“海洋石油112”號(hào)FPSO單點(diǎn)系泊模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析

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（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津300452；2.北京迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司 北京100029）

“海洋石油112”號(hào)FPSO單點(diǎn)系泊模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析

詹燕民1張?zhí)煊?張大剛2

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津300452；2.北京迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司 北京100029）

國內(nèi)有多艘大型軟剛臂系泊FPSO在淺水服役，或多或少均存在一定故障，因此淺水FPSO水動(dòng)力性能和安全問題受到廣泛重視。“海洋石油112”號(hào)FPSO軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)位于渤海淺水水域。文中對(duì)該單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了系泊分析數(shù)值模擬，并與水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證三維動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬在淺水中應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置；單點(diǎn)系泊系統(tǒng)；軟剛臂；模型試驗(yàn)

引 言

“海洋石油112”號(hào)FPSO（HYSY112）是一艘15萬噸級(jí)原油收集處理裝置，使用由APL公司設(shè)計(jì)的水下軟剛臂單點(diǎn)系泊（簡稱“112單點(diǎn)”）。該單點(diǎn)系泊系統(tǒng)（SPM）2004年安裝完成，設(shè)計(jì)使用壽命為25年，見下頁圖1。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在投產(chǎn)后，自2009年開始出現(xiàn)了一系列故障。這些故障不僅使油田停產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也給海洋環(huán)境和現(xiàn)場操作人員的安全帶來一定威脅。

112單點(diǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障有多種，其中包括水上軸承偏磨、外轉(zhuǎn)塔螺栓疲勞斷裂、水下軸承偏磨、錯(cuò)位等等，還有一些潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，如關(guān)鍵點(diǎn)螺栓疲勞、高應(yīng)力區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、疲勞等。為查找該單點(diǎn)已有的或潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，需對(duì)部分APL設(shè)計(jì)分析進(jìn)行復(fù)核。本文對(duì)112單點(diǎn)進(jìn)行了系泊分析，并將計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。計(jì)算所得系泊力將為單點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞分析提供載荷依據(jù)。

圖1 “海洋石油112”號(hào)單點(diǎn)系統(tǒng)（水上部分）

1 系泊力計(jì)算

1.1 系泊分析

軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)總布置圖見圖2。

圖2 “海洋石油112”號(hào)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)主要由以下部件組成：

（1）FPSO及系泊鏈支撐結(jié)構(gòu)；

（2）帶基座的內(nèi)塔（固定部分）；

（3）轉(zhuǎn)塔（旋轉(zhuǎn)部分，與內(nèi)塔通過軸承連接）；

（4）系泊軟剛臂及系泊鏈；

（5）跨接軟管；

（6）操作條件下FPSO與系泊塔之間的舷梯。

系泊分析中，需要FPSO、系泊鏈、軟剛臂三個(gè)部分。FPSO與軟剛臂視為剛體，兩者之間以兩根系泊鏈連接。112單點(diǎn)所在位置的平均水深為24 m。

FPSO、軟剛臂及系泊鏈參數(shù)主要參數(shù)見表1，單點(diǎn)系統(tǒng)示意圖見圖2。

表1 FPSO及其系泊系統(tǒng)主要參數(shù)

1.1.1 FPSO水動(dòng)力計(jì)算

水動(dòng)力分析采用商業(yè)軟件WAMIT進(jìn)行計(jì)算，該軟件基于三維有限水深格林函數(shù)求解。頻域計(jì)算中，波浪周期從0.2 ～1.6 rad/s，取35個(gè)波浪周期。浪向從0°～180°，取9個(gè)浪向（0°，15°，30°，45°，90°，135°，150°，165°，180°）。橫搖粘性阻尼由模型試驗(yàn)得到，由于縱搖及垂蕩勢流阻尼占總阻尼絕大部分，因此可忽略縱搖及垂蕩粘性阻尼。水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格見圖3。

圖3 水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格

1.1.2 系泊系統(tǒng)耦合計(jì)算

整個(gè)系泊系統(tǒng)模型利用Orcaflex進(jìn)行多體系統(tǒng)耦合計(jì)算。FPSO屬于大尺度構(gòu)件，則通過三維勢流理論進(jìn)行求解（WAMIT），由勢流理論得到的FPSO附加質(zhì)量、附加阻尼、一階波浪激勵(lì)力、二階波漂力系數(shù)及靜水力剛度等參數(shù)作為系泊耦合分析的輸入?yún)?shù)。二階傳遞函數(shù)采用全QTF法［1］（Full Quadratic Transfer Function），即通過繞射/輻射理論數(shù)值計(jì)算得到二階波浪慢漂力的QTF矩陣。

軟剛臂可作為細(xì)長體單元進(jìn)行模擬，通過Morison方程求解其水動(dòng)力，其中拖曳力系數(shù)CD= 1.0，附加質(zhì)量系數(shù) AM= 0.8。均布式質(zhì)量加載于軟剛臂上，使得整個(gè)錨鏈初始預(yù)張力為750 t（每條鏈375 t）。由于錨鏈較短，錨鏈的水動(dòng)力參數(shù)沒有考慮。FPSO漂移阻尼根據(jù)系泊系統(tǒng)自由衰減試驗(yàn)得到，縱蕩臨界阻尼比1.4%。作用于FPSO的風(fēng)、流載荷系數(shù)由風(fēng)、流模型試驗(yàn)分別得到。計(jì)算模型見圖4。

圖4 單點(diǎn)系泊數(shù)值模型

數(shù)值模型應(yīng)校準(zhǔn)系泊系統(tǒng)回復(fù)力剛度曲線，使其與水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南挡聪到y(tǒng)回復(fù)力剛度曲線一致，見圖5。

圖5 回復(fù)力剛度曲線對(duì)比

數(shù)值計(jì)算采用耦合時(shí)域分析，每個(gè)工況選取10個(gè)不同的隨機(jī)波浪種子數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬時(shí)間3 h，并取每次模擬統(tǒng)計(jì)值的平均值作為此工況的計(jì)算值。

1.2 環(huán)境條件

數(shù)值計(jì)算所采用的海況條件與模型試驗(yàn)一致。其中，風(fēng)速與流速采用與試驗(yàn)值相同的定常值進(jìn)行模擬，海浪譜采用JONSWAP譜［2］，其定義如下：

式中：譜峰圓頻率ωp= 2π/Tp，rad/s；Tp為譜峰周期；HS表示有義波高，m；γ表示譜峰升高因子，如果譜峰升高因子γ =1，則波浪譜表示P-M譜；σ表示譜峰形狀參數(shù)。

2 水池模型試驗(yàn)

“海洋石油112”號(hào)軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)在上海交通大學(xué)海洋工程試驗(yàn)室進(jìn)行，見圖6。模型縮尺比為1∶60，全尺度水深為24 m。

試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境條件為一年一遇海況（HS= 3.4 m）和百年一遇海況（HS= 5.0 m），采用JONSWAP譜，流速分別對(duì)應(yīng)0.75 m/s和1.35 m/s，并在試驗(yàn)室水池的有流和無流條件下進(jìn)行校波。動(dòng)態(tài)風(fēng)采用NPD譜進(jìn)行模擬。試驗(yàn)的部分環(huán)境工況見表2。

圖6 “海洋石油112”號(hào)水池模型試驗(yàn)

水池模型試驗(yàn)中得到的風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)見表3。

表2 模型試驗(yàn)?zāi)M工況

表3 FPSO風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷系數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值模擬與水池試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比參數(shù)包括系泊錨鏈張力平均值、張力最大值以及張力均方差，對(duì)比圖見圖7 — 圖9。從圖7中可以看到，系泊錨鏈平均張力的計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致，說明穩(wěn)態(tài)定常力模擬精確。圖8中的錨鏈張力最大值除工況03、工況04，均吻合較好。圖9中，系泊錨鏈張力均方差值除工況05、工況04（左舷錨鏈）外相比試驗(yàn)值均明顯偏小。

圖7 系泊錨鏈張力平均值

圖8 系泊錨鏈張力最大值

圖9 系泊錨鏈張力均方差值

工程計(jì)算中，波浪譜通常采用波浪譜JONSWAP譜、PM譜等，然而這些理論波浪譜的能量成分主要集中在ω= 0.2～2.0 rad/s的波浪頻率范圍內(nèi)，至于ω= 0～0.2 rad/s的低頻范圍，一般沒有波浪能量成分。然而，在近岸淺水海域，伴隨著大幅度振蕩的波浪時(shí)歷（波群），總會(huì)出現(xiàn)較明顯的低頻波浪成分，這便是在淺水非線性波浪中出現(xiàn)的低頻約束長波現(xiàn)象［3］，隨著水深增加，這種低頻約束長波的影響也隨之逐漸減弱。同樣，在水池試驗(yàn)得到的波浪譜中也可以觀察到這種低頻能量。波浪譜中，低頻能量成分（即低頻約束長波成分及其誘導(dǎo)一階低頻波浪力）的出現(xiàn)，使得總的低頻波浪慢漂激勵(lì)力有大幅度增加，最終導(dǎo)致單點(diǎn)系泊FPSO低頻共振縱蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及由此產(chǎn)生的系泊系統(tǒng)系泊力相比于數(shù)值計(jì)算有一定幅度的增加。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)112單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的對(duì)比分析，結(jié)果顯示：絕大部分工況中系泊平均張力與系泊最大張力的計(jì)算值均與試驗(yàn)值較好吻合。由于低頻約束長波的出現(xiàn)，在大部分海況中數(shù)值計(jì)算錨鏈張力均方差值相比試驗(yàn)值明顯偏小，而疲勞累積損傷與均方差成正相關(guān)關(guān)系。112單點(diǎn)中，基座、內(nèi)塔、軟剛臂、系泊支撐結(jié)構(gòu)、部分連接螺栓等部件的疲勞都與系泊張力相關(guān)，系泊張力均方差的低估將導(dǎo)致這些構(gòu)件在投產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際壽命比設(shè)計(jì)壽命偏小，引起一些潛在的故障。例如，連接軟剛臂的首搖軸承蓋板上的36個(gè)螺栓長期承受系泊力的往復(fù)作用，2009年檢測發(fā)現(xiàn)其中4個(gè)螺栓的螺紋出現(xiàn)明顯損傷，隨后進(jìn)行更換。這種潛在的故障如果逐步擴(kuò)大，將會(huì)造成嚴(yán)重的事故。

關(guān)于低頻約束長波和海岸低頻波浪在實(shí)際近岸淺水海域中的存在及其形成機(jī)理，已被許多理論研究和實(shí)際觀測所證實(shí)［4］。如果忽視淺水低頻長波成分的存在，采用傳統(tǒng)研究方法，純粹采用理論波浪譜以及線性疊加形成的不規(guī)則波浪時(shí)歷，對(duì)FPSO和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，將會(huì)造成預(yù)報(bào)結(jié)果偏小，給工程設(shè)計(jì)帶來隱患。然而一般的商業(yè)軟件無法模擬該部分低頻波浪成分，且該低頻波浪能量會(huì)隨著水深增加而減小，這就需要進(jìn)行一系列的水池模型試驗(yàn)以得到相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)或公式了。

［1］Kim M H.Yue D K P.The complete second-order diffraction solution for all axisymmetric body.Part 2.Bichromatic incident waves［J］.Journal of Fluid Mechanics，1990，211：557-593.

［2］DNV.DNV-RP-C205.Environmental conditions and environmental loads［S］.2007.

［3］肖龍飛.淺水波及軟剛臂系泊FPSO淺水效應(yīng)研究［D］.上海：交通大學(xué)博士論文，2007.

［4］鄒志利.水波理論及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

Comparative analysis of HYSY112 single point mooring system by model test and numerical simulation

ZHAN Yan-min1ZHANG Tian-yu2ZHANG Da-gang2
（1.CNOOC Ltd.（Tianjin），Tianjin 300452，China；2.Beijing DMAR Offshore Engineering，Inc.，Beijing 100029，China）

Many domestic soft yoke mooring FPSOs in large scale serve in shallow water，which more or less have a certain fault，resulting in much more attention of the hydrodynamic performance and the safety of FPSO in shallow water.HYSY112 soft yoke single point mooring（SPM）system is located in the shallow water field in the Bohai Sea.The HYSY112 SPM system is numerically simulated to validate the accuracy of the threedimensional dynamic response numerical simulation that is applied in shallow water by comparison with the basin model test results.

FPSO（floating production storage and offloading）； single point mooring system； soft yoke mooring；model test

P751

A

1001-9855（2016）05-0088-06

2016-01-21；

2016-03-17

詹燕民（1979-），男，工程師，研究方向：設(shè)備管理。張?zhí)煊睿?983-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：海洋工程水動(dòng)力、系泊分析。張大剛（1962-），男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：海洋工程研究、設(shè)計(jì)及工程管理。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.05.088