一步的生产、储存与外输。FPSO在东南方向将设有3根立管，因此系泊系统必须限制FPSO的水平向偏移以满足立管疲劳的要求，特别是在东南方向。系泊缆绳的设计寿命为20年，单点系泊系统其他模块的设计寿命为30年。
1.1 FPSOFPSO的主尺度参数为船体总长244.60 m，垂线间长237.00 m，船宽46.700 m，型深26.300 m。在系泊校核中FPSO采用2种典型的装载工况，分别为满载工况并带有100%消耗品（最大吃水工况），以及压载工况并带有10%的消耗品（最小吃水工况），主要参数如表1所示。
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表 1 系泊分析中FPSO装载参数表 Tab.1 Typical loading conditions of FPSO in mooring design progress |
FPSO就位位置的水深为290 m。在FPSO系泊系统强度校核采用百年一遇台风作为设计条件，同时基于波浪的有义波高Hs和谱峰周期Tp包络线考虑谱峰周期的变化，百年一遇台风条件下风、浪、流方向极值如表2所示。
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表 2 台风条件下风、浪、流方向极值 Tab.2 Directional extreme value of wind, wave and current in typhoon condition |
在本文中，考虑了风、浪、流3种主控方式。对于每种主控方式，环境载荷强度
| $X = {C_X} \cdot {X_N}\text{。}$ | (1) |
其中：下标X包括H（波浪）、V（风）、C（海流），
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表 3 环境载荷强度系数 Tab.3 Intensity coefficients of environmental loads |
表中，V，H，C分别表示风、浪、流入射方向，衰减系数
| $\left\{ \begin{array}{l} {q_v} = 1\text{，}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{when}}\left| {V - H} \right|{30^\circ }\text{，}\\ {q_v} = 2 - \dfrac{{\left| {V - H} \right|}}{{30}}\text{，}\;\;\;\;\;{\rm{when}}\;\;\;\;\;{30^\circ} < \left| {V - H} \right|{45^\circ} \text{。} \end{array} \right.$ | (2) |
在系泊疲劳分析中，采用该海区一年一遇季风作为计算环境条件。根据年度波浪散布图得到的年度环境条件出现概率玫瑰图如图1所示。
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图 1 年度环境条件玫瑰图 Fig. 1 Rose diagrams of environment load (Annual) |
系泊系统的强度分析依据文献[4-5]进行。根据该规范，若采用时域全耦合方法计算系统响应时，缆绳张力的安全系数在完整工况下取1.67，在单根缆绳破断工况下取1.25，对于船体的许用极限水平偏移而言，主要取决于FPSO东南方向的3根立管，系泊系统需要控制FPSO的偏移以满足立管疲劳要求，特别是在东南方向，要求单点位置的最大水平偏移小于70 m，单点位置沿东南方向的最大水平偏移小于60 m。在锚链的腐蚀方面，假设在波浪飞溅区内的锚链腐蚀率为0.3 mm/年，在与海底接触点位置的锚链腐蚀率为0.4 mm/年。此外下端锚链需要有足够的长度以保证在极端环境条件下，下风向缆绳的钢缆部分不接触海底以避免发生磨损。
系泊的疲劳分析依据文献[5]进行，要求在可检测区内疲劳的安全寿命为3.0以上。
2 单点系泊设计方案FPSO采用非解脱的内转塔单点系泊系统进行定位，包含9根系泊缆绳呈3组布置，3组系泊缆绳均匀分布，在每组缆绳中相邻缆绳间的夹角为5°，2组缆绳之间夹角为110°，FPSO的水动力模型与系泊系统布置如图2与图3所示。
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图 2 满载工况下FPSO水动力模型 Fig. 2 Hydrodynamic model of FPSO in load condition |
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图 3 单点系泊系统布置 Fig. 3 Arrangement of mooring system |
在单根缆绳构型方面，从锚点至导缆孔的水平距离为1194.5 m。每根缆绳的分段结构由内部开发的软件进行优化设计，可以保证在极端环境载荷作用下系泊系统的各项技术指标满足设计规范要求，同时也尽量提升了系统整体水平回复刚度，并控制系泊张力、总体用钢量和单根缆绳的预张力。系泊缆绳的详细组份参数如表4所示。
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表 4 锚链线组份参数表 Tab.4 Component of mooring line |
单点系泊系统的强度与疲劳分析采用法国船级社的软件Hydro Star与Ariane进行。
3.1 强度分析1）船体水动力计算
首先采用Hydro Star软件建立不同装载工况下FPSO船体的水动力分析模型，如图2所示。采用三维势流理论求解船体水动力系数如附加质量、阻尼系数，一阶波浪激励力与波浪漂移力等，和船体运动RAO。
文献[4]给出了FPSO纵荡、横荡与首摇运动的推荐的线性化阻尼系数如下式：
| $\begin{split} & {B_{xx}} = 0.01m\sqrt {\frac{g}{L}}\text{，} \\ & {B_{yy}} = 0.01m\sqrt {\frac{g}{B}}\text{，} \\ &{B_{\phi \phi }} = 0.083{L^2}{B_{yy}} \text{。} \end{split} $ | (3) |
其中：
2）定义系泊缆绳
在Ariane软件中疏如缆绳的分段结构与力学特性，如原长、空气与水中的单位长度重量、轴向刚度，水动力参数等，并验证典型吃水条件下单根缆绳的预张力与静态回复刚度。
3）FPSO船体上的风、流载荷计算
FPSO船体上的风、流载荷需依据风洞试验结果进行输入。根据文献[6]，作用于FPSO上的平均风流力与力矩确定如下：
| $\begin{array}{l} {{F_{wx}} = \dfrac{1}{2}{C_{wx}}{\rho _w}V_w^2{A_T}}\text{，}\quad{{F_{cx}} = \dfrac{1}{2}{C_{cx}}{\rho _c}V_c^2{L_{BP}}T}\text{，}\\ {{F_{wy}} = \dfrac{1}{2}{C_{wy}}{\rho _w}V_w^2{A_L}}\text{，}\quad{{F_{cy}} = \dfrac{1}{2}{C_{cy}}{\rho _c}V_c^2{L_{BP}}T}\text{，}\\ {{M_{wxy}} = \dfrac{1}{2}{C_{wxy}}{\rho _w}V_w^2{A_L}{L_{BP}}}\text{，}\\ {{M_{cxy}} = \dfrac{1}{2}{C_{cxy}}{\rho _c}V_c^2{A_L}L_{BP}^2T} \text{。} \end{array} $ | (4) |
其中：
4）批处理分析
基于以上模型，对每一个船体吃水下的一系列环境组合进行耦合分析，包括满载与压载吃水，以及系泊完整与单缆破损状态。对于每一个环境条件，采用Ariane分析软件获得锚腿张力与平台偏移，记录和进行统计处理。在进行单缆破损状态计算时，假定在相同环境条件系泊完整工况下出现最大系泊张力缆绳的旁边一根缆绳发生失效。
5）考虑动态放大因子的结果
由于所采用的Ariane分析软件为准动力分析软件，无法准确模拟系泊缆本身的动态响应，因此所获得的结果需要考虑动力放大因子DAF。采用全耦合分析软件DEEP C软件对典型结果进行标定，将所获得的动力放大因子DAF将与已有的计算结果相乘得到最终的系泊张力与单点偏移。
3.2 疲劳分析1）设计疲劳工况
疲劳分析也将在时域内进行。首先根据一年一遇环境条件的波浪散布图获得短期预报的环境载荷组合，并考虑环境载荷入射方向和FPSO装载工况，之后每个短期预报的结果将和其发生概率一起合成整体疲劳结果。
2）计算疲劳损伤
每根缆绳上的疲劳损伤依据米勒积分法则获得，在ARIANE软件中，采用雨流技术法对每一个独立的海况计算疲劳损伤，然后合并为总体的累积损伤，整体缆绳的疲劳计算如下式：
| $N{R^M} = K\text{。}$ | (5) |
其中；
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表 5 M与K取值 Tab.5 Value of M and K |
表中Lm为平均载荷与破断拉力之比。
3）计算疲劳寿命
每根缆绳的疲劳寿命如下式：
| $ {\text{疲劳寿命}} = 1 / {\text{疲劳损伤 }} \text{。} $ | (6) |
FPSO单点系泊耦合分析模型如图4所示。
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图 4 FPSO与系泊系统耦合分析模型 Fig. 4 Coupled model of FPSO and mooring system |
2阶纵荡漂移力计算结果如图4所示。平台的风流载荷系数如图5与图6所示，FPSO满载状态的平均漂移力如图7所示。
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图 5 FPSO风力系数 Fig. 5 Wind coefficient of FPSO |
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图 6 FPSO流力系数 Fig. 6 Current coefficient of FPSO |
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图 7 FPSO船体2阶纵荡漂移力 Fig. 7 Steady drift force of FPSO |
通过计算确定的系泊完整与单根缆绳破断工况下的极端张力与平台偏移如表6所示。
表6的计算结果显示，系泊系统全部指标满足设计规范与设计基础要求，说明系泊系统可承受目标油田百年一遇环境条件。
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表 6 系泊系统极端响应 Tab.6 Extreme strength response of mooring system |
表7为采用雨流计数法的疲劳分析结果。FPSO满载与压载工况下不同幅值范围张力的循环次数如表8所示。
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表 7 系泊系统疲劳损伤和预期寿命结果 Tab.7 Result of fatigue damage and expected fatigue life results for mooring system |
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表 8 不同幅值范围张力的循环次数 Tab.8 Loop cycles of tension at different amplitude envelope |
表7结果显示，安装在东南方向的第3组系泊缆绳（第7根和第9根）相对于其他2组系泊缆绳具有最少的疲劳寿命，顶部锚链的最小疲劳寿命为179.7 年，符合设计要求。
5 系泊设计参数的敏感性分析为了研究设计方案对环境条件的适应性，本文还开展了一些针对环境条件因子的敏感性分析，如波浪谱峰周期，环境载荷夹角以及波浪谱峰因子等。
5.1 谱峰周期敏感性根据文献[4]，对于波浪主控条件，推荐考虑有义波高Hs和谱峰周期Tp的包络线，计算当波浪周期在谱峰周期左右±10%变化时的情况。目标海区百年一遇波浪的Hs与Tp包络线如图8所示，典型环境条件如表9所示。
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图 8 Hs与Tp包络线 Fig. 8 Hs and Tp contour line |
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表 9 典型环境条件 Tab.9 Typical environmental conditions |
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图 9 导缆器位置处张力时间历程 Fig. 9 Time series of tension at fairlead |
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图 10 导缆器位置处张力频谱 Fig. 10 tension spectrum at fairlead |
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图 11 转塔处最大偏移 Fig. 11 maximum offset of turret |
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图 12 系泊分析中的典型环境方向组合 Fig. 12 Typical direction combination of environmental load in mooring analysis |
结果显示，当波浪周期围绕Tp标准值变化时，系泊张力与平台运动也将相应发生改变，需要注意的是，当Tp小于标准值时，尽管有义波高Hs降低，由于此时波浪周期接近船体纵荡2阶波浪力的峰值周期（见图7），导致FPSO船体产生了更大的低频运动，因此最大系泊张力与单点偏移均会上升。当谱峰周期Tp大于其标准值时，由于有义波高衰减迅速，最大系泊张力与平台偏移均会明显降低。
5.2 载荷作用角度的影响为了研究载荷入射角度的影响，根据文献[7]选取了5种典型环境载荷方向组合，包括平行工况，交叉流工况，交叉风工况，平行风与流和交叉浪工况，对称风与流和交叉浪工况，环境载荷特定的入射角度如图12所示，最大系泊张力与偏移的对比如图13与图14所示。
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图 13 导缆器处最大系泊张力 Fig. 13 Maximum tension at fairlead |
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图 14 转塔处最大偏移 Fig. 14 Maximum offset of turret |
由图可知，当处于交叉风条件时，最大系泊张力与平台偏移均取得最大值。这表明对于单点系泊系统而言，最不利工况可能不是风浪流呈同方向入射时，而是非共线状态，此时交叉的风、浪、流环境条件可能会导致FPSO船体受载面积的增加，导致更大的张力和偏移响应。
5.3 波浪谱峰因子的影响针对东向载荷，分别选取谱峰因子为1.8，2.4，3.0，系泊张力对比如图15和图16所示。
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图 15 导缆器处最大张力 Fig. 15 Maximum tension at fairlead |
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图 16 内转塔处动态偏移频谱 Fig. 16 Spectrum of horizontal offset of turret |
由图可知，波浪谱峰因子对于平台偏移影响较小，其频谱成分几乎没有差异，但对于系泊张力而言，系泊缆绳的最大张力将随谱峰因子的提升而增加。
6 结 语本文展示了1艘应用于中国南海FPSO单点系泊系统的设计与验证过程。给出了系泊系统的设计衡准与规范校核结果以及主要的强度与疲劳分析结果。主要结论如下：
1）该单点系泊系统在完整工况与单缆破损工况能够承受目标油田百年一遇环境条件，预期疲劳寿命满足设计要求。
此外当波浪周期略低于设计海况的谱峰周期时，将激发起更大的船体低频运动进而导致最大的系泊张力。对于单点系泊系统而言，其最不利工况通常并非环境载荷沿同方向入射时，而是呈一定夹角入射时，此时由于船体受载面积的增加，将产生更大的船体偏移与系泊张力。
2）当Tp小于标准值时，尽管有义波高Hs降低，由于此时波浪周期接近船体纵荡2阶波浪力的峰值周期，导致FPSO船体产生了更大的低频运动，因此最大系泊张力与单点偏移均会上升。当谱峰周期Tp大于其标准值时，由于有义波高衰减迅速，最大系泊张力与平台偏移均会明显降低。
3）对于单点系泊系统而言，其最不利工况通常并非环境载荷沿同方向入射时，而是呈一定夹角入射时，这将导致暴露在环境载荷下的船体受载面积的增加，进而产生更加大的系泊张力与平台偏移。
| [1] |
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