浮筒转塔式系泊系统中的动态管缆数值分析

　　摘要： 借助有限元法，结合非线性时域分析，对浮筒转塔式系泊（Buoyant Turret Mooring， BTM）系统与FPSO脱离前后分别采取不同的分析策略，解决其柔性立管、动态脐带缆和动态电缆（合称动态管缆）的设计分析工作量大以及所面临的高度非线性和强耦合等难题.以我国南海某BTM系统的动态管缆的分析为例，借助专业立管分析软件Orcaflex展示该类系统的数值建模和分析技术，并通过极值和疲劳的分析与评价阐述此类工程设计的技术特点. 

　　关键词： 柔性立管； 脐带缆； 单点系泊系统； 非线性时域分析； 耦合分析 

　　中图分类号： TE53；TB115.1文献标志码： B 

　　Abstract： As to the tremendous workload and highly nonlinear and strong coupling issues in the calculation and analysis on the flexible risers， dynamic umbilical cables and dynamic electric cables（collectively called the dynamic pipe/cable）of Buoyant Turret Mooring（BTM） system， by finite element method combined with nonlinear time domain analysis， some different strategies are separately taken before or after the mooring system detached from FPSO. Taking the dynamic pipe/cable analysis of a BTM system in South China Sea as an example， the professional riser analysis software Orcaflex is used to show the modeling and analysis techniques on this system， and the characteristics of the technique of such kind of project design are elaborated by the analysis and estimate on extreme value and fatigue. 

　　Key words： flexible riser； umbilical cable； single point mooring system； nonlinear time domain analysis； coupling analysis 

　　0引言 

　　目前用于我国南海油气田开发的FPSO常采用浮筒转塔式系泊（Buoyant Turret Mooring，BTM）系统定位，其基本理念是当风浪达到一定危险程度时，FPSO可与BTM系统脱离，脱离后通过一个浮筒支持系泊系统与水下管缆悬浮在水下一定位置.这种系统下的柔性立管、动态脐带缆和动态电缆（以下合称为动态管缆）往往采用缓S型设计，采用中水浮拱（Middle Water Arch， MWA）支撑管缆中段，见图1. 

　　水下管缆的整体分析包括静力分析和动力分析.从整体结构上看，这类细长结构的几何大变形/大转角问题十分突出，早期将悬链线理论与数值迭代方法相结合解决上述难题.[1]管缆截面螺旋缠绕的多层结构不仅使其弯曲刚度远小于轴向刚度，而且因为层间摩擦的作用，其具备显著的非线性特性.[23]同时，也需考虑动态管缆与弯曲保护装置、浮力装置之间的接触摩擦.因此，非线性时域方法是解决上述问题的主要方法.国外开发如Orcaflex，Flexcom和Riflex等专业海洋立管分析软件，均具备非线性时域分析能力.在API和DNV等海洋管缆相关的行业规范中，对非线性时域分析也有明确要求.[45] 

　　由于分析工况多、计算量大、设计周期长，动态管缆的设计一直是工程界的难题.[6]对BTM这类可脱离的单点系统的分析，不仅工况更多，而且还面临着管缆与BTM系统动力学耦合的难题.因而，动态管缆的设计对分析软件和分析技术均有较高的要求.本文对BTM系统下的管缆分析原理和分析技术进行简要阐述，并以我国南海某浅水油气田BTM系统下的动态管缆为实例，应用Orcaflex软件进行建模和时域分析，介绍工程设计所关注的极值和疲劳分析，为此类系统的柔性管缆数值分析提供较为完整的分析流程和技术思路. 

　　1基本原理和方法 

　　适用于上述系统设计的数值仿真程序应具备以下能力：能够对波浪、流以及浮体响应进行模拟；具有适合的管缆单元模拟非线性行为；能够采用时域法对管缆进行动力分析；能够进行BTM与FPSO脱离后的管缆系泊浮筒的全耦合动力学分析.