極端海況下深水單點系泊系統FPSO運動響應分析

袁洪濤，曾 驥，莫 建，康 莊，王 超，王鈺涵

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

(2.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著全球變暖，極端氣候環境現象越來越頻繁，某些極端的風浪流環境已經超出了海上設施的極限能力.在科學理解極端工況，建立極端工況分析模型以及在確保工作人員安全的前提下，正確評估船體的實際抗風浪流能力，減少船體結構的損壞，防止海洋污染是目前急需解決的問題.

FPSO在生命周期內都固定在目標海域，即使在百年一遇的極端海洋環境，也不會解脫進行避航作業，所以在各種海洋環境條件對FPSO的運動性能和系泊系統總體性能的預報也勢在必行.目前，有關極端海況條件下海上浮體運動響應的文獻并不是很多，而且大多集中在百年一遇的工況.文獻［1］中分析了百年一遇極端工況下FPSO系泊系統靜態和動態響應.文獻［2］中運用先靜力在位分析，再利用海洋環境回歸參數進行倒塌分析得到導管架平臺在極限環境條件下的極限承載力.文獻［3］中在時域分析時考慮系泊系統與FPSO的耦合作用，預報南海500年一遇季風和500年一遇臺風極端海洋環境條件下的運動響應和系泊纜受力，并在試驗水池進行FPSO在500年一遇臺風和500年一遇季風條件下的模型試驗，而且試驗結果與數值結果吻合良好.文獻［4］中對工作在墨西哥灣海域轉塔系泊方式FPSO在百年一遇極端海況極端條件下的運動響應進行研究，分析了FPSO在百年一遇極端海洋環境中的運動性能以及系泊線受力.文獻［5］中對塔系泊方式FPSO在線性和非線性環境條件的運動響應分別進行了數值和試驗研究.文獻［6］中研究了百年一遇的颶風環境中內轉塔系泊的FPSO的運動響應，并且進行時域分析計算，得到了FPSO在颶風環境運動時歷曲線.文獻［7］中對單點系泊系統FPSO在瞬時風速可達50 m/s的暴風海況條件下的運動響應分析計算.文獻［8］中采用時域耦合分析方法對單點系泊系統FPSO在914.4 m水池、1 828.8 m水池以及3 048 m水深的運動響應做分析研究，分析過程中考慮立管和系泊纜的耦合作用，并對不同阻尼系數對FPSO運動響應影響進行比較分析，研究結果表明建立全耦合FPSO數值模型是有必要的;文獻［9］中定量分析了系泊系統不同參數對FPSO系統抵抗環境載荷能力的影響;文獻［10］中采用理論結合試驗的方法研究了試驗過程中，不同的系泊纜參數對實驗準確性的潛在影響;文獻［11］中探究了布鏈形式、預張力對系泊系統整體的影響，提出了適合于環境載荷的大型集裝箱船碼頭系泊形式.文中主要分析了500年一遇波浪主控環境條件下Nominal波峰Tp，95%Tp和 97% 有義波高 Hs，90%Tp和 92%Hs，85%Tp和87%Hs，500年一遇海況風主控環境條件，500年一遇海況流主控環境條件，為FPSO的基本設計和詳細設計提供依據，用數值模擬的方法預報極端海洋環境下的運動響應和系泊系統總體性能，獲得的結果對于今后海洋工程領域的研究具有參考意義.

1 錨泊系統的耦合分析

1.1 FPSO輻射繞射分析

在進行時域耦合分析之前，必須運用三維勢流理論對平臺進行輻射繞射分析.通過運動方程式(1)，求解在不同的波浪入射角和頻率的規則波下平臺的運動響應，即RAO.

式中:Ms為平臺質量矩陣;Ma為平臺附加質量矩陣;C為平臺阻尼矩陣;Ks為平臺總剛度矩陣;F為平臺受到的波浪力矩陣;ω為入射波頻率.

1.2 系泊線受力分析

AQWA軟件采用基于懸鏈線法有限元法分析系泊線靜態受力，具體的懸鏈線方程式見(2～5)，動態受力采用集中質量法.應用離散思想對系泊纜進行分段，段與段之間通過有質量的節點進行連接，段是沒有質量的且被看作是剛體或者彈性體，同時假設系泊纜的重力、浮力、慣性力以及流體拖曳力等都集中作用于節點上，每段系泊纜的質量、附連水質量和流體拖曳力平均分配到每段兩端的節點上.

式中:H為系泊線頂部水平張力;l為單位長度;V為系泊線頂部垂向張力;T為總張力;L為系泊線未變形的原長;AE為單位長度系泊線剛度;X為系泊半徑;w為單位長度濕重;Z為系泊線的垂直高度.

1.3 時域耦合分析

浮體的水動力分析采用間接時域法、水動力計算軟件AQWA基于三維勢流理論，分別對浮體的幅值響應函數、一階波浪力、波浪漂移力、附加質量和阻尼系數等水動力參數進行數值求解.得到水動力參數后應用傅里葉變換在全耦合分析軟件OrcaFlex中進行時域分析.浮體運動方程可表示為:

式中:Ms為浮體質量;Ma為浮體附加質量;K為靜水剛度;x(t)為位移矢量;h(t)為加速度卷積積分函數;F(t)為總的外部力，包含波浪激勵力、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等.

最后利用全耦合的方法分析浮體及系泊纜的耦合運動，其運動方程為:

式中:M為系統慣性力矢量;C為系統阻尼力矢量;K為系統基于單元剛度的每一瞬時應力;F包括重力、浮力、系泊力、海洋環境力和一些特定的外力等.

2 FPSO系泊系統以及環境參數

2.1 FPSO系統參數

表1為15萬噸FPSO具體參數.圖1，2分別為FPSO有限元模型和系泊線布置方式，系泊線采用三段式結構，系泊線具體參數見表2.

表1 FPSO主尺度參數及屬性Table 1 Principle dimension and properties of FPSO

圖1 FPSO有限元模型Fig.1 Finite element model of FPSO

圖2 系泊布置分布Fig.2 Mooring line arrangement

表2 15萬噸FPSO系泊系統參數Table 2 Mooring system parameters of 150000 DWT FPSO

2.2 環境參數

驗證15萬噸單點系泊的FPSO在500年一遇極端海況條件下FPSO的運動響應以及單根系泊線張力響應.具體的環境工況如表3～6所示.表中:Hs為有義波高，Tp為波峰，θwα為波浪角度，Vwi為風速，θwi為風向，Vcu為流速，θcu為流向.

表3 500年一遇海況波浪主控環境條件Table 3 Environmental conditions under 500-year return period induced by wave

表4 500年一遇海況風主控環境條件Table 4 Environmental conditions under 500-yearreturn period induced by wind

表5 500年一遇海況流主控環境條件Table 5 Environmental conditions under 500-yearreturn period induced by current

表6 500年一遇海況波浪主控環境條件—95%Tp，97%HsTable 6 Environmental conditions under 500-year return period induced by wave(95%Tp＆97%Hs)

3 計算結果及分析

時域計算采用數值軟件OrcaFlex，表7為500年一遇極端海況條件下FPSO的運動響應以及單根系泊線張力F響應，從圖3～5中可以看出，500年一遇的海況環境下FPSO壓載狀態下運動響應幅值明顯大于滿載狀態下的運動響應幅值，部分工況壓載狀態比滿載狀態下縱蕩位移D超出100 m;環境條件為500年一遇海況風主控環境條件時，FPSO滿載載況時比500年一遇海況流主控環境條件時要縱蕩橫蕩值大，但是FPSO壓載載況時要小.這是由于壓載載況時，FPSO受風面積大，風對該FPSO影響比流的影響要大.由表8可以看出，不同Hs和Tp對FPSO動態響應影響也不一樣，無論滿載和壓載載況，低的Hs和Tp都可以降低FPSO的縱蕩和橫蕩值.當風浪流成夾角時，系泊線受力最大.

表7 極端海況條件下FPSO的運動響應以及單根系泊線張力Table 7 FPSO Motion response and mooring line tension under extreme sea conditions

圖3 波浪主控環境結果對比Fig.3 Comparison results under wave dominate condition

圖4 風主控環境結果對比Fig.4 Comparison results under wind dominate condition

圖5 流主控環境結果對比Fig.5 Comparison results under current dominate condition

表8 500年一遇海況波浪主控環境條件不同Hs和Tp下FPSO的運動響應以及單根系泊線張力Table 8 FPSO motion response and mooring line tension under wave dominate condition

4 結論

1)應用大型水動力軟件AQWA和OCRAFLEX對15萬噸深水單點系泊系統FPSO在500年一遇海況風浪流各主控環境下進行了頻域和時域分析，經過頻域分析得到了RAO和QTF等一系列水動力參數.FPSO在極端的海洋環境中產生的大幅慢漂運動對FPSO的安全有著至關重要的影響，通過動態耦合分析，獲得了FPSO在極端海況下的運動響應和系泊系統的總體性能.

2)FPSO壓載狀態下運動響應幅值大于滿載狀態下的運動響應幅值，不同的主控環境對FPSO的運動響應影響也不一樣，波浪主控環境對FPSO運動的影響最大.風和流的影響與FPSO船型具體的風流系數關系密切.Tp和Hs對FPSO的運動響應幅值也有較大的影響且風浪流成夾角作用時對FPSO運動響應的影響更加明顯.

3)風與流對錨泊線的影響相比于普通環境有較大程度的增強.波浪入射角的方向對系泊線的張力影響較大，滿載狀態下的系泊線最大張力又比壓載狀態下的系泊線張力大.

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