基于FPSO运动响应的系泊力监测方法

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

基于FPSO运动响应的系泊力监测方法

田冠楠，李鹏，王连佳

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

基于悬链线原理，开发一种稳定性好、采样频率较高的系泊力监测方法，利用监测得到的运动响应推算得到系泊力值，并通过实船测量“海马”台风过境中海洋石油111FPSO的运动响应，计算得到系泊力。

系泊力监测；运动响应；实船测量；台风

单点系泊系统是恶劣海况下作业的FPSO最好的系泊方式之一，已被广泛应用于我国海域的FPSO。目前南海海域的内转塔型单点系泊系统通常由转塔、浮筒和锚缆等主要结构构成，锚缆均为悬链线式系泊方式，由锚链-钢缆-锚链组成[1]。由于FPSO无法像其他船舶一样随时离开，而是永久系泊于固定海域，因此系泊系统在极限环境荷载作用下的安全特性一直是研究的重要问题之一[2-5]。目前，针对系泊系统载荷研究手段主要通过数值模拟、模型试验及现场实测手段。然而，由于海洋工程结构物受到来自于海洋环境、作业等复杂载荷，采用传统的商业数值仿真软件及模型试验研究均无法准确还原实际的海洋环境，具有一定的局限性。现场实测手段能够考虑现场复杂状况而获得实际的FPSO数据，众多学者在这方面进行了相关的研究[6-9]。针对单点系泊系统系泊力监测系统存在稳定性不足、监测精度低等问题，对作业于南海海域的海洋石油111FPSO，提出通过采用GPS/IMU测量FPSO运动响应，进而推算系泊力的监测方法。

1 应用现状及问题

作业于我国南海地区的内转塔型FPSO，包括海洋石油111、115、118等，均装备了单点锚缆系泊力监测系统，3套系统都采用水下倾角仪采集器获得锚缆实时的角度，并将数据传给服务器进行存储和处理，通过数据分析处理获得各条锚缆的系泊力。但各套系统在设备选型、采样频率、数据传输方式上有所差异，见表1。

表1 系泊力监测系统参数对比

2套设备在监测时均采用了水下倾角仪设备，倾角仪安装于锚缆靠近导揽孔一侧的端部。其中海洋石油118FPSO的倾角仪采用电缆对倾角仪设备进行供电以保证其连续工作，但由于海洋环境复杂，水下电缆接头在长期受到海洋环境载荷、锚缆摇晃引起的振动等多个因素影响下出现腐蚀并最终断开，最终系泊力监测系统失效，如图1所示。

图1 倾角仪电缆失效

海洋石油111FPSO的倾角仪采用自带电池对倾角仪设备进行供电，数据传输采用无线声学传输至船底侧安装的接收器。由于电池体积较小，无法保证倾角仪的连续工作，因此倾角仪每6 h开启并开始记录一定时长的倾角数据，该系统避免了电缆断开导致的整个系统失效，但采样频率较低，可能无法记录台风期间的关键数据。

综上，目前采用的2种系泊力监测方式都无法充分满足需求，需应用稳定性及数据采集能力更好的监测方案，因此，本文提出采用GPS/IMU测量获得FPSO 6自由度的运动响应数据，进而推算系泊力方法。

2 理论基础

该方法是通过应用悬链线理论计算得到动态响应-系泊力数据库，数据库覆盖整个FPSO的运动范围，通过实时测量得到的动态响应数据，通过插值计算得到各条锚缆实时的系泊力大小，并获得锚缆的分布形态。

内转塔单点系泊模型在物理概念上可简化为质量-弹簧系统[10]，船体为集中质量，系泊系统则为弹簧，保证整个系统受到外界环境力扰动下在平衡位置附近振荡，但位移过大将造成立管损坏或寿命降低，因此，要求系泊系统有足够的刚度，把浮式生产装置的位移限制在允许范围内。南海所采用的系泊系统为钢质悬链系泊系统，由9～12根锚缆组成，锚缆在水下呈悬链线状态分布，通过自身重量提供刚度，当FPSO偏移平衡位置后，一侧的锚缆悬链线被拉起，躺地段减少，从而产生回复力。

假定海床是平坦的，缆线在平面内运动，忽略缆线的弯曲刚度和动力响应，建立悬链线求解方程组[11]。

V=Sw+V0

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：S为缆线悬垂部分的未拉伸长度；L为缆线悬垂部分拉伸后的长度；X，Z分别为拉伸后悬垂长度的水平和垂向投影分量；V,H分别为等效轴向拉力的垂直和水平分量；V0为在触地点V的值；w为缆线的单位长度湿重；E为弹性模量；A为缆线截面积。

由于南海FPSO均采用悬链线式系泊，触地点在缆线内，即缆线处于悬垂状态，触地点V0=0，同时通过GPS可测得水平和垂向投影分量X、Z。

3 误差分析

目前，海洋工程领域常用的浮体运动响应测量方法包括卫星导航技术(GPS)或水声定位技术，由于水声定位技术精度低、成本高，而卫星导航具有低成本、高精度的优点，FPSO位置测量采用卫星导航技术。GPS动态定位是利用GPS信号，测定相对于地球运动的用户天线的状态参数，包括三维坐标、三维速度和时间7个参数，动态定位原理为载波相位实时动态差分技术，该项技术定位精度可以达到厘米级精度，而目前倾角仪测量精度0.2°，通过在同等工况下使用“倾角计算”与“坐标推算”对比，“坐标推算”较“倾角推算”误差大50 kN，精度相差6%。

拉力变化区间在300 kN～1 100 kN之间的情况下，对应的倾角变化约为13°，而对应位移约7 m，(见图2)，因此“倾角反推”也较“坐标反推”方法计算更敏感。但采用GPS反推方案也可对每根锚缆所受载荷进行模拟仿真，且误差为工程应用可接受范围。

图2 系泊力-位移/倾角关系

4 数据记录与分析

2016年10月21日，第22号台风“海马”经过番禺海域，海洋石油111FPSO执行油田关停避台程序，监测系统在台风期间记录下了FPSO的运动响应。本次台风中心等级高，距离作业区距离较近，对作业区影响显著且时间长，因而本次分析选取影响最为明显的3 h进行数据分析及系泊力的计算，对数据进行筛查处理[12]，FPSO在该期间的运动响应见图3。

图3 FPSO运动响度

由图3可见，台风对FPSO影响显著，运动位移最大可达15 m，最大横摇角接近8°。由此推算出各条锚缆的系泊力状况，由于同一组锚缆所受系泊力相近，因此仅从每组锚缆选取一根进行分析计算。见图4。

图4 锚缆系泊力时历值

计算表明，由于台风期间风向标效应导致各组锚缆在相同海洋环境下受力差异较大，其中2号锚缆在该3 h期间，受到锚缆系泊力较大，最大值为4 950 kN，而5号、8号锚缆所受系泊力较小，所有锚缆所受系泊力依然处于设计的安全范围内。

5 结论

1)本文方法具有稳定性好、采样频率高的优点，经过与倾角仪监测误差分析，该方法精度可应用于工程实际，并成功用于台风期间海洋石油111FPSO的监测，获取台风期间系泊力的时历变化值，该方法可广泛推广应用于内转塔型单点系泊系统的FPSO。

2)本方法依然基于静态系泊力的推导计算理论，需在未来的研究中考虑系泊缆水下的动态响应，以进一步提高精度。

[1] 黎春,周家齐,冯柯来,等.FPSO系泊和定位方法[J].内蒙古石油化工,2010(2):45-47.

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On Quick Monitoring Method of Mooring Load Based on Motion Response of FPSO

TIANGuan-nan,LIPeng,WANGLian-jia

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300452, China)

A method which has the character of good stability and high sampling frequency was developed based on the catenary theory. The method can calculate mooring force with monitored motion response. The motion response data of HYSY 111 FPSO during the typhoon Haima were obtained by field measurement to calculate the mooring force.

mooring force monitor; motion response; field measurement; typhoon

P751

A

1671-7953(2017)05-0075-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.019

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

田冠楠(1989—)，男，硕士，工程师

研究方向：海洋结构物水动力性能