新型浮式钻井生产储卸润滑油系泊系统动力响应及疲劳分析

新型浮式钻井生产储卸润滑油系泊系统动力响应及疲劳分析

0浮式生产储油平台semofdpso浮式生产储油船是重要的海上生产设备，主要包括船式储油船和系泊系统。目前,FPSO在海上油气开采领域得到了广泛应用,但也发现存在很多不足,如耐波性差、使用过程事故多、寿命短、系泊系统容易发生不同形式的损坏。在我国南海的台风过程中,曾发生过单点系泊系统损伤的事故,渤海湾也有单点损坏案例。因此,开发不同于船型的FPSO及其系泊系统,是目前国内外海上油气工程领域研究的热点。浮式钻井生产储卸油轮(Floating,Drilling,Production,StorageandOffloadingvessel,FDPSO)是集油矿钻探、油气处理、储油与外输为一体的装置。Haereid等于2000年提出了一种新型浮式生产储油平台SEMOFPU的概念。Halkyard等针对西非海域和巴西海域的环境特点,提出了一种半潜型FDPSO概念,相继揭开了新型储油装置的研发序幕。2009年8月,世界上第一艘FDPSO服役,该船具有140万桶油的储油能力和4万桶的日加工量,目前用于刚果南梅尔善罗丰德区块“Azurite”油田的开发。2009年11月,由SevanMarine公司设计的世界首座圆筒形超深水钻探储油平台SevanDriller建造成功,服务于墨西哥湾海域,其外形采用了不同于传统船型FPSO的圆筒形,降低了建造成本,消除了艏摇激励,同时还不影响储存能力;但其也存在着不足,例如,甲板面积较小、工作空间与居住空间太近、垂荡运动幅度较大等问题。巴西Petrobras石油公司同样通过改变FPSO外形的方式开发了一种新型的FPSO,命名为圆柱型浮式生产储卸装置(MPSO)。目前,国内在FDPSO方面的研发才刚刚起步,已有的FDPSO形式主要在外形和使用功能两方面有所创新。本文将借鉴已有的各种新型FDPSO的优点,提出一种多筒式FDPSO的结构并完成其系泊系统设计,然后结合中国南海海域的海洋环境条件,计算分析系泊系统的定位能力和疲劳性能。1多筒式fdpso多筒式FDPSO主要由上部设施、浮体部分和悬链线系泊系统3部分组成(图1)。浮体部分主要包括组合式罐体和底部固定压载舱。组合式罐体指6个按圆周布局、紧密连接的圆筒,圆筒中心为月池。原油装卸时,6个圆筒分成3组分别控制原油的装卸过程。组合式罐体的圆筒内部均为“罐中罐”结构形式。内罐为储油舱,外罐为置换海水压载舱。其基本结构尺寸如表1所示。内外罐之间采用隔层连接,隔层沿环向均匀分布有186个直径0.2m、间距0.201m的连通孔,使得上部海水压载舱和下部海水压载舱相连通(图2)。“罐中罐”结构中,原油储存的有效舱容约占总舱容的45%,在水下将会产生很大的剩余浮力。多筒式FDPSO利用这一特点,采用钢筋混凝土结构建造。考虑到钢筋混凝土“抗拉不抗压”的特点,罐体的顶部和底部结构采用椭球形。设计选取上部设施质量为10000t,质心距离结构底部的高度为72m,设计吃水52m,罐体高60m。计算时沿罐体高度方向,以高度中线为分界,上部混凝土密度为2.0t/m3,下部为2.3t/m3。本文设计的FDPSO的创新之处在于,多筒式FDPSO的圆筒采用的是由双层罐体组成的内外罐结构,罐体内部的储油舱和置换海水压载舱采用“密闭气压连通式压载海水和原油等质量流率置换流程”技术来实现原油的储存和外输。其主要方式是,通过管道将储油舱与压载海水舱的顶部连通,舱体密闭并预充一定压力的氮气,原油进舱泵—海水卸载泵、原油外输泵—海水压载泵两组分别联动,实现等质量流率置换。由此,多筒式FDP-SO的结构形式以及结构吃水便能时刻保持不变。FDPSO的重心垂向位置是衡量工作时的稳性以及水动力性能的重要指标。经计算发现,不同原油分组形式的存贮与外输过程对结构质心的变化影响很大。在整个原油储卸过程中,随着分组数目的增加,质心的移动距离逐渐减小,浮体在不同装载情况下的稳性和水动力性能变化也减少。但分组数目的增多将增大储卸控制技术的难度,因此,综合考虑技术难度和运动性能,采用两两相邻的罐体为一组的分组形式,分3组对原油进行储存或外输。多筒式FDPSO的运动坐标系定义如下:x轴沿其长度方向;y轴垂直于x轴,并指向其宽度方向;z轴沿右手坐标系向上为正,具体如图3所示。2fwds多桶复合系统的设计和运动响应分析2.1系泊缆的连接和布置就世界范围内来看,FPSO多采用单点系泊系统,而根据多筒式FDPSO的对称特点,则需采用多点系泊方式。系泊系统由位于主体的起链导链装置、系泊索和海底基础3部分组成。系泊索下端与海底基础相连,上端通过主体结构上的导缆器(位置如表2所示)连接到上体的起链器上,通过起链器可以灵活调节锚链的长度,进而改变系泊系统的预张力。设计时,取作业水深1000m,系泊缆结构采用“锚链—钢丝缆—锚链”的分段式组成形式。由于该多筒式FDPSO由6个罐体组成,在设计时采用3组×4根,共12根系泊缆,分组夹角120°,同组内相邻两根系泊缆间夹角5°,布置方式如图4(a)所示。系泊点距离导缆器的水平距离为1944m。表3列出了系泊缆的参数,考虑浪溅区系泊缆的腐蚀率为0.2~0.4mm/年,剩余部分的腐蚀率为0.1~0.2mm/年来确定腐蚀裕度。本文取平均腐蚀率为0.2mm/年,系泊缆设计寿命为20年。因此,考虑了系泊链的腐蚀后的锚链直径为138mm,最小破断强度为17525kN,设计时,取此值进行系泊缆安全校核。2.2浮体与浮体之间的耦合分析多筒式FDPSO兼具生产和储油的功能,因此有必要对其在海洋环境中的运动性能进行预报。在早期的研究中,主要采用准静定模型进行系泊结构的动力分析,但其忽略了系泊系统与浮体间的耦合作用。随着水深的增加,系泊系统的动态特性及系泊阻尼对于浮体的运动影响越来越显著,非耦合分析的准确性降低,因此需要进行系泊系统耦合分析。浮体与系泊系统的耦合分析需要同时求解浮体在6个自由度上的刚体运动和系泊系统动力特性,对浮体和系泊系统运动响应的每个时间子步同时进行求解,并考虑浮体与系泊系统之间的相互作用。在考虑系泊系统与浮体的耦合关系以及非线性因素的影响下,系统的时域运动方程如下:式中:分别表示广义加速度向量、广义速度向量和广义位移向量;Fik,Fd,Fw,Fc,Fm,Fsd分别为傅汝德—克雷洛夫力、波浪绕射力、风力、海流力、系泊力以及二阶波浪漂移力;[M],u200au2009[μ],u2009[K(t-τ)],u2009[K]分别代表浮体的广义质量矩阵、附加质量矩阵、系统的延滞函数矩阵和静水回复力矩阵。风力采用如下公式计算:式中:Ch,Cs分别为受风构件的高度系数和形状系数,按照CCS规范选取;S为平台受风构件的正投影面积;Uw为风速。为尽可能模拟实际情况,在考虑脉动风的影响下,本文计算风力选取NPD风谱。而海流力则采用如下公式进行计算:式中:CD为拖曳力系数,本文中取1.0;ρW为海流密度;A为构件在与流速垂直的平面上的投影面积;Uc为海流速度。本文对南海海域作业海况、生存海况以及其他海况下的流速垂向分布按照表4选取,其中d为水深。计算时,采用SESAM软件中的DeepC模块进行系泊系统与浮体之间的时域耦合分析。分别模拟作业工况与自存工况下多筒式FDPSO的运动响应和缆绳张力。为了较好地从数值模拟中获得运动的极值,数值模拟时间取为3h。2.3系泊线环境分析海洋环境复杂多变,而多筒式FDPSO保持其位置的能力是关乎其安全生产以及作业效率的重要指标,其定位工作主要由系泊系统保证。在风浪中,系泊缆一旦破损,海洋结构物将会失位,不仅会造成经济损失,甚至还会带来安全等严重问题。考虑在百年一遇的极限状况下系缆的最大载荷必须满足规范要求,CCS标准对于不同状况下系泊系统的规定如表5所示。表5中,安全系数SC是指破断强度与单根系泊缆最大载荷的比值;破坏条件表示极限海况、最危险浪向条件下,载荷最大的单根缆失效时的状况。根据FDPSO系泊线的布置形式,将系缆分为3组:第1组(1~4号)、第2组(5~8号)和第3组(9~12号),结合相应的海况,对FDPSO—系泊系统进行耦合时域分析。选取中国南海海域百年一遇海况作为计算环境条件,即风速45.8m/s,表面流速2.00m/s,有义波高13.6m,谱峰周期16.4s,风、浪、流方向均取为0°(风浪流同向)。为了消除瞬态影响,对完整自存工况(图4(a))和破损自存工况(图4(b))进行多次模拟,并取最大值的平均值进行安全校核,结果如表6、表7所示。对自存工况张力最大的一组系泊缆上的4根系泊缆索进行安全校核,所有系泊缆索的安全系数均大于相应分析方法下规范规定的安全系数,满足规范要求。2.4运动响应钻井作业许用的平均偏移和最大偏移与钻井作业水深、环境条件和立管系统有关,通过对大量的钻井作业实践进行总结,可知钻井平台运动设计值为:升沉≯±1m,摇摆≯±3°,漂移≯工作水深的8%。考虑到多筒式FDPSO在一年一遇海况下能进行正常的钻井作业要求,满足浮体位移不超过钻井作业规定的极限值。选取中国南海海域一年一遇海况计算多筒式FDPSO的运动和系泊张力,海况为:风速23.1m/s,表面流速1.15m/s,有义波高7.5m,谱峰周期11.7s,风、浪、流均为180°。多筒式FDPSO在6个自由度上的时域历程计算结果如图5所示,图中给出的时间段为4000~8000s。由运动响应历程曲线图可以看出,多筒式FDPSO在纵荡、横荡和艏摇3个方向水平运动的主要成分为低频慢漂运动,波频运动不明显。而对于多筒式FDPSO的垂荡、横摇和纵摇运动,其波频运动明显。多筒式FDPSO六自由度运动响应统计结果如表8所示。从多筒式FDPSO运动响应数值模拟结果可以看出,浮体水平运动的最大值不超过50m(作业水深的5%),垂荡运动幅值不超过±1m,摇摆运动最大幅值不超过±3o,可见,多筒式FDPSO的系泊系统设计合理,运动响应幅值满足正常钻井作业要求,适用于中国南海海域环境条件。3系泊缆索疲劳寿命计算由于南海环境恶劣,对于一座服务期限20年的海洋结构物,其在波浪作用下引起的交变应力循环次数约可达到108之多,因此海洋结构物的疲劳损伤概率远高于一般的陆上结构物。多筒式FDPSO在其作业期间内,结构始终处于不断变化的海洋环境载荷之中,系泊缆作为主要连接部件,其内部始终会产生交变应力,因此会产生一系列的疲劳问题。疲劳分析过程极其复杂,目前,海洋工程界所采用的疲劳分析方法主要有断裂力学方法和S-N曲线法。以DNV规范和SESAM软件为基础,基于S-N曲线方法以及Miner线性累计损伤理论,并采用雨流计数方法,对多筒式FDP-SO进行系泊缆索的疲劳寿命计算。本文选用南海西沙海域的长期海况,将其视为一系列的短期海况(表9)进行系泊缆索疲劳寿命分析。DNV规范对于系泊系统的寿命规定为系泊系统各部件的疲劳寿命应不小于使用寿命的3倍,本文中系泊缆的索设计寿命为20年,因此计算结果应不小于60年。图6所示为DeepC计算的系泊缆索疲劳寿命曲线的疲劳寿命云图。图片中心区域深色部分为疲劳寿命最短,最易发生疲劳破坏的区域。根据系泊缆索各部分的组成,最易发生疲劳破坏的位置为钢缆与锚链连接部分。计算表明,钢缆与锚链连接点处的寿命有所降低,导缆孔处的锚链和中间钢缆连接点处由于受水面波浪载荷作用,寿命最短,但最短疲劳寿命为109年,满足规范要求。因篇幅所限,仅在图7中给出了8号系泊缆索的疲劳寿命变化曲线,其余11根系缆的寿命曲线与之相近,且均满足规范要求。4多筒式fdpso的技术优势本文进行了