2. 中海油研究总院
2. CNOOC Research Institute
0 引言
FPSO(floating production storage and offloading)作为一种普遍应用于浅水、深水和边际油气田开发的可移动的浮式生产储油装置，被称为“海上石油工厂”，其外输作业的安全性受到石油业界广泛关注。FPSO具有初投资少、建造周期短、储油量大、适应性强、迁移方便和可重复使用等特点[1-2]。截至目前，FPSO原油外输的作业方式主要分为旁靠外输和串靠外输，其中串靠外输的作业方式安全性更高[3]。但是在串靠外输作业过程中，FPSO与穿梭油轮(DP Shuttle Tanker)之间的碰撞仍是其主要的风险之一，且大多数的碰撞事故都是由两船间的过分纵荡引起[4-5]。因此，有必要对外输作业过程中的安全距离进行估算，设置合理的串靠外输作业安全距离，从而降低FPSO外输作业过程中的碰撞风险。
FPSO的原油外输风险问题受到国内外诸多学者的广泛关注。2012年，樊红元等[5]采用极值理论来预测外输作业过程中，FPSO和穿梭油轮之间鱼尾运动及过分纵荡运动的发生概率，并研究不同装载、风浪流组合及风向改变等影响因素对鱼尾运动和过分纵荡运动的影响，提出了降低碰撞的防护措施。2011年，李卿汉[6]改进了穿梭油轮和FPSO发生漂移碰撞的数学概率模型，结合典型数据得到了穿梭油轮与FPSO之间的碰撞概率并有效地提出了预防措施。2013年，吕妍等[7]利用模糊综合评价方法对FPSO原有外输作业溢油风险等级进行评价，并可及时识别出作业中最弱失效环节。2016年，王晨征等[8]通过计算得到了FPSO及穿梭油轮的纵荡运动响应，同时探究了风向和流向对FPSO串靠系统的影响。2017年，唐友刚等[9]结合极值理论，对八角形FPSO与穿梭油轮的过分纵荡运动进行预报，从而对外输系统的碰撞风险进行研究分析。D.N.ATHENJIA等[10]采用安全评估方法分析了FPSO与穿梭油轮串靠卸载的碰撞风险并得到导致碰撞的主要因素。
然而，目前有关FPSO外输安全距离的研究仍未有显著成果。笔者基于WOAD、OREDA及HSE离岸事故等数据库，调研1995—2013年间英国大陆架和挪威大陆架发生的34起事故，其中因过分纵荡引起的位置偏移事故24起，占71%，引发的碰撞事故8起，占发生事故总数的23%，且一旦发生碰撞往往会造成巨大的经济损失、环境污染和社会问题。因此，针对北海南部、中部及北部海域重现期为1 a一遇的风浪流极值条件，在考虑船舶过分纵荡因素下提出了一种安全距离计算方法，并与北海实际的FPSO串靠外输作业的安全距离进行比较，验证其可靠性。然后，对南海FPSO串靠外输作业的安全距离进行计算，以期对我国深海石油安全经济外输提供参考。
1 外输系统概述多点系泊FPSO串靠外输示意图如图 1所示。多点系泊FPSO在串靠外输作业过程中，船尾通过系泊大缆(Hawser)与穿梭油轮(DPST)连接，在大缆连接处设置有允许其发生90°旋转的接头，以适应不同方向的环境载荷。FPSO上输油软管的另一端已通过辅助船与DPST船首部的接油管汇连接。在DPST船尾部辅以限位拖轮(Tug)，限制DPST船过大幅度的纵荡，保证卸油操作的正常进行。
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| 图 1 多点系泊FPSO串靠外输示意图 Fig.1 Schematic diagram of multi-point mooring FPSO tandem offloading |
此处FPSO的系泊主要采取的是两点系泊的方式来进行定位，系泊采用两组系泊缆，每组3根的多点系泊方式，每根系泊缆间隔120°。因不考虑系泊缆断裂风险，这里设置的系泊缆强度为无限大，不考虑系泊缆断裂的情况。
2 船舶结构及环境条件多点系泊FPSO串靠外输作业过程中主要用到的船只类型除了FPSO外，还包括穿梭油轮和拖轮。因需在SESAM软件中建立这3种船只的有限元模型，所以需要阐明这3种船舶的结构构型。FPSO选择由DNV船级社设计的睦宁号为研究对象，现在陆丰22-1海上油田服役。穿梭油轮选择在北海应用的Samsung Shuttle Tanker为研究对象。拖船选择三用拖船为研究对象。3种不同类型船只具体的结构参数如表 1所示。
| 船只类型 | FPSO | 穿梭油轮 | 拖船 |
| 总长/m | 253.0 | 278.0 | 67.2 |
| 垂线间长/m | 233.0 | 262.0 | 57.2 |
| 形宽/m | 42.0 | 46.0 | 14.0 |
| 形深/m | 23.2 | 26.6 | 6.9 |
| 吃水/m | 15.85 | 15.85 | 4.70 |
| 载质量/t | 103 000 | 147 500 | 1 652 |
文中模拟的FPSO串靠外输多体运动的环境条件主要是针对挪威北海海域和中国南海北部海域可能出现的风浪流极值条件。通过对可能出现的特殊海况环境进行FPSO串靠外输作业模拟，计算出FPSO外输作业时的安全距离，从而降低碰撞风险。模拟的海洋环境为：海水密度1 025 kg/m3，水深1 500 m。表 2为模拟时的风浪流极值条件。
| 环境参数 | 北海南部 | 北海中部 | 北海北部 | 中国南海北部 | ||
| 重现期1 a | 重现期1 a | 重现期1 a | 重现期1 a | 重现期10 a | ||
| 风速/ (m·s-1) | 27.0 | 31.0 | 35.0 | 31.0 | 40.4 | |
| 浪高/m | 6.0 | 9.8 | 12.0 | 8.4 | 11.2 | |
| 波浪周期/s | 11.3 | 13.6 | 14.6 | 8.6 | 10.1 | |
| 表面流速/ (m·s-1) | 1.17 | 0.68 | 0.60 | 1.07 | 1.55 | |
3 DPST船水动力特征仿真 3.1 水动力特征分析基础
船舶在海浪中，由于波浪扰动会产生摇荡运动，基于刚体理论将船视为刚体，此时船有6个自由度，如图 2所示，分别是X轴方向纵荡(surge)，Y轴方向横荡(sway)，Z轴方向垂荡(heave)，X轴方向横摇(roll)，Y轴方向纵摇(pitch)和Z轴方向首摇(yaw)。
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| 图 2 船的6个自由度运动 Fig.2 Six degrees of freedom movement of the ship η1—纵荡；η2—横荡；η3—垂荡；η4—横摇；η5—纵摇；η6—首摇。 |
船体在波浪中的运动是十分复杂的函数关系，因为波浪本身就是不规则波，再加上风和潮流的作用，使船舶的6个自由度运动更加复杂化。利用经验公式进行手工计算得出的结果误差太大，因此用计算机做仿真运算可以得到比较接近的结果。
3.2 水动力模型建立SESAM软件是DNV船级社开发的一款用于船舶与海洋工程结构物水动力分析计算的综合性软件，可以解决船舶在流体中运动耦合的问题，是工程中常用的分析软件。与国内通用的ANSYS和ABAQUS等商用软件相比，SESAM对海洋工程结构物的分析功能更为强大，且对多自由度耦合的仿真更具权威性。
SESAM软件主要包括3个部分：GeniE模块、HydroD模块和DeepC模块。GeniE模块是SESAM软件的前处理模块，可以建立船舶的有限元模型，通过生成的T1.FEM文件传递到Hydrod模块中进行水动力计算。Hydrod模块是SESAM软件的水动力计算模块，其主要程序为Wadam。在Wadam模块中，可以使用三维频域势流理论的数值方法，即传统的GREEN函数法计算零航速船舶的水动力系数(附加质量及辐射阻尼)、一阶波浪力传递函数、一阶运动传递函数以及二阶波浪力传递函数。该软件同样适用于此次多点系泊FPSO外输作业环节中不同种类船舶的动力响应计算。在外输作业过程中，船只模型的建立虽然尺寸上有所不同，但在SESAM软件中的分析设置和计算方法基本相同，因此笔者以DPST船模型的水动力性能分析为例进行分析介绍。
船舶水动力分析需要建立的有限元模型包括：①边界面单元模型；②质量单元模型。将这些单元模型在SESAM软件中的GeniE模块中经过合理组合后得到DPST船水动力模型，然后在HydroD模块中进行分析计算便可得到DPST船的水动力特征、载荷响应(主要是波浪载荷)以及运动响应。
边界面单元模型即Panel Model，如图 3所示，主要用于计算基于势流理论的动水压力、附加水质量和流体阻尼。质量单元模型即Mass Model，用于模拟DPST船的质量分布。
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| 图 3 DPST船的边界面单元模型 Fig.3 Boundary plane element model of DPST ship |
将上述模型组合得到水动力模型，然后再施加相应的环境载荷就可以进行DPST船的水动力特征分析。
3.3 DPST船舶运动幅值响应算子(RAOs)的仿真计算本节基于三维势流理论，针对DPST船模型结构，应用有限元软件SESAM对其进行水动力响应计算[11]。DPST船模型结构按照1:1进行建模，加载方式按照耐波性试验要求加载，在HydroD模块计算DPST船的耐波性能，界面如图 4所示。
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| 图 4 DPST船耐波性能计算模型界面 Fig.4 Anti-wave performance calculation model interface of DPST ship |
计算出DPST船6个自由度的运动幅值响应算子(RAOs)，存为可被OrcaFlex软件识别的.Wamit文件，为接下来FPSO外输卸油作业的多体运动耦合模拟提供DPST船在波浪中的运动响应参数。因第4章的多体仿真中考虑的是迎流方向的过分纵荡，这里只将迎流角度为0°时DPST船的RAOs中的纵荡幅值响应详细列出，见表 3。
| 周期/ s | 纵荡 | |
| 幅值 | 相位/(°) | |
| 1.0 | 0.000 003 985 | 309 |
| 1.8 | 0.000 109 672 | 135 |
| 2.6 | 0.000 645 162 | 184 |
| 3.4 | 0.001 916 540 | 325 |
| 4.2 | 0.004 420 970 | 192 |
| 5.0 | 0.007 235 840 | 353 |
| 5.8 | 0.012 925 600 | 325 |
| 6.6 | 0.020 417 300 | 180 |
| 7.4 | 0.020 009 000 | 321 |
| 8.2 | 0.039 903 600 | 51 |
| 9.0 | 0.014 087 300 | 100 |
| 9.8 | 0.049 117 500 | 267 |
| 10.6 | 0.091 499 200 | 268 |
| 11.4 | 0.066 658 000 | 268 |
| 12.2 | 0.007 578 600 | 84 |
| 13.0 | 0.110 188 000 | 88 |
| 13.8 | 0.222 322 000 | 88 |
| 14.6 | 0.330 651 000 | 87 |
| 15.4 | 0.428 841 000 | 87 |
| 16.2 | 0.515 191 000 | 87 |
| 17.0 | 0.590 136 000 | 87 |
| 17.8 | 0.654 866 000 | 87 |
| 18.6 | 0.710 767 000 | 88 |
| 19.4 | 0.759 210 000 | 88 |
| 20.2 | 0.801 475 000 | 88 |
| 21.0 | 0.838 720 000 | 88 |
| 21.8 | 0.871 965 000 | 88 |
| 22.6 | 0.902 084 000 | 88 |
| 23.4 | 0.929 804 000 | 88 |
| 24.2 | 0.955 726 000 | 89 |
| 25.0 | 0.980 325 000 | 89 |
| 25.8 | 1.003 970 000 | 89 |
| 26.6 | 1.026 960 000 | 89 |
| 27.4 | 1.049 500 000 | 89 |
| 28.2 | 1.071 760 000 | 89 |
| 29.0 | 1.093 860 000 | 89 |
| 29.8 | 1.115 890 000 | 89 |
| 30.6 | 1.137 910 000 | 89 |
| 31.4 | 1.159 970 000 | 89 |
| 32.0 | 1.176 560 000 | 89 |
4 串靠外输多体运动耦合仿真 4.1 外输系统仿真设置
OrcaFlex软件由英国Orcina公司开发，是一款业内领先的可进行各种海洋工程结构动态分析的软件，应用范围包括各种立管、锚泊系统、拖曳系统及安装过程等，能进行浮式结构锚泊系统的静态和动态分析，锚泊方式包括单点系泊、多点系泊及转塔(内转塔、外转塔)系泊等，适用于本次多点系泊FPSO串靠外输作业过程的时域模拟。依据第1章的外输系统布局在OrcaFlex软件中进行边界条件设置，FPSO串靠外输俯视图如图 5所示。文中采取的是两点系泊，2组系泊缆，每组系泊缆有3根缆绳，分别呈120°角，如图 5蓝色线所示。
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| 图 5 OrcaFlex软件中FPSO串靠外输俯视图 Fig.5 Top view of the FPSO tandem offloading in the OrcaFlex software |
4.2 北海外输安全距离方法验证
针对北海南部、中部和北部3个不同海域的1 a一遇重现期风浪流极值条件，对“FPSO+穿梭油轮”的串靠外输作业的安全距离进行研究。这里假设穿梭油轮在动力定位失效自由运动以后，船员的反应时间及应急措施开展时间共为60 s[11-12]，取安全系数为1.5，提出安全距离估算公式：安全距离=1.5×(DPST纵荡幅值+FPSO纵荡幅值+DPST动力定位失效最大速度×船员反应时间)来进行估算。
在OrcaFlex软件中将仿真时间设为12 000 s，约3.3 h，设置北海南部1 a一遇的风浪流参数，从而得到北海南部重现期为1 a一遇海况条件下，穿梭油轮DPST纵荡随时间变化曲线、FPSO纵荡随时间变化曲线以及DP动力定位失效后DPST纵荡方向速度随时间的变化曲线，选取幅值最大部分的时域图表示，如图 6所示。
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| 图 6 北海南部海域重现期为1 a一遇海况下的FPSO外输作业仿真 Fig.6 Simulation of FPSO tandem offloading operation under the sea condition with 1 year recurrence interval in the southern part of the North Sea |
根据图 6a可得，在北海南部海域的外输作业过程中，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST船动力失效后的纵荡幅值约为7.5 m，FPSO的纵荡幅值约为1.5 m。根据图 6b可得，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST动力失效后自由运动可能达到的最大速度约为0.75 m/s。据以上参数计算得到FPSO外输作业在北海南部海域，当出现重现期为1 a一遇风浪流海况时，推荐的安全操作距离为81 m。
在OrcaFlex软件中将仿真时间设为12 000 s，约3.3 h，设置北海中部1 a一遇的风浪流参数，从而得到北海中部重现期为1 a一遇海况条件下，穿梭油轮DPST纵荡随时间变化曲线、FPSO纵荡随时间变化曲线以及DP动力定位失效后DPST纵荡方向速度随时间的变化曲线，选取幅值最大部分的时域图表示，如图 7所示。
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| 图 7 北海中部海域重现期为1 a一遇海况下的FPSO外输作业仿真 Fig.7 Simulation of FPSO tandem offloading operation under the sea condition with 1 year recurrence interval in the middle of the North Sea |
根据图 7a可得，在北海中部海域的外输作业过程中，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时DPST船动力失效后的纵荡幅值约为9.0 m，FPSO的纵荡幅值约为4.0 m。根据图 7b可得，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST动力失效后自由运动可能达到的最大速度约为0.75 m/s。据以上参数计算得到FPSO外输作业在北海中部海域，当出现重现期为1 a一遇风浪流海况时，推荐的安全操作距离为87 m。
在OrcaFlex软件中将仿真时间设为12 000 s，约3.3 h，设置北海北部1 a一遇的风浪流参数，从而得到北海北部重现期为1 a一遇的海况条件下，穿梭油轮DPST纵荡随时间变化曲线、FPSO纵荡随时间变化曲线以及DP动力定位失效后DPST纵荡方向速度随时间的变化曲线，选取幅值最大部分的时域图表示，如图 8所示。
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| 图 8 北海北部海域重现期为1 a一遇海况下的FPSO外输作业仿真 Fig.8 Simulation of FPSO tandem offloading operation under the sea condition with 1 year recurrence interval in the northern part of the North Sea |
根据图 8a可得，在北海北部海域的外输作业过程中，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST船动力失效后的纵荡幅值约为15.0 m，FPSO的纵荡幅值约为4.0 m。根据图 8b可得，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST动力失效后自由运动可能达到的最大速度约为1.50 m/s。据以上参数计算得到FPSO外输作业在北海北部海域，当出现重现期为1 a一遇的风浪流海况时，推荐的安全操作距离为164 m。
由HSE数据库得，挪威北海应用的FPSO与穿梭油轮之间的外输距离75%集中在71~80 m之间[12]。本节计算的北海南部和中部FPSO外输作业推荐安全距离为81~90 m，北海北部海域因其环境恶劣，没有FPSO船的应用，虽然计算到的安全推荐距离较远，但参考意义不大。因此，本节提出的安全距离计算方法可以满足使用要求。
4.3 中国南海北部外输安全距离计算[13-14]针对中国南海北部海域重现期为1 a一遇和10 a一遇的风浪流极值条件，对“FPSO+穿梭油轮”的串靠外输作业的安全距离进行计算。在OrcaFlex软件中，将仿真时间设为12 000 s，约3.3 h，设置中国南海北部1 a一遇的风浪流参数，从而得到中国南海北部重现期为1 a一遇的海况条件下，穿梭油轮DPST纵荡随时间变化曲线、FPSO纵荡随时间变化曲线以及DP动力定位失效后DPST纵荡方向速度随时间的变化曲线，选取幅值最大部分的时域图表示，如图 9所示。
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| 图 9 中国南海北部海域重现期为1 a一遇海况下的FPSO外输作业仿真 Fig.9 Simulation of FPSO tandem offloading operation under the sea condition with 1 year recurrence interval in the northern South China Sea |
根据图 9a可得，在中国南海北部海域的外输作业过程中，当遭遇1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST船动力失效后的纵荡幅值约为8.5 m，FPSO的纵荡幅值约为0.8 m。根据图 9b可得，当遭遇中国南海北部1 a一遇的风浪流极值条件时，DPST动力失效后自由运动可能达到的最大速度约为0.60 m/s。
根据以上参数计算得到FPSO外输作业在中国南海北部海域，当出现重现期为1 a一遇的风浪流海况时，推荐的安全操作距离为68 m。
在OrcaFlex软件中将仿真时间设为12 000 s，约3.3 h，设置中国南海北部10 a一遇的风浪流参数，从而得到中国南海北部重现期为10 a一遇的海况条件下，穿梭油轮DPST纵荡随时间变化曲线、FPSO纵荡随时间变化曲线以及DP动力定位失效后DPST纵荡方向速度随时间的变化曲线，选取幅值最大部分的时域图表示，如图 10所示。
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| 图 10 中国南海北部海域重现期为10 a一遇海况下的FPSO外输作业仿真 Fig.10 Simulation of FPSO tandem offloading operation under the sea condition with 10 year recurrence interval in the northern South China Sea |
根据图 10a可得，在中国南海北部海域的外输作业过程中，当遭遇10 a一遇的风浪流极值条件时，DPST船动力失效后的纵荡幅值约为9.0 m，FPSO的纵荡幅值约为1.0 m。根据图 10b可得，当遭遇中国南海北部10 a一遇的风浪流极值条件时，DPST动力失效后自由运动可能达到的最大速度约为1.00 m/s。
根据以上参数计算得到FPSO外输作业在中国南海北部海域，当出现重现期为10 a一遇风浪流海况时，推荐的安全操作距离为105 m。
5 结论笔者基于三维势流，利用SESAM软件对船舶的水动力特征进行仿真模拟，得到船舶在风浪流载荷作用下的位移。再采用多体耦合的动态时域模拟软件OrcaFlex，对多点系泊FPSO外输卸载作业过程中的多体耦合作用下的船舶进行时域模拟，主要关注因船舶过分纵荡引起的碰撞，从而计算FPSO外输卸载的安全距离。主要结论如下：
(1) 依据过分纵荡公式计算出的挪威北海南部和中部FPSO外输卸载安全距离与实际北海应用的FPSO外输卸载安全距离十分相近，因此过分纵荡可作为参考进行安全距离的估算。
(2) 针对中国南海北部海域重现期为1 a一遇的风浪流极值条件，多点系泊FPSO的外输安全距离推荐为68 m。
(3) 针对中国南海北部海域重现期为10 a一遇的风浪流极值条件，多点系泊FPSO的外输安全距离推荐为105 m。
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