南海FPSO超極限海況下抗風(fēng)能力分析

李 牧，田冠楠，楊凱東

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

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南海FPSO超極限海況下抗風(fēng)能力分析

李 牧，田冠楠，楊凱東

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

在三維勢(shì)流理論的基礎(chǔ)上，對(duì)作業(yè)于南海海域的海洋石油111FPSO進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的系泊分析，獲得在該海況不同裝載量和不同裝載方式錨鏈的系泊力，利用Weibull分布函數(shù)推導(dǎo)超百年一遇環(huán)境條件，通過對(duì)比系泊力大小，選取最惡劣海況下安全系數(shù)最大的最優(yōu)裝載形式進(jìn)行極限抗風(fēng)能力分析，得到海洋石油111FPSO最大可以抵抗的臺(tái)風(fēng)等級(jí)。

單點(diǎn)系泊；Weibull分布；超百年一遇海況；極限抗風(fēng)能力

近年來南海環(huán)境愈加惡劣，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，超百年一遇臺(tái)風(fēng)的出現(xiàn)已不罕見，給油田安全及正常生產(chǎn)帶來很大程度的威脅，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)是海洋油氣資源生產(chǎn)的主要裝備，一旦出現(xiàn)問題將造成極為嚴(yán)重的后果[1]。而且南海FPSO的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)大都現(xiàn)已服役多年，由于系統(tǒng)磨損、老化、銹蝕及疲勞等情況引起系泊強(qiáng)度降低，為保證FPSO的安全，現(xiàn)有必要分析超極限海況下FPSO抵抗風(fēng)、浪、流的能力，以更加真實(shí)有效地評(píng)估FPSO及單點(diǎn)系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)，為業(yè)主及作業(yè)者決策提供更有利的理論依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。對(duì)風(fēng)浪流作用下的FPSO響應(yīng)進(jìn)行研究，提出了不規(guī)則波作用下，風(fēng)浪流聯(lián)合作用下系統(tǒng)系泊力的時(shí)域計(jì)算方法[2]，應(yīng)用多體水動(dòng)力學(xué)軟件AQWA，對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析和時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，從而得到FPSO時(shí)歷運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線和各系泊線的受力情況[3-4]。

以海洋石油111FPSO為研究目標(biāo)，研究其可以抵抗的最惡劣海況，根據(jù)由ARIANE進(jìn)行系泊分析計(jì)算的29種裝載工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最大的裝載工況，利用Weibull分布原理推導(dǎo)超極限海況。

1 理論基礎(chǔ)

海洋石油111FPSO極限抗風(fēng)能力分析首先進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算、結(jié)合工程實(shí)際針對(duì)29種典型裝載工況進(jìn)行了系泊計(jì)算，通過系泊分析結(jié)果對(duì)比，在5種海況下，選取29種裝載工況對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最大的裝載工況進(jìn)行極限系泊分析，以得到滿足最小安全系數(shù)的極限生存海況。

1.1 極限載荷分析方法

基于BV規(guī)范NR493，采用ARIANE V7軟件，通過時(shí)域分析得到船體的低頻響應(yīng)，經(jīng)過所有時(shí)間序列的數(shù)值積分后與波頻運(yùn)動(dòng)進(jìn)行疊加，進(jìn)而通過張力-變形曲線(系纜特性)得到瞬時(shí)張力。

1.2 設(shè)計(jì)張力計(jì)算方法

為了達(dá)到統(tǒng)計(jì)目的，單個(gè)海況組合至少需要計(jì)算10 800 s(3 h)的時(shí)間歷程，然后從錨鏈載荷3 h的時(shí)間曲線中選取最大值。由于相同的波浪或風(fēng)的譜參數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)歷曲線具有隨機(jī)性，所以對(duì)一個(gè)給定海況，考慮種子的隨機(jī)性進(jìn)行n次重復(fù)計(jì)算。 錨鏈的設(shè)計(jì)張力由下式計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

式中：Tk——單次計(jì)算錨鏈載荷時(shí)歷曲線中的最大值(單個(gè)種子)；

Tμ——n次計(jì)算得到所有最大值的平均值(n個(gè)種子)；

Tσ——n次計(jì)算得到所有最大值的標(biāo)準(zhǔn)差；

TD——錨鏈的設(shè)計(jì)張力；

a——系數(shù)，取決于計(jì)算的種子數(shù)。

1.3 安全系數(shù)

錨鏈的安全系數(shù)(SF)是錨鏈的破斷載荷除以錨鏈的最大設(shè)計(jì)張力，根據(jù)BV規(guī)范NR493，在完整狀態(tài)下，錨鏈的安全系數(shù)要大于等于1.75。

1.4 Weibull分布

目前在海洋工程極限海況的推算上有些公認(rèn)方法，如，指數(shù)分布函數(shù)、皮爾遜Ⅲ型曲線、耿貝爾分布曲線及威布爾分布函數(shù)，不同方法都有各自的實(shí)用性。本文采用Weibull分布函數(shù)[5], 該分布對(duì)于年最大風(fēng)速、波高、降水量等氣候極值具有很高的擬合精度和很強(qiáng)的適應(yīng)性。

已知不同重現(xiàn)期下有義波高的極值，設(shè)三參數(shù)Weibull分布函數(shù)分布：

(4)

(5)

則重現(xiàn)期T(x)的函數(shù)式：

(6)

2 工程實(shí)例分析

2.1 極限海況

極限海況的環(huán)境條件參數(shù)見表1。

表1 百年一遇臺(tái)風(fēng)海況

注：考慮了Tp減小10%的敏感性計(jì)算分析。

2.2 模型參數(shù)

海洋石油111號(hào)FPSO在番禺油田服務(wù)，作業(yè)水深105 m。船體主尺度見表2，綜合考慮FPSO海上生產(chǎn)實(shí)際及穿梭油輪周期選取裝載工況，通過調(diào)節(jié)壓載以保證FPSO的浮態(tài)和強(qiáng)度滿足要求。

表2 海洋石油111FPSO主尺度 m

對(duì)FPSO濕表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立水動(dòng)力模型見圖1。

圖1 FPSO水線以下整體網(wǎng)格(Add_lc1工況)

111號(hào)FPSO系泊系統(tǒng)為內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)，錨鏈為3×3布置形式，即9根系泊錨鏈構(gòu)成，各組錨鏈間隔120°，一組內(nèi)的錨鏈間隔5°，各組錨鏈布置見圖2、3，系泊錨鏈通過內(nèi)轉(zhuǎn)塔式STP浮筒與船體連接。

圖2 系泊系統(tǒng)三維視圖

圖3 系泊系統(tǒng)布置

2.3 裝載工況

從裝載手冊(cè)中選擇6個(gè)原始裝載工況，根據(jù)工程實(shí)際配置23種新的裝載工況進(jìn)行計(jì)算分析,見表3。

表3 29種裝載工況列表

2.4 計(jì)算小結(jié)

由海洋石油111FPSO百年一遇極限海況系泊分析[4]結(jié)果得出，在5種海況下，29種裝載工況對(duì)應(yīng)的最大載荷均發(fā)生在A1海況下，因此選取A1海況下對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最大的裝載工況進(jìn)行極限系泊分析，以得到滿足最小安全系數(shù)的極限生存海況.。如圖4所示，Add_lc5裝載工況是最優(yōu)的裝載工況。

圖4 A1海況下29種裝載工況系泊力安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.5 極限海況計(jì)算

計(jì)算所選取海洋環(huán)境數(shù)據(jù)為風(fēng)、浪、流主導(dǎo)下的百年一遇海況，選取JONSWAP譜作為分析波浪形態(tài)的波浪譜。

由海洋石油111FPSO百年一遇極限海況系泊分析結(jié)果得出，在5種海況中，24種裝載工況對(duì)應(yīng)的最大載荷均發(fā)生在A1海況下。因此，對(duì)海洋石油111FPSO做超極限生存海況計(jì)算，僅考慮A1浪主導(dǎo)海況對(duì)應(yīng)的超級(jí)限海況即可。

A1海況為浪主導(dǎo)海況，對(duì)應(yīng)的1年一遇，5年一遇，10年一遇，20年一遇，25年一遇，50年一遇，100年一遇的海況信息見表4[5]。

表4 番禺海域浪主導(dǎo)海況

根據(jù)表4信息，采用Weibull統(tǒng)計(jì)方法獲取超過100年一遇的超極限海況數(shù)據(jù)。

波浪Hs的Weibull曲線見圖5，當(dāng)考慮1年一遇的數(shù)據(jù)時(shí)，Weibull曲線與7個(gè)點(diǎn)的吻合性差一些，當(dāng)去除1年一遇數(shù)據(jù)后獲得的Weibull曲線與其他6個(gè)點(diǎn)高度吻合，因此該海域海況統(tǒng)計(jì)采用該Weibull曲線結(jié)果。

圖5 有義波高Hs的Weibull曲線結(jié)果與環(huán)境條件比較

此外超極限海況下各Hs對(duì)應(yīng)的Tp按照百年一遇的Hs和Tp對(duì)應(yīng)的波陡值0.037 6。

風(fēng)速的Weibull曲線見圖6，當(dāng)考慮1年一遇的數(shù)據(jù)時(shí)，Weibull曲線與7個(gè)點(diǎn)的吻合性差一些，當(dāng)去除1年一遇數(shù)據(jù)后獲得的Weibull曲線與

圖6 風(fēng)速Weibull曲線與環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)比較

其他6個(gè)點(diǎn)高度吻合，因此該海域海況統(tǒng)計(jì)采用該Weibull曲線結(jié)果。

流速的Weibull曲線與現(xiàn)有的7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)也非常吻合，如圖7所示。

圖7 流速Weibull曲線與環(huán)境條件統(tǒng)計(jì)比較

超極限海況得到數(shù)據(jù)見表5(有義波高和風(fēng)速是由去除1年一遇數(shù)據(jù)的Weibull曲線得到)。

表5 超極限海況(浪主導(dǎo)海況)

注：考慮了Tp-10%的敏感性分析。

2.6 結(jié)果分析

根據(jù)BV規(guī)范NR493，錨鏈張力安全系數(shù)需要大于1.75。

此次計(jì)算分析考慮了種子數(shù)目是20 。

通過對(duì)超極限海況計(jì)算分析，得到安全系數(shù)接近1.75的2組海況，見表6。由表6可以得出，滿足安全系數(shù)1.75的最惡劣海況信息,見表7。

表6 超極臺(tái)風(fēng)海況計(jì)算結(jié)果

注：Hs表示有義波高，m；Tp表示譜峰周期，s；DirH表示波向角度，(°)；Uw表示風(fēng)速，m/s;DirV表示風(fēng)向角度，(°)；Uc表示流速，m/s；DirC表示流向角度，(°)。

表7 滿足安全系數(shù)1.75的最惡劣海況

臺(tái)風(fēng)等級(jí)以10 min平均風(fēng)速劃分，浪主導(dǎo)海況對(duì)應(yīng)的1年一遇，5年一遇，10年一遇，20年一遇，25年一遇，50年一遇，100年一遇海況的1 h平均風(fēng)速和10 min平均風(fēng)速信息見表8。

由表8知，番禺海域10 min與1 h平均風(fēng)速的比值約為1.06，滿足安全系數(shù)1.75時(shí)的最惡劣海況對(duì)應(yīng)的1 h平均風(fēng)速為47.58 m/s，對(duì)應(yīng)的10 min平均風(fēng)速為約50.43 m/s，對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)海況等級(jí)為15級(jí)海況。

表8 1小時(shí)平均風(fēng)速和10分鐘平均風(fēng)速的比值

3 結(jié)論

1)由海洋石油111FPSO百年一遇5種極限海況下，各儲(chǔ)油量最安全裝載工況對(duì)應(yīng)的系泊載荷極值最小的是53 000 t時(shí)對(duì)應(yīng)的裝載工況Add_lc5；

2)滿足安全系數(shù)的最惡劣海況下，最安全的裝載工況可以抵抗最大的臺(tái)風(fēng)等級(jí)為15級(jí)，可以為生產(chǎn)作業(yè)方合理評(píng)估系泊系統(tǒng)安全狀況提供可靠的理論依據(jù)。

[1] 余小川,謝永和,李潤(rùn)培,等.水深對(duì)超大型FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪載荷的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005,39(5)：1-6.

[2] 聶孟喜,王旭升,王曉明,等.風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下系統(tǒng)系泊力的時(shí)域計(jì)算方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004(9):1214-1217.

[3] 劉元丹,劉敬喜,譚安全.單點(diǎn)系泊FPSO風(fēng)浪流載荷下運(yùn)動(dòng)及其系泊力研究[J].船海工程,2011,40(6)：146-149.

[4] 呂立功,景勇,溫寶貴,等.FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的考慮[C].吳有生.2005年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.上海:中國(guó)造船工程學(xué)會(huì),2005:348-356.

[5] 嚴(yán)曉東,馬翔,鄭榮躍,等.三參數(shù)威布爾分布參數(shù)估計(jì)方法比較,寧波大學(xué)學(xué)報(bào),2005,18(3)：301-305.

On the Ultimate Wind Resistant Ability of the FPSO in South China Sea

LI Mu, TIAN Guan-nan, YANG Kai-dong

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Co., Tianjin 300451, China)

Based on the 3D potential flow theory, the mooring analysis in time domain was carried out for HYSY 111 FPSO to get the mooring force in south China sea at different loading quantity and different loading forms. The environmental conditions once in a hundred years were deducted with Weibull distribution function. By comparison of mooring forces, the optimal loading form was selected to take the extreme wind resistance analysis. The maximum resistance of the typhoon level for HYSY 111 FPSO was gotten.

single point mooring system; Weibull distribution; sea condition over 100 years; ultimate wind resistant capacity

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.001

2016-07-10

中海石油總公司項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 13 LTD NFCY 2012-01)

李牧(1986—)，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0001-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:浮體結(jié)構(gòu)

E-mail:limu@cnooc.com.cn