極端海況下fpso系泊鋼纜系泊方案研究

極端海況下fpso系泊鋼纜系泊方案研究

floatianfuumatdiscoveryandexport系統(tǒng)（fo）是一個(gè)極其復(fù)雜的生產(chǎn)裝置，集油氣水處理、生活、發(fā)電、熱站和原油輸送于一體。系泊系統(tǒng)作為浮式平臺(tái)最常用的定位系統(tǒng)，關(guān)乎浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全和相關(guān)作業(yè)的可靠性。FPSO有多種系泊方式，包括外轉(zhuǎn)塔式、內(nèi)轉(zhuǎn)塔式、軟鋼臂式和分布式，其中內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在環(huán)境條件惡劣的海域應(yīng)用廣泛，我國在南海服役的8艘FPSO均采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。然而，在國內(nèi)外的使用過程中，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)出現(xiàn)了各類故障，嚴(yán)重影響了油氣生產(chǎn)。針對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)失效問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析。MAKT等本文以南海某FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為原型，針對(duì)其服役期間在極端海況下出現(xiàn)鋼纜斷絲、松股的問題，從系泊纜運(yùn)動(dòng)特征角度采用數(shù)值模擬的方法展開研究。應(yīng)用DeepC軟件對(duì)系泊系統(tǒng)原始方案進(jìn)行靜力分析和耦合動(dòng)力分析，并使用自編系泊纜靜/動(dòng)力分析程序作對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)極端海況下出現(xiàn)了系泊纜上部鋼纜頻繁觸底和底部鋼纜起落的現(xiàn)象，易引起鋼纜的損傷。為此，本文通過調(diào)整系泊纜配置和預(yù)張力，給出改進(jìn)方案，防止鋼纜出現(xiàn)斷絲、松股等問題。1塔式單點(diǎn)推進(jìn)系統(tǒng)介紹1.1系泊纜配置及模型建立FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型包括船體和系泊系統(tǒng)兩部分，其作業(yè)水深為105m。FPSO船體總長為262m，型寬為46m，型深為24.6m，具體主尺度見表1。系泊系統(tǒng)由3組系泊纜組成，每組3根系泊纜，組與組之間夾角為120°，組內(nèi)纜間夾角為5°，每根系泊纜由錨鏈和鋼纜組成，其中1至6號(hào)系泊纜為長纜，7、8、9號(hào)系泊纜為短纜。圖1為單根系泊纜的配置示意圖，單纜具體參數(shù)見表2。在DeepC軟件中建模時(shí)，在系泊纜與轉(zhuǎn)塔連接處建立導(dǎo)纜孔模型，作為系泊纜的一個(gè)端點(diǎn)，另一個(gè)端點(diǎn)位于海底錨點(diǎn)處，耦合分析模型如圖2所示。系泊纜的拖曳力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)根據(jù)挪威船級(jí)社（DetNorskeVeritasGermanischerLloyd,DNVGL）規(guī)范OSE3011.2靜力和動(dòng)力分析根據(jù)該FPSO的作業(yè)海況報(bào)告，東側(cè)環(huán)境條件更為惡劣，因此，選取東側(cè)海況重點(diǎn)針對(duì)In-line和Between-line情況展開靜力和動(dòng)力分析，并增加一組風(fēng)與浪、流存在夾角的工況。系泊系統(tǒng)布置和風(fēng)、浪、流作用方向，以及In-line和Between-line的方向定義如圖3所示，環(huán)境參數(shù)如表4所示。2仿真結(jié)果及對(duì)比驗(yàn)證本節(jié)給出了FPSO及其系泊系統(tǒng)的分析方法，并對(duì)自編系泊纜程序采用的細(xì)長桿理論進(jìn)行了簡單介紹。為了更加真實(shí)地模擬FPSO及其系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征，本文根據(jù)規(guī)范要求充分考慮了系統(tǒng)的阻尼、回復(fù)剛度、一階和二階波浪力、風(fēng)、流載荷系數(shù)等參數(shù)。采用基于細(xì)長桿理論和有限元方法的自編系泊纜分析程序與DeepC軟件結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，校驗(yàn)程序計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過自編系泊纜程序可以快速調(diào)節(jié)預(yù)張力，方便快捷地進(jìn)行系泊纜配置優(yōu)化，并獲取單根系泊纜剛度曲線，提高系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析效率。2.1算響應(yīng)預(yù)報(bào)計(jì)算FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合動(dòng)力分析運(yùn)動(dòng)方程為式中：m時(shí)域耦合動(dòng)力計(jì)算響應(yīng)預(yù)報(bào)根據(jù)BV規(guī)范進(jìn)行，計(jì)算時(shí)每個(gè)工況選取5個(gè)不同的隨機(jī)種子，得到5個(gè)不同的時(shí)歷結(jié)果，每個(gè)時(shí)歷結(jié)果計(jì)算時(shí)長為3h，時(shí)間步長取0.1s，將各時(shí)歷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到該工況下響應(yīng)預(yù)報(bào)值，具體計(jì)算過程由式(2)至式(4)給出。式中：S2.2風(fēng)、流載荷系數(shù)作用在FPSO上的風(fēng)、流載荷可以表示為載荷系數(shù)與風(fēng)、流速度平方的乘積的形式，風(fēng)、流載荷系數(shù)可以通過風(fēng)洞（或水池）模型實(shí)驗(yàn)得到，對(duì)于油輪形狀的結(jié)構(gòu)物，風(fēng)、流載荷系數(shù)可由OCIMF-MEG4式中：F2.3系統(tǒng)控制方程采用細(xì)長桿模型，應(yīng)用有限元方法，編寫單根系泊纜靜力和動(dòng)力分析程序，圖4為細(xì)長桿模型及其坐標(biāo)系示意圖。細(xì)長桿模型控制方程為：式中：g為重力加速度；e細(xì)長桿模型的靜水浮力q對(duì)于錨鏈這種鏈環(huán)結(jié)構(gòu)，靜水浮力q式中：ρ為海水的密度；A水動(dòng)力荷載q式中：C3審查和評(píng)估原始系泊方案3.1位移—原系泊方案的位移—回復(fù)力曲線分析靜力分析針對(duì)In-line和Between-line情況得到FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的位移—回復(fù)力剛度曲線，如圖5所示，其中水平偏移指轉(zhuǎn)塔的水平位移，水平回復(fù)力指系泊纜相對(duì)于轉(zhuǎn)塔偏移方向的水平回復(fù)力。從圖中可以發(fā)現(xiàn)系泊系統(tǒng)的剛度曲線整體呈非線性特征，In-line方向的剛度較Between-line方向大。3.2時(shí)域耦合動(dòng)力分析結(jié)果FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的整體時(shí)域耦合動(dòng)力分析采用DeepC軟件進(jìn)行，相關(guān)的水動(dòng)力參數(shù)由HydroD/Wadam軟件計(jì)算得到，整體時(shí)域耦合動(dòng)力分析考慮了風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用。根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果可知，最大張力出現(xiàn)在工況2，張力值為6284kN，安全系數(shù)為2.51，滿足規(guī)范要求；最大偏移為28.1m，出現(xiàn)在工況3，滿足設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)塔偏移要求。該FPSO在實(shí)際服役過程中，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的鋼纜斷絲、松股的故障，而且該故障主要出現(xiàn)在上部鋼纜的末端，因此，本文將對(duì)上部鋼纜末端的觸底情況和底部鋼纜首端的起落情況做進(jìn)一步動(dòng)力分析。3.3系泊纜觸底及底部鋼纜起落架單纜分析程序用于和DeepC計(jì)算結(jié)果作對(duì)比驗(yàn)證以及輔助優(yōu)化系泊纜配置。根據(jù)DeepC結(jié)果提取轉(zhuǎn)塔位移作為單纜程序的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)輸入，分析上部鋼纜末端的觸底情況和底部鋼纜首端的起落情況，分析過程以某一隨機(jī)種子下的結(jié)果為例。圖6為單纜程序與DeepC系泊纜最大張力結(jié)果的時(shí)歷對(duì)比，二者結(jié)果一致，說明單纜程序計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。研究系泊纜上部鋼纜觸底和底部鋼纜起落情況，選取2、3、6號(hào)系泊纜為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，得到節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。如圖7和圖8所示，2、3、6號(hào)系泊纜上部鋼纜末端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了觸底情況，在工況2下，6號(hào)系泊纜上部鋼纜末端節(jié)點(diǎn)頻繁觸底。此外，2、3號(hào)系泊纜底部鋼纜首端節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)抬起的情況。上部鋼纜末端觸底時(shí)，在觸地點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生彎曲和擠壓，導(dǎo)致鋼絲受力不均，受拉側(cè)鋼絲受力較大，容易出現(xiàn)斷絲的情況，觸底時(shí)的局部擠壓，也容易造成鋼纜松股，此外，鋼纜起落過程中與海底產(chǎn)生摩擦，也可能導(dǎo)致鋼纜出現(xiàn)斷絲、松股的問題，進(jìn)而影響系泊系統(tǒng)的性能。因此，有必要對(duì)系泊纜配置進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)上部鋼纜觸底和底部鋼纜起落的情況。4系泊方案的改進(jìn)和性能的驗(yàn)證4.1系泊纜通過調(diào)整方案為避免出現(xiàn)上部鋼纜末端觸底和底部鋼纜首端抬起的情況，調(diào)整系泊纜分段長度，將上部鋼纜分段由錨鏈分段UCS3延長替換，再將底部鋼纜分段縮短，縮短長度由錨鏈分段UCS1補(bǔ)充。調(diào)整后的系泊纜示意圖如圖9所示，各分段的長度如表6所示。為保證系泊系統(tǒng)在極端海況下的定位性能以及不會(huì)出現(xiàn)過度松弛的狀態(tài)，在調(diào)整系泊纜分段長度時(shí)使調(diào)整后的單纜位移—回復(fù)力剛度曲線在轉(zhuǎn)塔水平偏移距離較大時(shí)與原始單纜具有較高的一致性，此時(shí)系泊纜的預(yù)張力也適當(dāng)增加。圖10給出了單根系泊纜的位移—回復(fù)力剛度曲線。當(dāng)系泊纜頂端水平位移較小或?yàn)樨?fù)時(shí)，調(diào)整后長纜和短纜的剛度均大于原始方案的剛度，使得系泊纜在極端松弛狀態(tài)下還具備足夠的張力（以長纜為例，頂部位移為-20m時(shí)，原始方案張力為40.8kN，新方案張力為162.8kN），避免系泊纜在極端情況下處于過度松弛的不利受力狀態(tài)。系泊系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整前后的整體位移—回復(fù)力剛度曲線如圖11所示，調(diào)整前后In-Line和Between-Line下的水平剛度與原始設(shè)計(jì)方案總體相近，限位能力相當(dāng)。4.2系泊纜調(diào)整方案對(duì)改進(jìn)后的系泊系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)力分析，并得到導(dǎo)纜孔處的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)單纜進(jìn)行強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)分析。整體動(dòng)力分析結(jié)果如表7所示，最大系泊纜張力出現(xiàn)在工況2，張力值為6699kN，安全系數(shù)為2.38，大于1.67，滿足規(guī)范要求；最大轉(zhuǎn)塔水平偏移為28.09m，出現(xiàn)在工況3，滿足設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)塔偏移要求。系泊纜最大張力時(shí)程曲線如圖12所示。由于上部鋼纜UWS完全由錨鏈分段UCS3替換，因此不會(huì)再出現(xiàn)因上部鋼纜末端觸底，而導(dǎo)致的斷絲、松股問題。底部鋼纜長度由原來的500m縮短為400m，動(dòng)力分析結(jié)果顯示其首端節(jié)點(diǎn)未抬起，見圖13。系泊系統(tǒng)調(diào)整后預(yù)張力增大，可以避免運(yùn)動(dòng)過程中系泊纜頻繁處于過度松弛的狀態(tài)。以工況2下相對(duì)松弛的6號(hào)系泊纜為例，時(shí)歷曲線如圖14所示，原始方案下6號(hào)系泊纜頂端張力頻繁出現(xiàn)張力接近為0的情況，導(dǎo)致張力幅度變化劇烈；系泊纜調(diào)整后頂端張力過度松弛的情況顯著減少，有利于避免鋼纜松股以及張力變化劇烈導(dǎo)致的疲勞問題。5系泊纜改進(jìn)方案的評(píng)價(jià)與確定本文針對(duì)南海某FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)出現(xiàn)鋼纜斷絲、松股的問題，通過商業(yè)軟件和自編程序從系泊纜運(yùn)動(dòng)