《资源节约与环保》 2012年 第五期
FPSO水下软钢臂单点系泊系统刚度特性浅析
张宝雷
(中海油能源发展采油服务公司,天津塘沽,300452)
摘要: 本文简单介绍了单点系泊系统的设计原
理,根据水下软刚臂式单点系泊系统的特殊性,对其
系泊系统设计进行简单的介绍, 着重探讨并分析其
系泊刚度特性, 并以海洋石油 113 为例进行实际计
算,得出其系泊刚度特性曲线。
关键词 :FPSO、单点系泊 、水下软刚臂 、系泊
刚度
1前言
系泊系统是 FPSO 中最有特点的系统, 它通过
导管架或吸力锚提供足够的系泊力。 根据海域和海
况条件的不同, 目前世界上的 FPSO 主要采用单点
系泊和多点系泊两种系泊方式。 其中以单点系泊系
统(SPM)的应用最为普遍。对于现有的 FPSO系泊系
统有两大类:固定系泊系统(使用锚和锚链)和动力
定位系统(借助推进器、卫星和 GPS 等定位技术)。
目前绝大部分 FPSO 采用的是固定系泊系统, 也有
一些采用了动力定位方式。
目前, 全球大部分 FPSO 的系泊系统属于单点
系泊系统,单点系泊系统的特点是:容许 FPSO 绕单
点自由转动,从而有效地减少风浪流的作用力,这样
锚链线的尺度也相应地减小。 单点系泊系统十分有
利于输油轮卸油:输油轮可与 FPSO 首尾连接,输油
轮、FPSO 同时绕单点自由转动, 具有操作方便、安
全、可操作率高等优点。单点型系泊系统的缺点是制
造成本高,技术复杂。
我国采用的单点系泊系统主要分为两种: 南海
海域主要采用内转塔式系泊系统 (Internal Turret
Mooring System),而渤海湾内的 FPSO 主要采用软钢
臂式系泊系统(Tower Wishbone/Yoke System)。 而软
刚臂系统又分为水上软刚臂和水下软刚臂系泊系
统,这两种软刚臂形式从原理上来说是大体相似的,
但同时存在一定的差别。
2设计原理
单点系泊系统的型式很多,但是,无论哪种系泊
系统,按照物理概念,都可以简化为“质量-弹簧系
统”进行研究。FPSO是集中质量,在质量上作用有一
个大小、方向随机变化的扰动力;悬链系统或软刚臂
系统则是弹簧。 弹簧刚度对整个系统的运动和受力
的影响是很大的。因此,合理选择弹簧刚度是单点设
计的重要任务之一。
与锚链单点系泊系统相比, 软刚臂系泊系统为
多刚体系统,其回复力和位移并不成比例,为非线性
关系,并且在船舶运动时,回复力不仅取决于船体的
位置, 船体的运动速度也会对回复力的大小产生影
响; 而软刚臂系泊系统各个部件的运动和速度反过
来又会影响船体的运动,计算比较复杂。 因此,在进
行时域计算模拟时, 软刚臂系泊系统的回复力与船
体运动和运动速度的耦合影响必须加以考虑, 这是
软刚臂系泊系统与锚链系泊系统的主要区别之一,
也是软刚臂单点系泊系统的特点所在。因此,软刚臂
系泊系统的分析计算对时域模拟的结果是否准确将
产生很大的影响, 是浅水 FPSO 运动数值模拟的关
键技术之一。
系
泊
技
术
113
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能
源
资
源
环
保
技
术
交
流
3系泊刚度分析
目前, 单点系泊系统运动和受力的计算分析方
法有两种:拟静态法和动态法。针对水下软刚臂系统
来说, 以往在设计时大多采用的是拟静态法与动态
法相结合。 本文中将简单介绍如何对水下软刚臂系
统进行系泊刚度计算,以海洋石油 113 为例,得出其
刚度特性曲线。
图 2:海洋石油 113 及单点模型
图 3:海洋石油 113 及单点总布置图
系泊系统的三个转动点 A、B 和 C (如图 4 所
示),A点是具有沿两个坐标轴转动能力的固定点。 B
和 C是万向转动点,可随储油轮的运动而移动。为讨
论方便,这里只描述平面静态工作情况。
图 4:水下软刚臂系统工作原理图
W1—软刚臂结构重量(70.6t)
W2—压载重量(250.3t)
W3—系泊腿结构重量(10t)
L1—软刚臂结构重心至 A点距离(23.2m)
L2—压载重心距 A点距离(30m)
L3—系泊腿长度(26.7m)
H2-H1—A与 C的垂直距离(28m)
已知储油轮拉离初始平衡位置的距离, 可根据
系泊系统的主尺度和重量求得 A、C 两点上的垂直
力和水平力,及储油轮位移与水平力的关系曲线(即
软刚臂单点系泊系统的特性曲线)。通过系泊系统的
几何关系、 力系平衡和力矩平衡方程并假定 W3 在
L3的中点。 可列出如下方程:
FAX=FCX ①
FAZ+FCZ=W1+W2+W3 ②
FCX=(FCZ- W22 )tanβ
!
#
#
#
#
##
"
#
#
#
#
##
$
③
W1L1cosθ+W2L2cosθ+W3 (L2+ L32 sinβ) -FCZ (L2+
L3sinβ)+FCX(H2-H1)=0 ④
整理得:
FCZ=
(W1L1+W2L2)cosθ+W3(L2+ L32 sinβ)-
W3
2 (H2-H1)tanβ
L2-L3sinβ+(H2-H1)tanβ
根据方程组可解得。 同理,可求得 FPSO靠近系
泊导管架时的 A、C两点上的力,如下所示:
114
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表
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1:系泊系统受力数据
船首距单点距离(m) 系统整体受力(N) 单根锚腿受力(N) 船首距单点距离(m) 系统整体受力(N) 单根锚腿受力(N)
45 3015105 1507552 29 -115075 -57537
44 2573210 1286605 28 -233462 -116731
43 2217040 1108520 27 -355935 -177968
42 1920622 960311 26 -483442 -241721
41 1667408 833704 25 -617152 -308576
40 1446342 723171 24 -758524 -379262
39 1249747 624874 23 -909396 -454698
38 1072117 536059 22 -1072117 -536059
37 909396 454698 21 -1249747 -624874
36 758524 379262 20 -1446342 -723171
35 617152 308576 19 -1667408 -833704
34 483442 241721 18 -1920622 -960311
33 355935 177968 17 -2217040 -1108520
32 233462 116731 16 -2573210 -1286605
31 115075 57537 15 -3015105 -1507552
30 0 0 14 -3586027 -1793014
根据以上数据可得出系泊系统刚度特性曲线,
如下图所示:
图 5:水下软刚臂系泊刚度特性曲线
从而得出系泊系统的刚度特性如下:
K=FCX/X
从以上计算结果来看, 水下软刚臂系泊系统的
系泊刚度为非线性的,但并不是无规律可循。 如图 5
所示:在平衡位置时,系统水平受力为零,当 FPSO
离平衡位置越远系泊力越大, 并且距离越远其刚度
系数就越大。
4结论
从以上计算结果来看,FPSO在相同位移情况下
距离越远系泊力增加越大。 然而针对软刚臂这种系
泊系统我们可看出,当 FPSO 船体(下转第 122 页)
FCZ=
(W1L1+W2L2)cosθ+W3(L2+ L32 sinβ)-
W3
2 (H2-H1)tanβ
L2-L3sinβ+(H2-H1)tanβ
同样可根据方程组解得。
我们以 FPSO 船首移动 1m 为步长进行刚度特
性计算,得到以下结果:
系
泊
技
术
115
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源
资
源
环
保
技
术
交
流
(上接第 115页)靠近单点与远离单点这两种情况下
它的刚度变化速率并非一致的, 其中在 FPSO 船体
远离的情况下其单点系泊系统的刚度变化较小,而
靠近单点系统情况下的刚度会急剧增加, 从设计原
理上来说这也是这种单点系泊系统的一种弊端,对
于 FPSO 船体的前冲效应的适应能力较弱, 因此反
映在生产操作维护过程中就要求我们尽量避免发生
船体前冲的情况, 并针对此种情况制定相应的应急
措施处理
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
。
采用拟静态法对水下软刚臂系泊特性进行计
算分析,可简单、快速的为单点系统设计提供科学
依据,直观了解所设计的系泊系统整体系泊刚度特
性,从而准确判断系统可靠性,为油田作业者提供
操作建议。
参考文献
[1]李欣,杨建民,肖龙飞. FPSO 软刚臂单点系
泊系统动力分析. 中国造船. 2005
[2]刘振国. FPSO 系泊系统管理、操作和维护研
究. 2007
[3] 范模. 软刚臂单点系泊系统分析. 中国海上
油气(
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
). 1992
10 大类【2】,内容涉及设计、生产、安装等系泊系统全
生命周期。应用失效模式研究于系泊系统,可以为作
业者提供重要的参考,方便编制维保检修计划。
6.0结束语
随着近年来全球范围的恶劣海况不确定因素增
加,世界各国(包括中国)在海洋工程系泊安全问题
上都遇到了一些困难。面对国际问题,就需要国际合
作来解决,中国正处于起步阶段,吸收国外的先进管
理理念和技术手段是迈向国际化的第一步。 因此本
文建议逐步理解吸收国外经验, 同步将其应用于南
海 FPSO 的维护、检修与管理,实现事故发生概率的
最小化。
目前在南中国海服役的单点系泊系统的设计,
关键部位制造全部来自国外,并且国外在检测、维护
技术、管理手段上也处于领先地位,我国的南海油藏
量丰富,系泊系统的应用显然未达到饱和,因此有必
要以现有的系泊系统为基础,逐步提高管理、技术两
个方面水平,为未来水深更深、海况更复杂系泊系统
的应用积累经验。
参考文献
【1】 《海洋石油工程设计指南》第九册:FPSO 与
单点系泊系统设计
【2】 Oil & Gas UK Mooring Integrity Guidance
【2】 中华人民共和国海洋石油天然气行业标
准:单点系泊装置建造与入级
规范
编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载
【4】 刘贞飞等 《中国水运》2012-3 38-39 饱
和潜水在海洋工程中的应用
【5】 刘振国 《中国海上油气(工程)》1994-10
海上结构物在服役期的安全性检测
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