FPSO单点系泊水动力响应研究综述.doc

FPSO单点系泊水动力响应研究综述0 引言浮式生产储油船(Floating Production，Storage and Offloading System，简称FPSO)最早出现在1977年，是西班牙壳牌公司将一艘商业游船改装而成的，并服役于地中海的卡斯特伦油田。FPSO的概念包括FSP(Floating Storage and Offloading)，即浮式储油卸油装置，集成了处理、生产、储油及外输等多种功能，一艘FPSO实际上就是一个海上移动的大型石油加工厂。FPSO没有动力，通过位于艏部的单点系泊装置长期系泊在油田附近，与采油输油装置、穿梭油船组成一套完整的生产系统，是海上石油开发的重要战略装备，如图1.1。FPSO可以比较方便地转移避险或重复使用，与其产生的附加产值相比，造价较低，并且对于传统的导管架平台或者重力式平台，随着水深的增加制造成本以及安装维护成本都大幅增加，FPSO由于只需系泊系统固定在指定区域，因此随水深的增加成本增加相对较少。因其几乎适用于所有水深，逐渐成为石油开发的主流工具。图1 FPSO生产系统 Fig1 FPSO production system大多数FPSO都采用单点系泊系统，其特点是FPSO可以绕其上一点自由转动，从而长期系泊定位于特定海域进行油气的生产作业，在环境荷载条件下产生风标效应，最大程度地减少风浪流的作用力。同时单点系泊系统也有利于穿梭油轮卸油，油轮与FPSO艏艉串联，两浮体同时绕系泊点自由转动，操作方便安全。根据水深和环境荷载的不同，目前发展的单点系泊（SPM）类型有单锚腿系泊(SALM)，悬锚腿系泊(CALM)，转塔式系泊(Turret Mooring)和软刚臂系泊(Soft Yoke Mooring)等多种类型。常规水深、深水及超深水中应用最多的是转塔式系泊系统，包括内转塔式和外转塔式两种。1 FPSO与系泊立管系统耦合水动力预报分析研究进展风、浪、流等环境荷载的作用下，系泊状态下FPSO水动力性能的数值预报从第一艘FPSO诞生开始就一直是学者们研究的热点问题。早期的研究主要基于线性势流理论，对FPSO的一阶波浪力和一阶运动进行数值仿真预报，研究结果表明，FPSO一阶波浪力以及一阶运动幅值的大小与波高成线性比例关系，频率与入射波的频率相同。随着研究的深入，发现系泊FPSO在不规则波作用下的运动不仅包括一阶运动4（也就是波频运动），还包括周期较长的二阶运动5（也就是平面慢漂运动）。二阶力的数量级较一阶力是小量，但是却能引起大幅度的水平面运动，这是因为在某些自由度上，FPSO的固有频率与波浪非线性作用产生的低频作用力频率相近，产生共振引起的。FPSO的大幅漂移使系泊力也大幅增加，准确预报这种大幅的慢漂运动与系泊力是系泊系统设计中的关键。很多学者对FPSO在不同海况条件下的二阶慢漂运动、二阶慢漂力进行计算分析，工程中广泛运用的慢漂力及慢漂阻尼的计算方法依然是压力积分法，即利用摄动展开法，沿浮体湿表面进行压力积分，得出作用在浮体上的二阶波浪力的二次传递函数。具体的数值计算通常有两种方法6：1)完全QTF法，即通过绕射/辐射理论数值计算得到二阶波浪慢漂力的QTF矩阵；2)采用Newman近似，即假定当系统自然频率很小时，差频力可通过平均波浪慢漂力(对角线上的平方传递函数)进行近似，系泊FPSO低频共振运动的幅度极大地依赖于阻尼的大小，必须正确地估算低频慢漂运动阻尼。Alexandre N. Simos7分析了单点系泊系统受洋流影响的动态不稳定性，确定了影响整个系统的水动力参数，分析了小扰动下这些参数的变化。魏跃峰等8测量了浮式钻井生产储卸油装置（Floating drilling production storage and offloading，简称FDPSO，在FPSO上增加了钻井功能）垂荡、横摇和纵摇三个自由度运动的固有频率和阻尼系数，获得了船体在迎浪、斜浪以及横浪状态下的六自由度运动幅值响应算子（RAOs），模拟了多点系泊FDPSO 在南海海域遭遇一年一遇、百年一遇海况下船体的六自由度运动和系泊缆张力时历。赵文华等9实测了台风过境过程中FPSO的运动响应参数，根据实船测量数据对FPSO数值模型进行了修正。Arcandra10建立了平台、系泊缆索、立管系统的水动力模型，分析了整个系统的静力以及动力特性，联合运用Newton-Paphson模型和Newmark模型，确保平台和系泊、立管系统的耦合求解，然后进行了非线性风、浪、流条件下的FPSO的水动力分析，利用WAMIT计算了一阶、二阶水动力，最后给出实例，聚酯纤维缆绳系泊的Spar平台的水动力分析。一系列验证试验表明WINPOST-POLY新的运动方程的结果与原始的WINPOST运动方程的结果是一致的。Sang-Yun BAE11采用高阶边界元法对非线性波浪-流共同作用下的FPSO进行了数值模拟，并对衍射和辐射波进行了时域计算。对于远场边界条件，运用Orlanski截断边界条件来消除反射波的影响，不难发现，高阶边界元法更适合像FPSO一样的复杂模型。H. B. Bingham12提出一种新的计算方法，用于在有限水域中模拟约束浮体波浪诱导运动。运用势流理论描述了波浪与浮体之间的相互作用。利用修改后的Boussinesq理论预报了波浪在从深海传播到浮体所锚泊的海岸时的运动，所用模型考虑了浅水非线性波的衍射作用，以及最重要的次谐波的作用。采用恒力模型计算了非线性波的辐射以及衍射力，这种模型包含了瞬时的非线性锚泊力，计算结果与实验结果吻合良好。M. H. Kim等13,14建立了6000英尺（即1828.8米）水深，转塔系泊FPSO的船体、锚泊、立管系统耦合水动力模型，对其进行了时域分析，并在美国休斯顿的OTRC水池中进行了试验，在非定常风、百年一遇的波浪条件下FPSO六自由度运动以及锚泊系统的系缆张力分析，预报值与试验室吻合良好。Mamoun Naciri15、Robert Grant16等分析了单点系泊LNG运输船的浅水低频运动；Mamoun Naciri在MARIN水池对浅水LNG船及其软刚臂系泊与卸载系统进行的模型试验和数值计算研究情况和结果，发现浅水系泊LNG船的水动力预报存在诸多特定问题，包括：系泊LNG船固有的弱阻尼特性、波浪慢漂力的浅水效应、流对慢漂力的影响、浅水池中低频长波的结构等，文章对此进行了讨论，指出了这些问题的重要性并提供了指导性建议6。Carl Trygve Stansberg等17建立了浅水波浪力模型，浅水中二阶低频波明显加强。Cedric Brun18、Carl Trygve Stansberg19介绍了二次运输函数在浅水系泊LNG船分析中的运用，对各种慢漂力计算公式在浅水中的应用进行了比较，计算得知FullQTF方法尽管结果精度更高但计算速度太慢。Byeong W. Park20基于Boussinsq方程分析了浅水系泊船舶的动力响应。上海交通大学的冯爱春21分析了一座悬链式系泊半潜平台，在不规则波中的运动响应及其系泊张力特性，并与模型试验结果相比较，两者吻合良好，表明了波频载荷计算的绕射与辐射理论，以及基于弹性杆模型的系泊立管动力响应计算方法的可靠性。进而对有锚链发生断裂时，平台运动谱及锚链缆张力谱的变化特性进行了分析。肖龙飞，杨建民等5对单点系泊FPSO在极浅水中波浪作用下的低频响应进行频域数值计算与模型试验研究，计算结果与试验结果符合良好。试验中的波浪校验结果显示，在不规则波浪谱中出现明显的低频成分。由此产生了一阶低频波浪力，其能量谱是通常二阶波浪力谱的近百倍，导致FPSO在极浅水中所受低频波浪力大大增加，并引起极大幅度的共振纵荡运动响应。李欣1在其博士论文中采取理论分析、数值计算与模型试验相结合的研究方法，分析研究了FPSO在浅水海域百年一遇环境条件下的运动、系泊力及碰底情况，考虑了其安全性、稳定性的问题，进而对系统在浅水中的特性作了进一步的研究，分析浅水中水深吃水比变化时FPSO的运动及系泊力变化，当水深不变时，波频运动随着吃水的增大，即船底与海底的间隙的减小而明显呈减小趋势，此现象也称作浅水效应，虽然船底与海底的间隙很小，但运动的幅度亦随之减小，因此在水深变浅时并不容易发生碰底的现象。通过浅水效应的应用可以对FPSO的船型进行优化，适当增大吃水，增大储油量。余建星等22、张纬康等23研究了风、浪、流联合作用下单点系泊船的受力问题，应用Newman公式计算波浪漂移力，提出了不同方向风、浪、流联合作用时单点系泊船所受到的横向力、纵向力和回转力矩的计算方法，提出了风浪同向时,不同风流夹角组合对应的船舶平衡位置的确定方法，为缆绳、锚的选择以及舵角的控制提供了依据。最后通过算例验证了本方法的适用性和实用性。2 FPSO系泊系统设计分析研究进展对于系泊线的特性研究主要是确定系泊线的空间位置和系泊线张力分布情况，系泊结构物在受到风流浪作用下的运动与系泊系统的运动耦合，是一个复杂的运动过程，对其开展深入研究对于海洋油气开采的安全具有深远意义。FPSO锚泊系统受到缆索数量、布置形式以及角度等很多方面因素的影响，锚泊系统的质量直接关系到FPSO的定位与安全。随着海洋开发的进程，FPSO的工作水深在不断增加，要求其锚泊系统在满足定位要求的同时尽可能的减轻重量降低成本。为满足经济性的要求，锚泊线的组成成分也从单一的锚链、锚索，发展到锚链、锚索、纤维绳乃至电力机械缆等多种成分合成锚泊线。因此研究多成分合成锚泊线的最优设计是目前研究锚泊系统的一个热点问题。FPSO系泊系统的研究方法可以分为两种：静力分析法和动力分析法35。2.1 静力分析法静力分析法通常在系泊系统初步设计时采用，在系泊系统的力学分析中，将系泊缆索看作静力部件，利用静态平衡的方法来计算系泊线的有关参数以及系泊线的张力。静力分析法简单实用，把外力看成静态载荷，计算系泊线时采用的悬链线模型或二次抛物线模型，多数情况下可满足工程应用的要求，但也存在缺点，就是未考虑系泊线的弹性和系泊张力的动力特性。1970年Reha和Hebertl依据悬链线理论推导了单根锚链在发生水平、垂直位移锚链张力和位移之间的关系，根据静力分析法采用悬链线模型或二次抛物线模型对系泊线的受力进行了分析计算，并在此基础上对海底锚点有仰角的系泊曲线和带块重、浮筒的系泊曲线进行了公式推导。Chai-cheng Huang36考虑长期环境荷载，研究了锚泊线的疲劳断裂，给出了不同材料、不同直径锚泊线的疲劳周期，为工程实用提供了借鉴。Iordan C. Matulea37介绍了一种基于有限差分的新的数学模型和数值方法，用来预测多成分复合系泊缆的静态平衡结构。何静35、张火明38、潘甜39等在一定假设的基础上依据悬链线理论对单一成分锚泊线和两成分锚泊线组成的系泊系统进行了静力分析。孙金伟40采用悬链线法和有限元法对分组式系泊平台和对等式系泊平台进行了静力特性分析，计算了单根系泊缆的张力与位移关系曲线以及系泊系统回复力与平台位移的关系曲线。2.2 动力分析法静力分析法大部分情况下都采用准定常模型进行分析，对不定常外界环境载荷的作用并没有考虑，这是不符合实际的。所谓动力分析法，就是在准定常载荷与缆索许用强度（或断裂强度）之间留有一定的余度，以承受附加于准定常载荷上的动力载荷，并补偿实际缆索强度的某种不确定性的影响。锚泊线的力与位移是多项式（非线性）关系，因此锚泊线的动力性能是非常复杂的，但由于工程需要，又必须研究锚泊线在非定常环境载荷作用下能否满足应力要求，系统能否满足系泊定位要求41。随着计算机技术的提高，数值计算在解决单点系泊问题中的作用越来越大。经过长期总结，人们建立了一系列计算模型，采用了许多计算方法，其中有有限元法(finite element methods，FEM)、有限差分法(finite difference methods，FDM)、集中质量法(lumped mass methods，LMM)及摄动法(perturbation methods，PM)等。对这些方法进行归纳，系泊线常采用的数值模型大致有两种：一种是将锚泊线视为质量连续分布的弹性介质；另一种是将锚泊线以有限个质量点的离散集中分布来代替。R. Pascoal等42提出了一种锚泊线的简化模型，它能快速分析出船体与系泊系统的耦合作用。泊线模型的参数由多相正弦信号激励的缆索动力学模型识别程序决定，所得到的简化模型可用于稳定性分析。F. G. Nielsen43研究了淹没在水中的锚泊线，基于缆绳拉力大于缆绳重量的假设，给出缆绳的张力方程以及缆绳上的粘性阻尼方程，从而得到了缆绳最大张力的简单近似公式以及缆绳阻尼，近似结果与有限元计算以及模型实验结果进行了比较，吻合良好，表明该方程考虑了产生影响的主要物理量且计算速度很快。袁梦等44采用时域有限元法建立了缆索方程的数值计算模型，通过给定上端点正弦运动对锚泊线进行动力计算，与试验结果进行了比较结果吻合良好。3 FPSO系泊系统动态响应研究系泊浮体与锚链、浮筒共同组成系泊系统，但系泊浮体没有完全被固定，它可以随着风、流、浪等外在环境载荷的作用而产生6个自由度的摇荡，如何保证系统正常工作而不发生大的运动响应，保证人员和装备的安全是需要解决的问题45。系统动力响应主要是研究系泊浮体（本文中指FPSO）的运动以及锚泊线参数变化两方面内容。对于系统动力响应研究常采用数值模拟和实验验证，数值模拟方法包括频域模拟和时域模拟。频域分析法发展较早，特别是线性频域理论己经相当成熟，但是实际上许多模型实验中发现的现象用常规频域理论无法解释，因为频域法通常只适用于稳态问题，对瞬变或者强非线性问题效果较差。时域理论则是一种不分离时间项的理论方法，对于不规则波浪与结构物的相互作用问题，时域方法可实时模拟出波浪运动和结构运动响应46。魏跃47给出了FPSO六个自由度的运动情况和导缆孔处张力结果，得出作用在FPSO上的波浪漂移力与一阶波浪激振力在同一个数量级上，且都比较大。卢西伟48通过三维不规则波浪、潮流水池物理模型实验，针对20、30万吨油轮三个载量(满载、半载、压载)进行了单纯波浪作用、单纯潮流作用、波流混合作用下的缆绳张力以及船舶的运动量。T. E. Schellin49模拟了稳定流中单点系泊系统的系泊荷载以及水平运动响应。A. Umar50进行了一阶、二阶波作用下的多点松弛缆绳浮筒系泊的非线性水动力响应分析，并对六根松弛缆绳系泊在海底的空心圆柱筒在5m/5s，12m/10s，18m/15s三种波浪条件下的动力响应分析，研究表明二阶波浪力会大大影响系统的稳定性。J. I. Gobat等51介绍了一种分析海洋缆索结构静态及水动力响应的程序，控制方程中包含了缆索的几何及材料非线性，分析了缆索以及海床的相互作用，基于广义的时间积分算法，自适应时间步长和自适应空间网格提出了一种精确、稳定的动力问题解决方案，解决了水下单点系泊、多锚腿系泊和多腿阵列系泊系统的问题，及其牵引力和漂移力问题。A. O. Vazquez-Hernandez等52考虑南海的环境参数模拟了三个不同地理位置处的FPSO，长期响应分析结果与使用极端环境分析的方法相比较，结果表明长期作用的响应分析结果比其他分析方法得到的结果更有意义。Jun Sik Han53、周素莲等54从对16(44)根系泊线、12(43)根系泊线以及8(42)根系泊线几种系泊形式进行比较分析，在时域内分析了系泊线张力以及运动响应。4 结语本文开始对FPSO及其单线系泊系统作了初步介绍。然后介绍系泊立管的水动力预报最新国内外研究进展和系泊系统响应的研究进展，及其FPS系泊系统设计分析的若干最新进展。参考文献1 杨利敏. 单点系泊船舶在风浪流联合作用下的平衡位置和受力计算J. 中国水运，2007，7(4)，9-11.2 季春群. 各种参数对单点系泊运动及载荷的影响J. 中国海洋平台，2000，15(1)，19-23.3 李俊，杨建民，肖龙飞. 转塔位置对FPSO水动力性能的影响J. 海洋工程，2005，23(4)，9-14.4 黎春，周齐家，冯柯来等. FPSO系泊和定位方法J. 内蒙古石油化工，2010，(2)，45-47.5 戴捷. 两个浮体在规则波中受到的漂移力D. 哈尔滨：哈尔滨工程大学船舶工程学院. 2006.6 王强. FPSO串靠外输时的多浮体系统响应分析D. 哈尔滨：哈