南海某海域悬链式单点系泊系统动力分析

南海某海域悬链式单点系泊系统动力分析

龚坤明,陈同彦,剧鹏鹏

中石化石油工程设计有限公司     山东东营 257000

摘要：FPSO（Floating Production Storage and Offloading system）系统，有着浮式生产、储备、卸载的功能，广泛应用于海洋石油的开发。FPSO需长期系泊于一个固定海域工作，系泊系统的设计是一项关键技术。本文在南海某油田开发的背景下，基于三维势流理论，对悬链式系泊系统布置方案进行时域耦合分析，考虑了锚链破断的影响，得到系泊系统的运动响应以及系泊锚链的力学性能规律，并根据相关规范进行了校核。探索了在南海使用此类形式系泊系统的可行性，对系泊系统选型及设计具有一定的指导意义。

关键词：悬链锚腿系泊；水动力分析；AQWA

0引言

目前，我国东海、南海大陆架和辽东湾上均有大范围的登记区块，许多区块中存在边际油藏，需要从经济角度入手，采用多种渠道，多种手段，降低开发投资，提高油田开发效益。根据南海的区域地理位置、水深及环境条件，常规的导管架+海底管道的开发方式投资大、经济效益差，FPSO+穿梭油轮的方式经济效益较好，在边际油田油藏开采完毕后，FPSO还可以移位至下一油田使用。

作为FPSO的关键配套系统之一，单点系泊系统投资在整个FPSO项目投资中占比较大。合理、优质的单点系泊系统设计及选型，不但能够有效提升FPSO的运行稳定性和安全性，还将有效降低FPSO建设投资。

海上环境是错综复杂的，因某些不确定因素的影响而导致锚链的突然断裂失效，往往会造成难以估量的损失。【1】。因此，本文在南海某油田开发的背景下，基于三维势流理论，采用时域耦合分析方法，对悬链式系泊系统布置方案进行分析，得到系泊系统的运动响应以及系泊锚链的受力情况，对此类形式系泊系统的选型及设计具有一定的指导意义。

1基本理论

分析耦合结构的水动力方法有两类，第一类是基于绕射/辐射理论，第二类是基于莫里森公式（Morison's equation）的分析方法。

耦合系统的运动方程如下：

（1-1）

其中，X(t)为运动距离，M(X)、C(X)及K(X)分别为系统质量、阻尼系数以及刚度系数。F(X,t)表示结构所受合力。针对上式每一项的实际物理意义，上述公式可改写为：

（1-2）

其中：F1为一阶波浪载荷；F2Low为二阶低频波浪载荷；F2High为二阶低频波浪载荷；△M为浮体附加质量矩阵；Brad为辐射阻尼矩阵。

2、FPSO与浮筒的水动力计算结果

万吨级FPSO尺寸参数为：垂线间长267m，型深25.1m，满载吃水16.5m，排水量170800t。系泊浮筒为圆形浮筒，尺寸参数为：直径12m，型深5.3m，吃水3.0m，干舷2.3m，浮筒自重300t，排水量约347.4t。FPSO与浮筒模型见下图。

图2.2 FPSO及浮筒有限元模型

完成建模后，分别对FPSO和浮筒进行水动力分析，得到FPSO结构和系泊浮筒的相关水动力参数，以结构运动响应传递函数（RAOs）为例。

浮筒及FPSO自由度运动响应传递函数（RAOs）见下图：

图2.5 浮筒垂荡响应RAO           图2.6 浮筒横摇响应RAO

图2.7 浮筒纵摇响应RAO             图2.13 FPSO纵摇响应RAO   

图2.11 FPSO垂荡响应RAO           图2.12 FPSO横摇响应RAO         

系泊浮筒的垂荡运动固有周期约为5.11s，横摇运动固有周期约为6.89s，纵摇运动固有周期约为6.89s。FPSO的垂荡运动固有周期约为11.45s，横摇运动固有周期约为15.15s，纵摇固有周期约为11.60s。由于在水动力分析时不考虑流体的粘性作用，故FPSO的横摇运动响应传递函数幅值较大，若考虑流体的粘性效应，该幅值则会迅速减小。

3、时域耦合分析

浮筒通过无档锚链与海底相连（六个锚链均布），FPSO通过系泊缆与浮筒相连，共同构成了悬链式系泊系统，见下图。

图3.1 FPSO与浮筒连接形式

无档锚链与聚酯缆的单位长度的重力、轴向刚度和最小破断张力均可通过经验公式进行计算，本文采用的锚链的具体参数【2】见下表。

表3.1 系泊缆参数

3.1环境参数

本文仅考虑定常风力，作用在船体上层建筑。本单点系泊系统选址处水深为45m，选择50年一遇的海风、海流和波浪进行计算分析，波浪谱选择JONSWAP谱。

表3.2 环境参数表

作用于浮式结构的风力与流力通常被看作定常力来进行计算，所需要的相关风力、流力系数可由OCIMF

【3】的图表中查到。

3.2整体耦合动力分析结果

将FPSO和系泊浮筒通过系泊锚链和聚酯缆连接在一起，形成一个整体耦合动力分析模型。在Anays-aqwa中建立系统整体耦合动力分析模型，见下图3.1。

   图3.1（a） 系泊系统模型          图3.1（b） 系泊系统示意图

系泊浮筒六自由度运动响应时程见下图3.2，其中，横荡、横摇、艏摇响应数值数量级过小故显示均值为0。系泊浮筒的剧烈运动会导致与之相关的系泊锚链的张力显著增大。

表3.4 系泊浮筒六自由度运动响应统计值

图3.2 系泊浮筒六自由度运动响应时程

FPSO六自由度运动响应时程见下图3.3。FPSO的纵荡运动响应具有明显的低频效应，这是由于结构的固有周期与波浪二阶成分的周期相接近而引起的共振效应。

图3.3 FPSO六自由度运动响应时程

与之对应的运动响应的统计值见下表3.5。

表3.5 FPSO六自由度运动响应统计值

锚链的张力响应时程如图3.4所示。链张力响应统计结果见下表3.6，Line7为FPSO-浮筒连接缆。本文分析中采用的方法为动力法，且系泊系统完整（无锚链断裂的情况），根据API RP 2SK规范要求，安全系数应≥1.67，且系泊锚链卧链长度不小于0米。

表3.6 锚链张力响应统计结果（N）

图3.4 系缆张力响应时程

3.3锚链断裂工况分析

海上环境是错综复杂的，因某些不确定因素的影响而导致锚链的突然断裂失效，往往会造成难以估量的损失。本文针对锚链断裂这一情况，将完整工况下受力最大的系泊锚链截断（为2号锚链），并分析校核锚链断裂后其余系泊锚链的系泊张力大小。锚链断裂模拟见下图3.4。

根据《浮式结构物定位系统设计与分析》【4】规范中的要求，在适用动力分析方法分析破损工况时，等效安全系数应取1.25。

图3.4 6x1系泊形式锚链断裂图

在6x1的系泊形式下，2号锚链断裂后，与2号锚链相近的1号锚链以及3号锚链受力增大，是主要的受力构件。浮筒-FPSO相连接的聚酯缆绳受力基本不变。浮筒与FPSO的纵荡运动幅值均显著增加。

图3.5 锚链张力响应时程

表3.5 锚链张力响应统计结果（N）

4、结论

本文基于ANSYS AQWA软件完成了悬链锚腿系泊系统的水动力分析及耦合分析,主要得出以下结论：

在特定的南海海洋环境下，采用悬链锚腿6x1的系泊型式，满足相关的规范要求。

参考文献

【1】胡毅,胡紫剑,刘元丹,刘敬喜.基于AQWA的大型LNG船码头系泊分析[J].舰船科学技术,2012,34(02):70-73+110.

【2】杜敏. 浅水多点系泊FPSO水动力性能分析[D].中国石油大学(华东),2016.

【3】Oil Companies International Marine Forum(OCIMF).Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs,2nd edition[S].1994

【4】浮式结构物定位系统设计与分析,SY/T 10040-2016

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