一艘新建15萬噸級FPSO將用于中國南海珠江口盆地的油田開發，油田水深87m。該FPSO使用內轉臺單點系泊定位，設計壽命30年。

 

1.設計環境條件考慮

 

中國南海經常有臺風過境，近年來臺風的過境次數和破壞力均有所增強，帶來的結果是極限環境設計條件隨之增加。LH11-1FPS設計條件變化情況比較如表1所示，從表中可以發現百一遇的極端設計條件出現了非常明顯的增加。處于安全設計考慮，系泊系統的極限設計條件也隨之提高。考慮到該FPSO較長的設計壽命（30年），采用100一遇的環境條件來作為極端設計條件會使得最終結果偏于危險，基于此，系泊系統的極端設計條件從100年一遇增加到500年一遇。

 

使用如此嚴酷的環境條件作為計算設計條件，同時水深僅有87m，該FPSO的系泊系統設計遇到較大的挑戰。該系泊系統必須具有足夠的破斷強度以保證纜繩的安全性，同時還需要有足夠的恢復力特性以滿足500年一遇條件下立管的安全性。

表1 南海LH11-1（老流花FPS）環境條件變化比較

	極端設計條件(100YRP)				設計壽命	資料年份	水深 [m]
	Hs [m]	Tp [s]	一小時平均風速 [m/s]	表面流速 [m/s]
LH FPS	12.98	15.3	42.90	2.26	15	1995	300
LH FPS	13.60	16.4	43.80	2.00	10	2006	300
增加百分比[%]	4.8%	7.2%	2.1%	-11.5%	/

 

2.系泊設計

為了適應設計條件要求，系泊系統須有合理的回復剛度以限制FPSO的位移。87m水深條件下，系泊鏈具有非常明顯的懸鏈線特征，回復剛度主要由系泊纜自身重量和海底臥鏈重所提供，為了達到更好的定位效果，錨鏈需增加配重塊以增加系泊系統回復能力。為了控制纜繩張力載荷和FPSO漂移運動，系泊系統的布置采用分組布置。通常，FPSO系泊系統的分組布置通常采用3X3、3X4或者更多纜繩的組合。一組纜繩需要多少根系泊纜需要通過分析確定。由于系泊纜將與海底經常性的接觸、摩擦，因而聚酯纜不在考慮范圍內。出于連接操作考慮，系泊纜連接導纜孔的上段部分應為鋼鏈。為了減小單點垂向受力，系泊纜的中間段將選擇鋼纜。需注意的是，需要避免鋼纜出現在系泊纜與海底的接觸段范圍內，以避免頻繁接觸對鋼纜造成破壞。

 

出于以上考慮，新建FPSO的系泊纜將由鋼鏈-鋼纜鋼-鏈以及配重塊組成。

 

為了估算所需要的上端鋼鏈直徑，FPSO壓載工況時的導纜孔作為系泊纜上端的輸入條件；處于簡便考慮，風浪流同向的波浪主導環境條件作為輸入條件；將FPSO最大的風力系數和流力系數作為輸入條件。通過Ariane進行試算得出初步結論：上端鏈使用R4K4，直徑不應小于146mm。

 

對比無配重塊和不同重量配重塊對于系泊回復特性的影響進行了比較，比較結果如圖2所示。系泊半徑1200m，FPSO處于壓載狀態，錨鏈直徑146mm。當配重塊重量增加時（分別為1t/m, 1.3t/m 和1.6t/m），系泊纜剛度增加明顯，同時張力也相應增加。當導纜孔水平偏移22m時，相比于無配重塊系泊纜，有配重塊時系泊纜上端張力分別增加8%，13%和15%。當系泊纜張力同為12000KN時，有配重塊系泊纜連接的導纜孔偏移分別減小1.3m，1.9m和2.3m。綜合考慮造價和性能，躺底段配重塊重量選為1.3t/m。

圖1 不同配重重量對系泊纜恢復力特性影響

 

FPSO系泊系統采用分組布置，具體為4根系泊纜為一組，分為三組，整個系泊系統由12根系泊纜組成，單組中纜繩間距4°，每組纜繩間距108°。

圖2 系泊布置

 

根據ABS規范對于單點系泊系統系泊分析環境角度組合建議，對兩種系泊半徑系泊布置進行掃略分析。為了快速得到設計值，分析中采用Ariane作為分析軟件。計算結果表明：當FPSO壓載時纜繩張力較大；當系泊半徑為1200m時，纜繩張力載荷較小，FPSO位移較大。由于當前鋼鏈直徑已經較大，處于安全系數考慮，系泊半徑1200m方案作為最終的系泊系統設計方案。

 

表2 兩個系泊系統掃略分析結果比較（系泊系統完整工況）

	系泊半徑950m		系泊半徑1200m
系泊系統狀態	完整		完整
FPSO裝載狀態	滿載	壓載	滿載	壓載
最大偏移 [m]	26.7	20.9	31.30	23.70
最大張力[Tons]	1097.05	929.74	1007.63	887.92
最小安全系數	1.58	1.86	1.72	1.95

 

3.耦合分析

為了確保設計的系泊系統能夠滿足立管設計要求需進行立管-系泊系統耦合分析，選取典型工況分別使用Ariane 和Orcaflex進行分析。由于Arian并不能考慮纜繩動態響應，在添加了動力放大系數進行修正后，纜繩張力結果與Orcaflex計算結果非常接近，但FPSO偏移值小于Orcaflex計算結果，因而有必要進行立管-系泊系統耦合計算來進一步的分析。

 

表3 Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結果比較（系泊系統完整）

	Ariane	Orcaflex
系泊系統狀態	完整	完整
FPSO裝載狀態	滿載	滿載
最大偏移 [m]	31.30	35.88
最大張力[Tons]	1007.63	1013.90
最小安全系數	1.72	1.71

使用Orcaflex建立立管-系泊系統時域耦合分析模型。從立管選型分析中可以確定遠端工況時立管最危險，此時環境條件為500年一遇，環境來向為風浪流同向，沿著BetweenLine方向指向FPSO。耦合計算分析進行了5個不同種子的時域計算，結果如表12所示。分析結果表明，系泊系統能夠滿足立管設計要求。

 

表4 Ariane 和Orcaflex在典型工況的分析結果比較（系泊系統完整）

	最大張力[KN]	允許張力[KN]	校核狀態
立管	288.1	4329	Pass
臍帶纜	96.6	500	Pass
	最小彎曲半徑 [m]	允許最小彎曲半徑 [m]	校核狀態
立管	6.658	4.94	Pass
臍帶纜	5.150	3.00	Pass

4.結論

針對一艘在中國南海北部水深87m油田工作的新建FPSO設計了單點系泊系統。針對500年一遇的極端設計進行時域動力分析。比較了兩種系泊半徑下系泊系統的性能情況，并進行了立管-系泊系統耦合時域分析。最終給出了如下結論：

 

1)較淺的水深使得系泊纜懸鏈線特性明顯，其恢復力主要靠躺底鏈提供。為了提高系泊纜恢復特性，對系泊纜添加1.3t/m的配重塊，效果明顯；

2)系泊半徑1200m的系泊方案能夠滿足規范對張力安全系數的要求和立管對于FPSO位移的要求。950m系泊半徑方案不能滿足張力規范要求，但FPSO最大漂移小于1200m的方案；

3)系泊系統能夠滿足規范對于纜繩張力安全系數的要求和立管的要求。在500年一遇的環境條件下立管和臍帶纜在FPSO位移34m條件下滿足最小彎曲半徑和許用張力的要求。