張　婧，邵　龍，吳　洵，閆　巖

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0　引　言

隨著深水勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，深海石油開發(fā)步伐日益加快，近十幾年全球大型油氣田勘探實踐表明：陸上油氣資源已日漸枯竭，60%～70%新增石油儲量均源于海洋，其中又有一半是在水深500 m以上的深海區(qū)域。在海洋石油開發(fā)向深水、惡劣海況地區(qū)及邊際油田進軍的大趨勢下，固定式平臺變得不適宜生產(chǎn)運作，采用浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)則是最好的選擇。FPSO具有機動性和運移性好、抗風(fēng)浪能力強、生產(chǎn)和儲存能力大等特點，因而適合深水采油[1]。海上結(jié)構(gòu)通常采用系泊系統(tǒng)或動力定位等技術(shù)使平臺固定于某一區(qū)域作業(yè)；考慮經(jīng)濟因素，目前最普遍的還是系泊系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)定位主要有兩種方式：懸鏈線系泊系統(tǒng)和張緊式系泊系統(tǒng)。對于深水浮式平臺，惡劣的風(fēng)浪流環(huán)境，傳統(tǒng)懸鏈線系泊系統(tǒng)已無法滿足工程要求[2]。近年來新型張緊式系泊系統(tǒng)(taut wire mooring system)在深水應(yīng)用中表現(xiàn)出越來越多的優(yōu)越性。

對張緊式系泊系統(tǒng)，目前工程應(yīng)用并不多，究其原因為其復(fù)雜的特性，如動剛度特性、張緊-松弛特性、蠕變和應(yīng)力松弛特性、疲勞破壞特性等[3-7]。目前國內(nèi)涉及張緊式系泊的研究主要集中于深水半潛式海洋平臺的張緊式系泊系統(tǒng)[8]。半潛式平臺一般采用多點系泊方式定位，當遭遇強風(fēng)浪流環(huán)境時，平臺在有效控制自身運動的同時，張緊式系泊纜張力將會非常大，這對系泊纜材料提出較高地要求。708所近期開展了單點系泊FLNG-FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)為懸鏈式[9]，事實上張緊式系泊系統(tǒng)定位優(yōu)勢明顯，且其張力不會特別大，因此具有很好的應(yīng)用前景。

筆者基于南海海域惡劣的海況，以深水單點系泊FPSO為對象，研究了張緊式系泊系統(tǒng)平臺運動響應(yīng)及系纜張力動響應(yīng)規(guī)律，并對不同張緊式系泊系統(tǒng)布置方案進行探討，為南海FPSO設(shè)計和布置提供參考。

1　基本理論

對FPSO這類海上浮式結(jié)構(gòu)物，主要考慮在風(fēng)浪流載荷作用下，其主體結(jié)構(gòu)與系泊系統(tǒng)的耦合運動，并建立相應(yīng)的非線性運動及動力方程，其中需考慮浮式結(jié)構(gòu)物及其附屬系泊系統(tǒng)的附加質(zhì)量、非線性阻尼和恢復(fù)力的相互作用。

對上述非線性運動過程進行求解分析，通常將運動分解為由1階波浪力(波頻部分)和2階波浪力(低頻部分)兩部分。借助Cummins理論，根據(jù)三維勢流理論[10]計算得到頻域下波浪力傳遞函數(shù)、附加質(zhì)量、附加阻尼、幅值響應(yīng)算子等水動力參數(shù)，并通過傅里葉變換進行時域分析。

其波頻運動方程如式(1)：

(1)

式中：K為延時函數(shù)矩陣；M為質(zhì)量矩陣；μ為附加質(zhì)量；C為恢復(fù)力矩陣；Fmoor為系泊力；Fwave(1)為1階波浪力。

其低頻運動方程[11]如式(2)：

(2)

2　不同系泊方式對FPSO的影響

2.1　FPSO及環(huán)境參數(shù)

筆者針對一艘2×105噸級的單點系泊FPSO在作業(yè)水深為1 500 m海域下滿載工況進行時域動力響應(yīng)分析。船體主尺度如表1。以南海百年一遇的風(fēng)浪流參數(shù)作為環(huán)境條件，波浪采用JONSWAP譜，具體參數(shù)如表2。表2中風(fēng)浪流角度通過比較計算得到，該角度下FPSO響應(yīng)和系泊纜張力最大[12]。

表1　FPSO主要參數(shù)Table 1　Main parameters of FPSO

表2　環(huán)境條件Table 2　Environment condition

2.2　系泊系統(tǒng)模型

以水深1 500 m作為作業(yè)水深，采用懸鏈線和張緊式這兩種不同的系泊方式，如圖1。懸鏈線式系纜采用3段式系纜，靠近船體和靠近海底段為鋼鏈，中間段為鋼纜；張緊式系纜同樣采用3段式系纜，靠近船體和靠近海底段為鋼鏈，中間段為纖維系纜；兩種系泊方式都采用3×3的組式布置，具體參數(shù)如表3[11]。

圖1　兩種系泊系統(tǒng)形式Fig. 1　Two types of mooring system

表3　張緊式和懸鏈式系泊系統(tǒng)系纜參數(shù)Table 3　Mooring parameters of taut mooring system and catenaries mooring system

2.3　兩種方式對FPSO水動力性能影響

圖2為兩種方式下FPSO的6自由度運動響應(yīng)對比。由圖2可看出：在低頻響應(yīng)中，采用張緊式系泊系統(tǒng)下的FPSO縱蕩響應(yīng)最大值比懸鏈線式小26%，張緊式的艏搖響應(yīng)最大值比懸鏈線式小36.4%，而這兩種系泊方式的橫蕩響應(yīng)相近；在波頻響應(yīng)中，懸鏈式對應(yīng)的橫搖響應(yīng)最大值比張緊式增大了37.8%，兩者的縱搖和垂蕩響應(yīng)較為接近。

圖2　張緊式與懸鏈式對應(yīng)FPSO六自由度運動響應(yīng)對比Fig. 2　Comparison of FPSO six degree of freedom motion response of taut type and catenary type

圖3為兩種方式的張力對比。由圖3可看出：張緊式系泊系統(tǒng)的系纜對應(yīng)最大張力為懸鏈式的53%，且張緊式對船體預(yù)張力為1 160 kN，而懸鏈線式則為3 030 kN。這樣導(dǎo)致的結(jié)果為：① 張緊式系泊系統(tǒng)對應(yīng)的FPSO運動響應(yīng)更??；② 張緊式系泊系統(tǒng)系纜長度更小，且中間段可采用質(zhì)量非常輕的纖維系纜。

圖3　張緊式與懸鏈線式對應(yīng)的張力對比Fig. 3　Comparison of tension of taut type and catenary type

綜上所述，采用張緊式系泊系統(tǒng)能更好地控制FPSO運動響應(yīng)，對應(yīng)的系纜張力更小。隨著海洋石油開采不斷走向深水，這種優(yōu)勢將會得到更為明顯體現(xiàn)。所以，筆者針對深水FPSO將采用張緊式系泊方式作為其系泊系統(tǒng)，進一步研究系泊參數(shù)對FPSO水動力性能影響。

3　張緊式布置對水動力性能影響

3.1　系纜根數(shù)對系泊性能影響

在其他系泊參數(shù)諸如系纜長度、系泊半徑、系纜材料、內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置都一樣的前提下，筆者探討了系纜根數(shù)對FPSO水動力性能的影響。選取系纜根數(shù)分別為6、9根這2種情況進行研究，縱蕩、橫蕩時歷曲線如圖4。由圖4可看出：系纜根數(shù)對FPSO運動響應(yīng)有較大影響；當系纜根數(shù)由9根減少到6根時，縱蕩、橫蕩響應(yīng)分別增加了25.1%、38.8%。由此可見：通過增加系纜根數(shù)，可很好控制船體的運動響應(yīng)。

為進一步研究系纜根數(shù)對運動響應(yīng)影響，筆者以縱蕩為例，將縱蕩響應(yīng)進行低頻(LF)、高頻(HF)分解，如圖5。從圖5可看出：縱蕩響應(yīng)呈現(xiàn)強低頻特性，高頻部分響應(yīng)相比于低頻部分可以忽略不計；并且隨著系纜根數(shù)變化，縱蕩響應(yīng)變化主要體現(xiàn)在低頻部分，高頻部分幾乎不變。

圖4　不同系纜根數(shù)對應(yīng)的縱、橫蕩時歷曲線Fig. 4　The time history curve of longitudinal and transverse surge with different number of mooring cable

圖5　不同系纜根數(shù)對應(yīng)的縱蕩低頻、高頻分解Fig. 5　Low frequency，high frequency decomposition of longitudinal surge with different number of mooring cable

3.2　系纜組式、分式布置對系泊性能影響

在其他系泊參數(shù)諸如系纜根數(shù)、系纜長度、系泊半徑、系纜材料、內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置都一樣的前提下，筆者采用組式、分式這2種布置方式，如圖6；組式、分式對應(yīng)縱蕩橫蕩響應(yīng)對比結(jié)果如表4。

圖6　組式、分式對應(yīng)系纜最大張力對比Fig. 6　Comparison of maximum tension of mooring in group and fraction

表4　組式、分式對應(yīng)縱蕩橫蕩響應(yīng)對比Table 4　Comparison of motions in longitudinal and transverse surge of group and fraction

由圖6、表4可看出：在其他系泊參數(shù)均相同前提下，分式布置系纜最大張力稍小；分式布置對應(yīng)的縱蕩響應(yīng)值與組式布置相近，但橫蕩響應(yīng)最大值為組式布置的69.4%。從水動力角度考慮，張緊式系泊系統(tǒng)采用分式布置性能更好，但從現(xiàn)場施工工藝而言，由于海底錨點過于分散，分式布置施工難度也大大增加。

3.3　內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置對系泊性能影響

單點系泊系統(tǒng)對應(yīng)的FPSO最大的一個特點即是風(fēng)標效應(yīng)，與之相關(guān)較大的是內(nèi)轉(zhuǎn)塔距船艏的位置。通過改變不同轉(zhuǎn)塔位置(內(nèi)轉(zhuǎn)塔距船艏7.3%、15%、20%、25%、30%)，分析轉(zhuǎn)塔位置變化對FPSO水動力性能的影響，結(jié)果如表5。不同轉(zhuǎn)塔位置對應(yīng)系纜最大張力如圖7。

由表5可看出：隨著內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置不斷向船中移動，艏搖響應(yīng)值急劇變大，即風(fēng)標效應(yīng)越來越差；縱蕩、橫蕩響應(yīng)也相應(yīng)增大。這是因為艏搖響應(yīng)值變大，船體更多時間處于橫浪、橫流的受力狀態(tài)下，這對船體響應(yīng)控制是非常不利的。由圖7可看出：由于水平響應(yīng)值增大，系纜張力也不斷增大；在內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置往船中方向移動的初期，系纜動力響應(yīng)值變化不大，與水平運動響應(yīng)變化趨勢保持一致。

表5　不同轉(zhuǎn)塔位置對應(yīng)水平運動響應(yīng)統(tǒng)計Table 5　Statistics of horizontal motion response in different turret position

圖7　不同轉(zhuǎn)塔位置對應(yīng)系纜最大張力Fig. 7　Maximum tension of mooring cable in different turret position

3.4　系泊纜與海底夾角對系泊性能影響

考慮到張力腿平臺的張緊垂直式(與海底夾角為90°)系泊方式可有效降低平臺運動，因此針對單點系泊FPSO，考慮實際情況中立管布置位置，分析了系泊纜與海底之間夾角不同時(25°、30°、35°、40°，如圖8)FPSO的水動力性能，其運動響應(yīng)及系纜張力如表6。

圖8　系泊纜與海底夾角示意Fig. 8　Angle diagram between mooring cable and seabed

表6　不同夾角時FPSO的運動響應(yīng)及張力結(jié)果Table 6　FPSO motion response and tension result with different angles

由表6可知：隨著夾角增大，縱蕩運動呈現(xiàn)減小趨勢，由25°時的36.29 m變?yōu)?0°時的29.80 m，降低了17.9%；相應(yīng)的橫蕩運動降低10%。艏搖運動及張力相應(yīng)呈增大變化，其中系泊纜張力增大了9%。結(jié)果表明：系泊纜與海底夾角增大，可有效控制船體的縱蕩、橫蕩運動，但同時增大了系泊纜的張力。

4　結(jié)　論

通過對懸鏈式、張緊式兩種系泊系統(tǒng)的深水FPSO水動力響應(yīng)進行了分析。在此基礎(chǔ)上，筆者研究了張緊式系泊系統(tǒng)的相關(guān)系泊參數(shù)，得出如下結(jié)論：

1) 通過對兩種系泊系統(tǒng)方式比較可看出：采用張緊式系泊系統(tǒng)能更好控制FPSO運動響應(yīng)，并且對應(yīng)的系纜張力更??；

2) 系纜根數(shù)對FPSO低頻運動響應(yīng)有較大影響，通過增加系纜根數(shù)，可較好地控制船體運動響應(yīng)；隨著系纜根數(shù)變化，縱蕩響應(yīng)變化主要體現(xiàn)在低頻部分，高頻部分響應(yīng)幾乎不變；采用9根系泊纜且分布式布置可更好地控制FPSO響應(yīng)并減小纜繩張力；

3) 隨著內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置不斷向船中移動，艏搖響應(yīng)值急劇變大，縱蕩、橫蕩響應(yīng)也相應(yīng)增大；由于水平響應(yīng)值增大，系纜張力也不斷增大。因此，系泊位置定為距船艏為船長15%～20%的位置較為合適；

4) 系泊纜與海底夾角從25°增大到40°，縱蕩和橫蕩運動分別減小20%和15.6%，但纜繩張力增大8%，因此纜繩與海底的夾角應(yīng)取40°。

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