系泊fpso系泊系統(tǒng)模型構(gòu)建

0油田系泊系統(tǒng)的組成及工作原理南海油田水深117m。在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（FloatingProductionStorageandOffloading,FPSO）單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的常規(guī)年檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其9條系泊鋼纜均有不同程度的斷絲（如圖1所示），并且個(gè)別配重鏈與四角板的連接斷開(kāi)（如圖2所示）。為了保證生產(chǎn)的安全，業(yè)主決定先解脫FPSO，然后再更換系泊系統(tǒng)的錨腿。該系泊系統(tǒng)及其油田設(shè)施由FPSO、STP單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔、9條系泊錨腿、2條柔性立管和2條電纜組成。其中，STP的東北方向和西南方向各有1條柔性立管和1條電纜。該立管和電纜先跨過(guò)中水浮橋（MidWaterArch,MWA），再鋪設(shè)到海床，最后分別與東北方向和西南方向的平臺(tái)進(jìn)行連接；立管將各自平臺(tái)所產(chǎn)的原油輸送到FPSO，并用電纜給FPSO輸送電力。立管、電纜和9條系泊錨腿與STP單點(diǎn)的中心對(duì)稱，9條錨腿中每3條錨腿組成1簇，簇與簇之間間隔120°，每簇內(nèi)的錨腿之間相隔5°。整個(gè)系泊系統(tǒng)的模型布置圖如圖3所示。單條系泊錨腿的組成圖如圖4所示，其具體組成和尺寸見(jiàn)表1。在系泊更換施工期間，F(xiàn)PSO進(jìn)塢維修，F(xiàn)PSO不在位。該系泊系統(tǒng)更換項(xiàng)目的主要工作包括以下4個(gè)：1）對(duì)該系泊系統(tǒng)的9條錨腿進(jìn)行更換。2）對(duì)吸力樁和STP的上陽(yáng)極進(jìn)行修復(fù)。3）棄置8條舊錨腿（將8條舊錨腿丟棄至油田區(qū)域海底的指定區(qū)域）。4）對(duì)1條錨腿進(jìn)行回收并檢測(cè)其斷絲和腐蝕情況。其中，不更換下錨鏈，也就是不更換與吸力樁連接的樁鏈，對(duì)其進(jìn)行重復(fù)利用。為了縮短項(xiàng)目工期，讓油田盡快復(fù)產(chǎn)，在該項(xiàng)目中采用3條船在系泊系統(tǒng)的3個(gè)扇區(qū)進(jìn)行同步作業(yè)。系泊系統(tǒng)是開(kāi)采海洋石油的常見(jiàn)方式之一，與系泊系統(tǒng)有關(guān)的海油工程項(xiàng)目較多。，張人公等人1系泊系統(tǒng)的建模1.1浮體單元模型在該系泊系統(tǒng)的更換作業(yè)過(guò)程中，F(xiàn)PSO處于解脫狀態(tài)；其完整的系泊系統(tǒng)OrcaFlex模型如圖3所示。STP單點(diǎn)為圓錐體（如圖4所示），采用正浮力的六自由度SparBuoy(SparBuoy是OrcaFlex軟件的六自由度浮體單元，形狀為直立圓柱體）進(jìn)行模擬；系泊錨腿由鋼纜、上錨鏈（包括配重錨鏈和調(diào)整鏈）和下錨鏈?zhǔn)孜策B接組成，各段的單位長(zhǎng)度，重量、外徑、彎曲剛度、拖拽力系數(shù)以及附加質(zhì)量系數(shù)等都不相同，采用不同“l(fā)ine＿type”來(lái)模擬錨腿各部分不同的物理屬性和水動(dòng)力屬性，將錨腿整體模擬成1根“l(fā)ine”；采用正浮力的六自由度lumpedBuoy(lumpedBuoy是OrcaFlex軟件的六自由度浮體單元，可以自定義它的形狀）模擬支撐電纜和柔性立管的中水浮橋，電纜和柔性立管搭在中水浮橋上的U型槽中，并對(duì)其進(jìn)行軸向固定。1.2極端工況下系泊系統(tǒng)狀態(tài)的確定系泊系統(tǒng)承受的基本環(huán)境載荷主要有風(fēng)、浪和流。其中，相對(duì)于波浪載荷和流載荷來(lái)說(shuō)，風(fēng)載可以忽略不計(jì)，其原因包括以下2點(diǎn)：1）空氣密度約是海水的1‰，其結(jié)構(gòu)在空氣中受到的拖拽力和附加質(zhì)量的慣性力也是海水的1‰。2）除了在個(gè)別工況情況下STP單點(diǎn)會(huì)有小部露出水面，其余時(shí)間整個(gè)系泊系統(tǒng)都位于海平面以下。系泊系統(tǒng)的更換作業(yè)還需要考慮極端風(fēng)暴工況。這是為了應(yīng)對(duì)施工作業(yè)時(shí)可能會(huì)遇到臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣，詳細(xì)情況如下：1）極端風(fēng)暴工況的海況考慮具有50年重現(xiàn)期的波浪和流，具體見(jiàn)表2。2）將極端風(fēng)暴工況中系泊系統(tǒng)的狀態(tài)考慮為不完整的系泊系統(tǒng)，分別考慮9條系泊腿（分為3條在位、6條已移除和6條在位、3條已移除2種情況）。這樣就可以論證在9條系泊腿中的部分舊系泊腿已經(jīng)移除并且新的系泊腿還沒(méi)有連接到位的不完整系泊系統(tǒng)在極端風(fēng)暴工況下的完整性。如果不完整的系泊系統(tǒng)在極端風(fēng)暴工況下的完整性沒(méi)問(wèn)題，則可以驗(yàn)證對(duì)應(yīng)系泊腿的更換施工作業(yè)也是安全的。1.3鋼纜和錨鏈的物理屬性及水動(dòng)力參數(shù)系泊腿由鋼纜和錨鏈組成，錨鏈又分為單根的錨鏈和3根并聯(lián)的配重鏈。在建模過(guò)程中，將配重鏈等效模擬成1根錨鏈。參考項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件、相關(guān)文獻(xiàn)和OrcaFlex軟件的資料庫(kù)，設(shè)置鋼纜和錨鏈的主要物理屬性參數(shù)和水動(dòng)力參數(shù)，見(jiàn)表3。錨腿的部件，例如鋼纜索接頭、鋼纜和錨鏈之間的連接卸扣和四角板，其重量大約為1t，為了保證模型的準(zhǔn)確性，錨腿部件不可忽略；建模時(shí)，將部件模擬成為錨腿（line）的附件。1.4stp的建立該項(xiàng)目STP的3D圖及其模型圖如圖5所示。STP是通過(guò)六自由度浮體（SparBuoy）來(lái)進(jìn)行模擬的，其實(shí)體為圓錐體，軟件模型是5個(gè)首尾相連的圓柱。已有文獻(xiàn)設(shè)置了STP的水動(dòng)力參數(shù)，見(jiàn)表4。經(jīng)驗(yàn)證，STP模型的浮心和重心與現(xiàn)實(shí)STP的浮心和重心是一致的。按該方法在高度方向?qū)TP進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，可以精確模擬STP質(zhì)量、體積、拖拽力參數(shù)、附加質(zhì)量參數(shù)及其水動(dòng)力載荷的分布。特別是當(dāng)系泊系統(tǒng)移除6條錨腿（只剩3條錨腿懸掛在STP上）時(shí)，STP將會(huì)隨波浪升沉而穿刺水面，STP在高度方向上的有限元?jiǎng)澐?，可以更精確地模擬STP穿刺水面的現(xiàn)象。當(dāng)STP穿刺水面時(shí)，在波浪的作用下，STP會(huì)產(chǎn)生橫搖和縱搖。為了得到準(zhǔn)確的錨腿、電纜、柔性立管頂部張力以及運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)，需要在軟件模型中精確地捕捉STP的橫搖和縱搖，并準(zhǔn)確地設(shè)置STP的拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)面積距。如圖6所示，可以計(jì)算得到矩形的拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)面積距AM，相關(guān)推算如下。記拖拽轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為M設(shè)M根據(jù)公式（2）可得新表達(dá)式，如公式（3）所示。2系泊系統(tǒng)的周在分析之前要驗(yàn)證計(jì)算分析模型的正確性。對(duì)完整的系泊系統(tǒng)執(zhí)行靜態(tài)分析，得到STP的底部位于水下46.84m，與系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件中的47m基本吻合。如1.2節(jié)所述，為了保證系泊系統(tǒng)在施工周期內(nèi)的安全，選取50年一遇的極端風(fēng)暴對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行在位的動(dòng)態(tài)分析，參考DNV規(guī)范，并考慮相同方向的波浪和來(lái)流工況以及不同方向的波浪和來(lái)流工況，從而更好地捕捉惡劣工況。其具體的波浪與流的參數(shù)見(jiàn)表2。同時(shí)考慮系泊系統(tǒng)本身6條錨腿在位（9條錨腿中的3條已經(jīng)移除）和3條錨腿在位（9條錨腿中的6條已經(jīng)移除）2種系泊狀態(tài)，可以得出相關(guān)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。根據(jù)表5可知，錨腿、立管和電纜在極端風(fēng)暴情況下所承受的張力都在允許的范圍內(nèi)，立管和電纜的MBR也在可接受的范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)彎現(xiàn)象。綜上所述，6條腿和3條腿的系泊系統(tǒng)在極端風(fēng)暴下是安全的。3系纜鋪設(shè)分析對(duì)于下鋼纜的鋪設(shè)，項(xiàng)目將采用DP2等級(jí)的作業(yè)船舶來(lái)完成該工作。施加2.5m有效浪高和1年一遇的流的環(huán)境荷載。其鋪設(shè)分析工況矩陣見(jiàn)表6；其鋪設(shè)作業(yè)分析如圖7所示。下鋼纜鋪設(shè)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表7。由表7可知，船舶在進(jìn)行下鋼纜的鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)該將作業(yè)船的艏向控制在±30°首浪或尾浪范圍內(nèi)；并推薦采用50m～70m的Layback來(lái)對(duì)鋼纜進(jìn)行鋪設(shè)；鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)采用安全工作載荷為25t以上的張緊器夾持鋼纜進(jìn)行鋼纜的鋪設(shè)。4系泊系統(tǒng)的分析在海洋工