王文华;冉晓明;邸晓宁;冯硕;黄一
【摘 要】For the structural characteristic of classic single point mooring systems under shallow-water environment,a multi-body hydrodynamic model of Floating Production Storage and Offloading (FPSO) hull and Single Point Mooring Systems (SPM) such as Catenary Anchor Leg Mooring system (CALM),Sal Yoke System (SYS),and Soft Yoke Mooring System (SYMS) is proposed.Based on the coupled analysis method in time domain,by considering the effects of wind,current and wave loads,the motion performance of FPSO and mooring forces of various SPMs are calculated and analyzed,in order to provide the reference to the design of SPM under shallow-water environment.%针对浅水环境下典型外单点系泊系统的结构特性,建立悬链锚腿式系泊系统(Catenary Anchor Leg Mooring System,CALM)、单锚摇臂式系统(Sal Yoke System,SYS)、水上软刚臂式系泊系统(Soft Yoke Mooring System,SYMS)3种单点系泊系统和浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)船体的多体水动力模型.基于船体与外单点系泊系
统的时域耦合分析算法,综合考虑风、浪、流载荷的影响,计算得到FPSO)的运动响应和外单点系泊系统所受载荷,统计和比较各单点系统的系泊性能和特点,为浅水环境下外单点系泊系统的设计研究提供理论依据.
【期刊名称】《中国海洋平台》
【年(卷),期】2017(032)005
【总页数】7页(P94-100)
【关键词】单点系泊系统;多体水动力模型;时城耦合分析算法
【作 者】王文华;冉晓明;邸晓宁;冯硕;黄一
【作者单位】大连理工大学,船舶工程学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,船舶工程学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,船舶工程学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,船舶工程学院,辽宁大连,116024;大连理工大学,船舶工程学院,辽宁大连,116024
【正文语种】中 文
【中图分类】U661
近年来，海洋油气的加速开发使海洋工程装备得到快速发展，其中浮式生产储卸装置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)是一种集油气开采、分离处理、原油储运、人员居住于一体的多功能大型海上生产装备，其特点是：适应水深范围广、储/卸油气量大、承载能力强等，在海洋石油开发生产中发挥着重要作用[1-2]。
FPSO本身没有动力，需要通过系泊装置才能长期定位于指定海域。由于船型浮体的运动响应对环境载荷方向比较敏感，结合风向标效应，系泊方式通常采用单点系泊系统。目前单点系泊系统种类众多，可分为悬链锚腿式系泊系统(Catenary Anchor Leg Mooring System，CALM)、单锚摇臂式系统(Sal Yoke System， SYS)和水上软刚臂式系泊系统(Soft Yoke Mooring System, SYMS)等[3-4]，不同单点系统的系泊性能和特点各不相同，因此有必要对各种典型单点系泊系统的特性进行对比分析。
本文首先针对浅水环境下外单点系泊系统的结构特性，建立CALM， SYS，SYMS系泊系统和FPSO船体的多体水动力模型。然后，基于船体与外单点系泊系统的时域耦合分析算法，研究风、浪、流载荷联合作用下3种外单点系统的系泊性能和系泊特点，为确保FPSO
的作业稳定性和生存可靠性提供依据。
1.1 FPSO船体参数和水动力模型
FPSO主船体总长276.8 m、垂线间长262.0 m、型深23.6 m、型宽51.0 m，相关参数见表1。在水动力计算中，需要根据不同装载状态下的吃水位置划分水下湿表面，进而通过网格收敛性分析，确定网格尺寸为1.5 m左右。FPSO整体和满载状态湿表面的网格如图1所示。
1.2 外单点系泊系统水动力模型
以3种外单点系泊系统为研究对象，结合典型系泊系统的结构特性，建立CALM，SYS和SYMS系统的模型。
1.2.1 悬链锚腿式单点系泊系统(CALM)
CALM主要由浮筒、系泊锚链、系泊缆绳、输油系统和辅助设备组成，其中：浮筒为圆柱形，通过6根均匀分布的锚链固定于海底。浮筒主要参数参见表2，锚链参数见表3。FPSO
和浮筒转台之间通过1根长度为45.7 m的系泊缆绳连接。CALM和FPSO的耦合水动力模型如图2所示。
1.2.2 单锚摇臂式系统(SYS)
SYS包括具有外伸结构(用于悬挂锚链)的FPSO、锚泊系统(转塔、轴承、摇臂Yoke和锚链Chain)、立管和柔性跨接管系统、FPSO和系泊柱间的连接桥结构。其中，扁平状桩基和圆柱状外套筒对多体系统水动力性能的影响比较小，可以忽略。此外，摇臂的主要参数见表4，锚链(每根375 t)主要参数见表5。SYS和FPSO耦合水动力模型如图3所示。
1.2.3 水上软刚臂式单点系泊系统(SYMS)
SYMS分为软刚臂和系泊腿，主要参数见表6，其中：2个系泊腿分别位于FPSO两侧，上端连接在FPSO支撑结构上，允许结构横摇、纵摇；下端连接在软刚臂上，允许自由转动；软刚臂和塔架连接处也允许自由转动。SYMS和FPSO耦合水动力模型如图4所示。
1.3 算法理论简介
基于三维波浪势流理论[5-6]计算FPSO水动力参数。首先，基于拉普拉斯方程和边界条件求解流场速度势；然后，根据伯努利方程得到浮体压强分布，再沿物体湿表面积分可得到浮体所受波浪力。在环境载荷作用下，通过时域运动方程耦合分析多体系统的水动力特性[7]，其中：风流载荷系数通过OCIMF[8]获得，锚链张力采用缆索有限元计算[9]。细长圆柱状摇臂所受波流载荷采用Morison方程[10]计算。最后，针对时域运动方程，采用基于NEWMARK-BETA算法的预估-校正策略计算多体系统各物理量的时间历程，在时间步进过程中，通过循环迭代可以实现多体运动方程的双向耦合，从而得到FPSO和单点系泊系统的水动力特性。
本文采用渤海海洋环境条件，该海域水深24 m，具体环境参数见表7。算例工况定义如下：工况1为风浪流同向、一年一遇；工况2为风浪方向180°、流向145°、一年一遇；工况3为风浪流同向、百年一遇；工况4为风浪方向180°、流向145°、百年一遇。
2.1 不同单点系泊系统下FPSO运动响应
2.1.1 水平面内的船体运动响应
基于船体与外单点系泊系统的时域耦合分析算法，计算得到不同单点系泊系统的FPSO纵荡、横荡和艏摇的运动响应，如图5所示，可以看出：3种不同单点系泊系统对FPSO水平面内运动响应的影响相差较大，其中CALM的运动响应比SYS和SYMS系统大很多、SYS次之、SYMS最小。这说明SYMS系泊效果最佳，CALM抵抗恶劣环境条件的能力相对最弱。此外，在满载状态和工况2～4下，CALM的FPSO运动幅值较大。从图5b)和5c)中可以看出：在百年一遇风、浪、流同向海况中，CALM会发生水平面内非稳定甩尾现象，需要在单点系统设计时特别注意。
2.1.2 水平面外的船体运动响应
不同单点系泊系统下FPSO垂荡、横摇和纵摇运动响应如图6所示，可以看出：针对水平面外的运动(垂荡、横摇、纵摇)，3种单点系统FPSO的运动幅值均较小；在垂荡和纵摇方面，SYMS的运动响应最小，SYS和CALM差别不大。这说明SYMS系泊刚度相对较大，可以在一定程度上限制FPSO在水平面外的运动。由图6b)可以看出：在百年一遇风、浪、流同向海况中，CALM的FPSO会发生横摇运动，这主要是由于该工况下CALM系统会发生水平面内的甩尾现象。
2.2 传递到单点系泊系统的载荷
作用在FPSO上的环境载荷将会通过连接构件传递到单点系泊系统，进一步对相关数据进行统计。其中，对于SYS和SYMS单点系泊系统，z方向载荷是由单点装置自身配重引起的，本文主要分析由FPSO传递到单点系统上的载荷，即x和y方向上的载荷。
2.2.1 FPSO靠近和远离对单点系统载荷的影响
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