浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
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升沉固有周期 /s
14． 22 19． 518 70． 688 72． 643 10． 5
14． 62 16． 759 64． 561 66． 178 11． 0
16． 05 14． 678 61． 674 63． 110 11． 5
横摇固有周期 /s
13． 5
15． 0
16． 5
纵摇固有周期 /s
FPSO 为新建 15 万吨级 FPSO，使用内转塔单点系泊系统定位。针对设计恶劣的环境条件( 500 年一遇) 设计了
系泊系统，进行扫略分析并进行了立管校核。计算结果表明: 该系泊系统性能良好，满足规范和立管设计要求。
关键词: 单点系泊; 浅水; 恶劣环境
中图分类号: P75
文献标识码: A
Challenge for Turret Moorings in Shallow Water and Harsh Environments Conditions
第2 期
朱为全，等 浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
·15·
台单点系泊定位，设计寿命 30 年。一根 12″的立管和一个供电脐带连接 DPP 平台与新建 FPSO。 中国南海经常有台风过境，近年来台风的过境次数和破坏力均有所增强，带来的后果是极限环境设计条
件随之增加［1］，出于安全设计考虑，系泊系统的极限设计条件也随之提高。考虑到该 FPSO 较长的设计寿命 ( 30 年) ，采用 100 年一遇的环境条件作为极端设计条件会使得最终结果偏于危险。基于此，系泊系统的极 端设计条件从 100 年一遇增加到 500 年一遇。
须在台风季节进行，因为非台风季节会有长时间的季风环境。这就要求单点系统必须具有较短的回接时间， 同时停产时间必须短。基于此，第二种单点系统选为新建 FPSO 的单点系统［2］。
2 设计基础
2． 1 系泊缆安全系数 根据 API-RP-2SK，对于动态分析校核需要的安全系数要求见表 5，可解脱内转塔系统如图 1 所示。
3． China Shipbuilding Industry Corpsration Economic Research Center，Beijing 100101，China; 4． Offshore Oil Engineering Co． ，Ltd，Tianjin 300461，China)
Abstract: Quickly becoming one of the most common moorings for extreme design conditions is the internal turret mooring system． Available as either a permanent or a disconnectable system，the internal turret mooring is recognized for its versatility from shallow water to deep water depths． However，design of such mooring system meets some challenges in shallow water: 1) harsh environments in location; 2) large dynamic offset as low frequency motion; 3) enough restoring force of the mooring system． In this paper，a turret mooring system will be designed for a FPSO system in shallow water in South China Sea where the water depth of about 90 m． A newly build 150 000 DWT FPSO will be located in this field and the unit is kept by a single point mooring system of internal turret type． With response to the harsh environments ( 500year environments conditions) ，a dynamic analysis will be performed for the mooring system． It is conclude that the proposed mooring system is fully effective and functional
9． 3
9． 5
9． 6
1． 3 FPSO 内转塔形式 在造价、可靠性、操作简便性及安装时间等方面比较了三种主要的内转塔形式。 ( 1) 快速解脱内转塔系统: 投资高，安全性高，回接时间短，但是停产时间长; ( 2) 永久式系泊内转塔系统，配备浮筒和快速解脱设备: 投资高，安全性高，回接时间短，停产时间短; ( 3) 永久式系泊内转塔系统，无浮筒和解脱系统: 投资最低，安全性高，停产时间短，但是回接时间最长。 在中国南海北部的 FPSO 实际操作经验表明: 系泊系统的回接需要两周以上的天气窗口。这项工作必
Key words: single point mooring; shallow water; harsh enviroment
0 引言
一艘新建 15 万吨级 FPSO 将用于中国南海珠江口盆地的油田开发，此处水深 87 m。该 FPSO 使用内转
收稿日期: 2015-01-23 作者简介: 朱为全( 1981-) ，男，工程师。
Hs /m Tp /s 一小时平均风速 /( m /s) 表面流速 /( m /s)
表 3 FPSO 系泊系统 500 年一遇条件极值
波浪主导
波浪主导
重现期
重现期
100 年
500 年
100 年
500 年
13． 0
14． 2
12． 5
13． 6
14． 7
15． 2
14． 1
14． 6
39． 8
44． 0
( 2) 许用张力小于 4 329 kN;
( 3) 与其他海底结构物无碰撞;
图 1 可解脱内转塔系统
( 4) 与 FPSO 解脱后与海底基本无接触;
( 5) 至少满足 100 年一遇环境条件。
对于脐带缆:
( 1) 最小弯曲半径大于 3 m ;
( 2) 许用张力小于 500 kN ;
( 3) 与其他海底结构物无碰撞;
( 4) 与 FPSO 解脱后与海底基本无接触;
( 5) 至少满足 100 年一遇环境条件。
为了满足以上要求，立管需进行选型，最终确定采用陡波型立管; 为了保证立管系统的安全，系泊系统必
须有足够的定位能力。
3 系泊设计
设计寿命 /年
15． 3
42． 90
2． 26
15
16． 4
43． 80
2． 00
10
7． 2%
2． 1%
－ 11． 5%
资料年份 水深 /m
1995
300
2006
300
/
波、风、流主导下的条件极值见表 3，其中 500 年一遇的环境条件将作为系泊设计的环境输入条件。
·16·
中国海洋平台
第 31 卷 第 2 期
期为 10 s 左右。
表 4 FPSO 主尺度信息
设计参数
压载
半载
满载
垂线间长 /m
254． 00
型宽 /m
48． 9
吃水 /m
11． 2
15． 3
17． 8
排水量 /t
125 711
174 547
205 542
纵向重心( 相当于船中沿船尾指向船头) /m
2． 508
1． 355
0． 809
重心高( 距基线) /m 横摇回转半径 Rxx / m 纵摇硅砖半径 Ryy / m 首摇回转半径 Rzz / m
第2 期
朱为全，等 浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
·17·
表 5 系泊张力安全系数设计要求
系泊系统状态 完整 破断
分析方法 动态 动态
安全系数 1． 67 1． 25
2． 2 立管限制条件
开发方案中有两根立管连接 DPP 平台和 FPSO，为一根 12 寸立管和一根脐带缆［3］。
对于立管:
( 1) 最小弯曲半径大于 4． 94 m;
( 1． 北京高泰深海技术有限公司，北京 100011; 2． 中海油研究总院，北京 100027;
3． 中船重工经济研究中心，北京 100101; 4． 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)
摘 要: 随着海洋石油资源的开发，内转塔单点系泊逐渐成为恶劣环境下 FPSO 定位的主流系泊方式之
41． 6
46． 0
1． 92
2． 12
1． 89
2． 09
流主导
重现期
100
500 年
13． 0
14． 2
14． 7
15． 2
38． 6
40． 8
2． 10
2． 32
1． 2 FPSO 主尺度信息 新建 FPSO 的主尺度见表 4。该 FPSO 的升沉固有周期为 11 s，横摇固有周期为 15 s 左右，纵摇固有周
4． 8%
500 YRPபைடு நூலகம்14． 2 15． 2 46． 0 2． 31
增加百分比 9． 2% 3． 4% 10． 6% 10． 0%
生产实施
LH FPS LH FPS 增加百分比
Hs /m 12． 98 13． 60 4． 8%
表 2 南海同一地点环境条件变化比较
极端设计条件( 100 YRP) Tp /s 一小时平均风速 /( m /s) 表面流速 /( m /s)
设计寿命 对应极端条件
Hs /m Tp /S 一小时平均风速 /( m /s) 表面流速 /( m /s)
表 1 FPSO 系泊系统极端环境条件比较
30 年
100 YRP
200 YRP
增加百分比
13． 0
13． 5
3． 8%
14． 7
14． 9
1． 4%
41． 6
43． 6
4． 8%
2． 10
2． 20
一。无论是可解脱系泊系统还是永久式系泊系统，内转塔单点系泊的水深适应性都得到了广泛的认可。然而，
对于浅水下的内转塔单点系泊设计有着如下的挑战: 恶劣的自然环境使得 FPSO 具有较大的低频漂移运动，系
泊系统需要有足够的恢复力特性。该文针对中国南海水深为 90 m 左右的 FPSO 设计内转塔单点系泊系统，该
使用如此严酷的环境条件作为计算设计条件，同时水深仅有 87 m，该 FPSO 的系泊系统设计遇到了较大 的挑战。该系泊系统必须具有足够的破断强度以保证缆绳的安全性，同时还需要有足够的恢复力特性以满 足 500 年一遇条件下立管的安全性。
该文采用时域分析方法对系泊系统进行计算分析，并进行系泊系统 － 立管耦合分析计算以校验所设计 的系泊系统是否满足立管要求。
ZHU Wei-quan2 ，LI Da1 ，GAO Wei2 ，DONG Lu2 ，WANG Xin4
( 1． COTEC Offshore Engineering Solutions，Beijing 100011，China; 2． CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China;
1 基本信息
1． 1 环境条件 新建 FPSO 位置水深为 87 m，环境设计条件见表 1。从 100 年一遇到 200 年、500 年一遇，有义波高分别
增加 4% 和 10% ，相应的谱峰周期增加 5% 和 10% ，表面流速分别增加 5% 和 10% 。同一地点设计条件变化 情况比较见表 2。从表 2 中可以发现，百年一遇的极端设计条件出现了非常明显的增加。
第 31 卷第 2 期 2016 年 04 月
文章编号: 1001-4500( 2016) 02-0014-07
中国海洋平台 CHINA OFFSHORE PLATFORM
Vol． 31 No． 2 Apr． ，2016
浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
朱为全1 ，李 达2 ，高 巍3 ，董 璐1 ，王 鑫4
近年，若干级别较高的 台 风 袭 击 了 中 国 南 海 沿 岸，这 导 致 了 极 端 设 计 条 件 的 增 加。 一 般 情 况 下，对 于 20 年设计寿命的浮式设施，百年一遇的环境条件可以作为系泊系统的极端设计条件。新建 FPSO 有长达 30 年的设计寿命，相应的计算设计条件也应提高。考虑到南海极端设计条件长期的增长趋势，选择 500 年 一遇的环境条件作为该 FPSO 单点系泊系统的极端设计条件。
14． 22 19． 518 70． 688 72． 643 10． 5
14． 62 16． 759 64． 561 66． 178 11． 0
16． 05 14． 678 61． 674 63． 110 11． 5
横摇固有周期 /s
13． 5
15． 0
16． 5
纵摇固有周期 /s
FPSO 为新建 15 万吨级 FPSO，使用内转塔单点系泊系统定位。针对设计恶劣的环境条件( 500 年一遇) 设计了
系泊系统，进行扫略分析并进行了立管校核。计算结果表明: 该系泊系统性能良好，满足规范和立管设计要求。
关键词: 单点系泊; 浅水; 恶劣环境
中图分类号: P75
文献标识码: A
Challenge for Turret Moorings in Shallow Water and Harsh Environments Conditions
第2 期
朱为全，等 浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
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台单点系泊定位，设计寿命 30 年。一根 12″的立管和一个供电脐带连接 DPP 平台与新建 FPSO。 中国南海经常有台风过境，近年来台风的过境次数和破坏力均有所增强，带来的后果是极限环境设计条
件随之增加［1］，出于安全设计考虑，系泊系统的极限设计条件也随之提高。考虑到该 FPSO 较长的设计寿命 ( 30 年) ，采用 100 年一遇的环境条件作为极端设计条件会使得最终结果偏于危险。基于此，系泊系统的极 端设计条件从 100 年一遇增加到 500 年一遇。
须在台风季节进行，因为非台风季节会有长时间的季风环境。这就要求单点系统必须具有较短的回接时间， 同时停产时间必须短。基于此，第二种单点系统选为新建 FPSO 的单点系统［2］。
2 设计基础
2． 1 系泊缆安全系数 根据 API-RP-2SK，对于动态分析校核需要的安全系数要求见表 5，可解脱内转塔系统如图 1 所示。
3． China Shipbuilding Industry Corpsration Economic Research Center，Beijing 100101，China; 4． Offshore Oil Engineering Co． ，Ltd，Tianjin 300461，China)
Abstract: Quickly becoming one of the most common moorings for extreme design conditions is the internal turret mooring system． Available as either a permanent or a disconnectable system，the internal turret mooring is recognized for its versatility from shallow water to deep water depths． However，design of such mooring system meets some challenges in shallow water: 1) harsh environments in location; 2) large dynamic offset as low frequency motion; 3) enough restoring force of the mooring system． In this paper，a turret mooring system will be designed for a FPSO system in shallow water in South China Sea where the water depth of about 90 m． A newly build 150 000 DWT FPSO will be located in this field and the unit is kept by a single point mooring system of internal turret type． With response to the harsh environments ( 500year environments conditions) ，a dynamic analysis will be performed for the mooring system． It is conclude that the proposed mooring system is fully effective and functional
9． 3
9． 5
9． 6
1． 3 FPSO 内转塔形式 在造价、可靠性、操作简便性及安装时间等方面比较了三种主要的内转塔形式。 ( 1) 快速解脱内转塔系统: 投资高，安全性高，回接时间短，但是停产时间长; ( 2) 永久式系泊内转塔系统，配备浮筒和快速解脱设备: 投资高，安全性高，回接时间短，停产时间短; ( 3) 永久式系泊内转塔系统，无浮筒和解脱系统: 投资最低，安全性高，停产时间短，但是回接时间最长。 在中国南海北部的 FPSO 实际操作经验表明: 系泊系统的回接需要两周以上的天气窗口。这项工作必
Key words: single point mooring; shallow water; harsh enviroment
0 引言
一艘新建 15 万吨级 FPSO 将用于中国南海珠江口盆地的油田开发，此处水深 87 m。该 FPSO 使用内转
收稿日期: 2015-01-23 作者简介: 朱为全( 1981-) ，男，工程师。
Hs /m Tp /s 一小时平均风速 /( m /s) 表面流速 /( m /s)
表 3 FPSO 系泊系统 500 年一遇条件极值
波浪主导
波浪主导
重现期
重现期
100 年
500 年
100 年
500 年
13． 0
14． 2
12． 5
13． 6
14． 7
15． 2
14． 1
14． 6
39． 8
44． 0
( 2) 许用张力小于 4 329 kN;
( 3) 与其他海底结构物无碰撞;
图 1 可解脱内转塔系统
( 4) 与 FPSO 解脱后与海底基本无接触;
( 5) 至少满足 100 年一遇环境条件。
对于脐带缆:
( 1) 最小弯曲半径大于 3 m ;
( 2) 许用张力小于 500 kN ;
( 3) 与其他海底结构物无碰撞;
( 4) 与 FPSO 解脱后与海底基本无接触;
( 5) 至少满足 100 年一遇环境条件。
为了满足以上要求，立管需进行选型，最终确定采用陡波型立管; 为了保证立管系统的安全，系泊系统必
须有足够的定位能力。
3 系泊设计
设计寿命 /年
15． 3
42． 90
2． 26
15
16． 4
43． 80
2． 00
10
7． 2%
2． 1%
－ 11． 5%
资料年份 水深 /m
1995
300
2006
300
/
波、风、流主导下的条件极值见表 3，其中 500 年一遇的环境条件将作为系泊设计的环境输入条件。
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中国海洋平台
第 31 卷 第 2 期
期为 10 s 左右。
表 4 FPSO 主尺度信息
设计参数
压载
半载
满载
垂线间长 /m
254． 00
型宽 /m
48． 9
吃水 /m
11． 2
15． 3
17． 8
排水量 /t
125 711
174 547
205 542
纵向重心( 相当于船中沿船尾指向船头) /m
2． 508
1． 355
0． 809
重心高( 距基线) /m 横摇回转半径 Rxx / m 纵摇硅砖半径 Ryy / m 首摇回转半径 Rzz / m
第2 期
朱为全，等 浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
·17·
表 5 系泊张力安全系数设计要求
系泊系统状态 完整 破断
分析方法 动态 动态
安全系数 1． 67 1． 25
2． 2 立管限制条件
开发方案中有两根立管连接 DPP 平台和 FPSO，为一根 12 寸立管和一根脐带缆［3］。
对于立管:
( 1) 最小弯曲半径大于 4． 94 m;
( 1． 北京高泰深海技术有限公司，北京 100011; 2． 中海油研究总院，北京 100027;
3． 中船重工经济研究中心，北京 100101; 4． 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)
摘 要: 随着海洋石油资源的开发，内转塔单点系泊逐渐成为恶劣环境下 FPSO 定位的主流系泊方式之
41． 6
46． 0
1． 92
2． 12
1． 89
2． 09
流主导
重现期
100
500 年
13． 0
14． 2
14． 7
15． 2
38． 6
40． 8
2． 10
2． 32
1． 2 FPSO 主尺度信息 新建 FPSO 的主尺度见表 4。该 FPSO 的升沉固有周期为 11 s，横摇固有周期为 15 s 左右，纵摇固有周
4． 8%
500 YRPபைடு நூலகம்14． 2 15． 2 46． 0 2． 31
增加百分比 9． 2% 3． 4% 10． 6% 10． 0%
生产实施
LH FPS LH FPS 增加百分比
Hs /m 12． 98 13． 60 4． 8%
表 2 南海同一地点环境条件变化比较
极端设计条件( 100 YRP) Tp /s 一小时平均风速 /( m /s) 表面流速 /( m /s)
设计寿命 对应极端条件
Hs /m Tp /S 一小时平均风速 /( m /s) 表面流速 /( m /s)
表 1 FPSO 系泊系统极端环境条件比较
30 年
100 YRP
200 YRP
增加百分比
13． 0
13． 5
3． 8%
14． 7
14． 9
1． 4%
41． 6
43． 6
4． 8%
2． 10
2． 20
一。无论是可解脱系泊系统还是永久式系泊系统，内转塔单点系泊的水深适应性都得到了广泛的认可。然而，
对于浅水下的内转塔单点系泊设计有着如下的挑战: 恶劣的自然环境使得 FPSO 具有较大的低频漂移运动，系
泊系统需要有足够的恢复力特性。该文针对中国南海水深为 90 m 左右的 FPSO 设计内转塔单点系泊系统，该
使用如此严酷的环境条件作为计算设计条件，同时水深仅有 87 m，该 FPSO 的系泊系统设计遇到了较大 的挑战。该系泊系统必须具有足够的破断强度以保证缆绳的安全性，同时还需要有足够的恢复力特性以满 足 500 年一遇条件下立管的安全性。
该文采用时域分析方法对系泊系统进行计算分析，并进行系泊系统 － 立管耦合分析计算以校验所设计 的系泊系统是否满足立管要求。
ZHU Wei-quan2 ，LI Da1 ，GAO Wei2 ，DONG Lu2 ，WANG Xin4
( 1． COTEC Offshore Engineering Solutions，Beijing 100011，China; 2． CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China;
1 基本信息
1． 1 环境条件 新建 FPSO 位置水深为 87 m，环境设计条件见表 1。从 100 年一遇到 200 年、500 年一遇，有义波高分别
增加 4% 和 10% ，相应的谱峰周期增加 5% 和 10% ，表面流速分别增加 5% 和 10% 。同一地点设计条件变化 情况比较见表 2。从表 2 中可以发现，百年一遇的极端设计条件出现了非常明显的增加。
第 31 卷第 2 期 2016 年 04 月
文章编号: 1001-4500( 2016) 02-0014-07
中国海洋平台 CHINA OFFSHORE PLATFORM
Vol． 31 No． 2 Apr． ，2016
浅水恶劣环境下单点系泊系统设计
朱为全1 ，李 达2 ，高 巍3 ，董 璐1 ，王 鑫4
近年，若干级别较高的 台 风 袭 击 了 中 国 南 海 沿 岸，这 导 致 了 极 端 设 计 条 件 的 增 加。 一 般 情 况 下，对 于 20 年设计寿命的浮式设施，百年一遇的环境条件可以作为系泊系统的极端设计条件。新建 FPSO 有长达 30 年的设计寿命，相应的计算设计条件也应提高。考虑到南海极端设计条件长期的增长趋势，选择 500 年 一遇的环境条件作为该 FPSO 单点系泊系统的极端设计条件。