FPSO水動力特性及系泊系統(tǒng)載荷特性分析方法研究

趙　珂　羅　昆　李盈盈

（1.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶　400074；2.中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海　201206；3.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，四川　成都　610041）

FPSO水動力特性及系泊系統(tǒng)載荷特性分析方法研究

趙珂1羅昆2李盈盈3

（1.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶400074；2.中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海201206；3.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，四川成都610041）

為保證海上油氣生產(chǎn)儲油裝置FPSO能夠抵御百年一遇的惡劣海況，其水動力特性及系泊系統(tǒng)載荷特性的研究就顯得十分必要。基于此，利用ANSYS-AQWA的頻域模塊AQWA-LINE預(yù)報(bào)了FPSO水動力系數(shù)和運(yùn)動響應(yīng)，并采用模型做靜水衰減的數(shù)值實(shí)驗(yàn)獲得了橫搖阻尼系數(shù)；利用時(shí)域模塊AQWA-DRIFT對FPSO船體和系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合數(shù)值分析，計(jì)算了內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊定位下FPSO運(yùn)動性能和系泊纜的張力特性。最后采用論文中提出的分析方法，在最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下，評估了某FPSO能否抵御百年一遇海況。

FPSO；系泊系統(tǒng)；水動力特性；耦合數(shù)值分析

近年來，陸地資源日漸減少，海上油氣資源開發(fā)越來越受到各國關(guān)注，F(xiàn)PSO系統(tǒng)（Floating Production，Storage and Offloading System）是當(dāng)今熱門的海上油氣處理設(shè)施，集油氣處理、儲油、卸油、發(fā)電、中控和生活為一體。FPSO通過單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長期固定于海上進(jìn)行作業(yè)，因此它既有油輪的特點(diǎn)又具有固定式平臺的功能［1］。它不像一般船舶那樣，在遇到惡劣風(fēng)浪時(shí)可以避航。因此，正確地給定海洋環(huán)境條件以及準(zhǔn)確地分析FPSO系泊系統(tǒng)載荷特性顯得十分重要。

在中國南海作業(yè)的“海洋石油115”號于2008年5月正式投產(chǎn)。海洋環(huán)境條件引起的載荷包括波浪載荷、風(fēng)載荷及流載荷等，對浮體運(yùn)動時(shí)歷的模擬和系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度分析成為工程上重點(diǎn)關(guān)注的問題，因此需要發(fā)展完全耦合的水動力時(shí)域數(shù)值分析模型［2］。現(xiàn)階段，重現(xiàn)期為100年的環(huán)境參數(shù)要遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的條件極值，其單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的強(qiáng)度能否保證FPSO抵御最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)下百年一遇海況成為不容忽視的問題。

本文借助水動力軟件AQWA中頻域模塊AQWALINE，采用三維勢流理論，對“海洋石油115”號進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到各個(gè)頻率下的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，各個(gè)頻率和浪向下的一階、二階傳遞函數(shù)等水動力參數(shù)，建立頻域下的水動力參數(shù)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而用于后續(xù)采用時(shí)域方法研究FPSO船體的水動力性能。采用模型靜水中自由衰減數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法得到了橫搖阻尼系數(shù)。利用水動力軟件AQWA中時(shí)域模塊AQWA-DRIFT，對FPSO及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合時(shí)域數(shù)值分析，模擬計(jì)算了在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下，內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊定位的FPSO船體運(yùn)動性能和各系泊線的受力情況，并根據(jù)《CCS海上移動平臺入級與建造規(guī)范》［3］對其系泊系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

1　理論模型與計(jì)算方法

1.1坐標(biāo)系系統(tǒng)

為了便于描述船舶運(yùn)動，引入右手坐標(biāo)系O-XYZ，原點(diǎn)位于艉垂線與基線的交點(diǎn)，X軸平行于船體基線指向船艏，Y軸與X軸相垂直并指向左舷，Z軸豎直向上。

風(fēng)浪流方向是根據(jù)風(fēng)浪流方向角來確定的，風(fēng)浪流方向角是指坐標(biāo)系X軸正向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到風(fēng)浪流傳播方向所形成的夾角。其中，隨浪方向?yàn)?°，迎浪方向?yàn)?80°。

1.2風(fēng)載荷和流載荷計(jì)算方法

《CCS海上移動平臺入級與建造規(guī)范》中關(guān)于構(gòu)件上的風(fēng)載荷計(jì)算的公式為：

式（1）中，V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；S為平臺在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積m2；Ch為受風(fēng)構(gòu)件的高度系數(shù)；Cs為受風(fēng)構(gòu)件的形狀系數(shù)。

構(gòu)件上的海流載荷計(jì)算公式如下：

式（2）中，CD為曳力系數(shù)；ρW為海水密度，kNs2/m4；V為設(shè)計(jì)海流流速，m/s；S為構(gòu)件在與流速垂直平面上的投影面積，m2。

1.3二階波浪力

二階力［4］表達(dá)式為：

式（3）中，Pij為同相位的時(shí)域傳遞作用部分，Qij為不同相位的時(shí)域傳遞作用部分。當(dāng)忽略了頻域的結(jié)果后可以得到：

紐曼近似條件為：

基于以上近似條件的式子可以寫為：

式（7）中，wi、wj為每一對波浪成分的頻率；ai、aj為波浪成分的幅值；εi、εj為輻射相位角。

2　計(jì)算模型

2.1FPSO主參數(shù)

本文計(jì)算的“海洋石油115”號具體參數(shù)和裝載工況見表1。本文利用AQWA軟件進(jìn)行頻域和時(shí)域計(jì)算所使用的“海洋石油115”號濕表面網(wǎng)格模型見圖1。

表1　“海洋石油115”主參數(shù)T

2.2系泊纜索主參數(shù)及系泊纜索分布位置

“海洋石油115”號所使用系泊纜索為錨鏈和鋼芯鋼絲繩交替相接，錨泊系統(tǒng)具體參數(shù)見表2。圖2中給出“海洋石油115”號系泊系統(tǒng)各系泊纜分布位置及編號，系泊纜每3根為一組，每根錨鏈之間夾角為5°，系泊纜一共3組，各組之間夾角120°。

表2　系泊系統(tǒng)主參數(shù)

圖2　系泊纜索分布位置示意圖

圖3　靜水中橫搖運(yùn)動自由衰減曲線

2.3橫搖阻尼修正系數(shù)

由于黏性和渦流等因素的影響，實(shí)際上船舶橫搖阻尼力矩具有明顯的非線性，而按勢流理論計(jì)算的行波阻尼只是其中的一部分。為了合理地預(yù)報(bào)船舶橫向運(yùn)動，必須考慮橫搖阻尼的非線性，并對其進(jìn)行等價(jià)線性化處理。

在計(jì)算中增加附加橫搖阻尼即可考慮橫搖阻尼的非線性，并且利用三維線性勢流理論解決時(shí)域問題。利用ANSYS-AQWA軟件對模型進(jìn)行靜水衰減數(shù)值試驗(yàn)［5］，使附加橫搖阻尼達(dá)到臨界阻尼的5%～10%，即可完善對橫搖阻尼非線性的考慮。圖3為靜水中橫搖運(yùn)動自由衰減曲線，本文計(jì)算所填入的附加橫搖阻尼為臨界阻尼的5.23%。

2.4環(huán)境參數(shù)

近年來，中國南海極限海況環(huán)境參數(shù)要比設(shè)計(jì)初期極限海況環(huán)境參數(shù)惡劣，根據(jù)實(shí)際測得百年一遇海況參數(shù)設(shè)定計(jì)算工況。實(shí)際測得海況數(shù)據(jù)中有分別對應(yīng)壓載狀態(tài)、中等裝載狀態(tài)、滿載狀態(tài)的百年一遇海況參數(shù)，由于FPSO作業(yè)時(shí)處于中等裝載狀態(tài)的工況比較多，因此選定中等裝載狀態(tài)作為主要計(jì)算目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)FPSO所經(jīng)歷的海況條件設(shè)定了20種中等裝載狀態(tài)下的計(jì)算工況，見表3。

表3　中等裝載狀態(tài)下計(jì)算工況

3　計(jì)算結(jié)果

3.1頻域計(jì)算結(jié)果（RAO）

以中等裝載狀態(tài)為例，對FPSO進(jìn)行頻域分析得到FPSO船體運(yùn)動幅值響應(yīng)、附加質(zhì)量、附加阻尼等數(shù)據(jù)作為時(shí)域內(nèi)船體/系泊系統(tǒng)耦合分析的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，其中FPSO船體運(yùn)動幅值響應(yīng)結(jié)果見圖4～9。

圖4　縱蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)

圖5　橫蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)

圖6　垂蕩運(yùn)動幅值響應(yīng)

圖7　縱搖運(yùn)動幅值響應(yīng)

圖8　橫搖運(yùn)動幅值響應(yīng)

圖9　艏搖運(yùn)動幅值響應(yīng)

3.2風(fēng)流載荷曲線

根據(jù)本文提出的公式，計(jì)算FPSO風(fēng)力系數(shù)和流力系數(shù)，由于FPSO形狀比較規(guī)整，近似認(rèn)為流作用力作用于重心位置，因此流力曲線中沒有流載荷力矩的項(xiàng)。如圖10、11所示為風(fēng)力系數(shù)曲線和流力系數(shù)曲線。

圖10　風(fēng)力系數(shù)曲線

圖11　流力系數(shù)曲線

3.3系泊系統(tǒng)強(qiáng)度校核

利用AQWA-DRIFT模塊對FPSO與系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合時(shí)域分析，可以得到錨鏈張力隨時(shí)間變化曲線，圖12以工況17中第4根錨鏈為例給出錨鏈張力隨時(shí)間變化曲線。

錨鏈張力最大值取錨鏈張力時(shí)歷曲線中最大值，錨鏈張力許用值根據(jù)《CCS海上移動平臺入級與建造規(guī)范》中對錨纜安全系數(shù)的規(guī)定，取為2.0。鋼芯鋼絲繩最小破斷力為1 735t，因此許用張力值為867.5t，將錨鏈張力最大值與許用張力值相比較，實(shí)現(xiàn)從錨泊系統(tǒng)強(qiáng)度方面評估FPSO能否抵御百年一遇海況。

各工況下錨鏈張力最大值見表4。由表4計(jì)算結(jié)果可知：在中等裝載狀態(tài)下，計(jì)算工況中各錨鏈最大張力值均未超過許用值，因此在中等裝載狀態(tài)下，“海洋石油115”號能夠抵御現(xiàn)階段百年一遇海況。

圖12　錨鏈張力時(shí)歷曲線

4　結(jié)語

對于FPSO水動力特性及其系泊系統(tǒng)載荷特性的問題，提出了利用ANSYS-AQWA軟件進(jìn)行頻域和時(shí)域分析的方法，該方法適用于各種海況下對FPSO與其系泊系統(tǒng)耦合時(shí)域數(shù)值分析。基于最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出“海洋石油115”號系泊系統(tǒng)能夠抵御百年一遇海況。本文提出了對模型進(jìn)行靜水衰減數(shù)值試驗(yàn)的方法來處理橫搖阻尼修正系數(shù)的問題，操作簡便，計(jì)算準(zhǔn)確。

表4　各工況下錨鏈張力最大值　t

［1］魏躍峰.浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪_FDPSO_水動力性能及概念設(shè)計(jì)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2012.

［2］肖龍飛.FPSO水動力研究與進(jìn)展［J］.海洋工程，2006 （11）：116-124.

［3］中國船級社.CCS海上平臺入級與建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］劉應(yīng)中，黃慶玉.系泊系統(tǒng)動力分析的時(shí)域方法［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（11）：7-12.

［5］馬山，段文洋，王冰，等.三體船在斜浪規(guī)則波中運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報(bào)方法研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2012（2）：224-230.

Research on the Analysis Method of FPSO Hydrodynamic Characteristics and Load Characteristics of Mooring Systems

Zhao Ke1Luo Kun2Li Yingying3
（1.School of Shipping and Naval Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074；
2.CIMC Ocean Engineering Design&Research Institute，Shanghai 201206；
3.Chengdu Aircraft Design and Research Institute，Aviation Industry Corporation of China，Chengdu Sichuan 610041）

To ensure the safety of FPSO working in the ocean under hundred-year extreme conditions，it is very necessary to research on the hydrodynamic characteristics and load characteristics of mooring system. Based on this，frequency domain program AQWA-LINE of software ANSYS-AQWA was used to forecast FPSO hydrodynamic coefficients and the response of motion.Roll damping coefficients were obtained by numerical simulations of decay test in still water.The time domain program AQWA-DRIFT was used to analyze the coupling effect of FPSO hull and mooring system.The motion performance of FPSO with single point mooring positioning and tension properties of mooring line were calculated.Finally，the analysis method proposed in this paper was used to evaluate whether the FPSO could resist the hundred-year extreme conditions based on the latest statistics.

FPSO；mooring system；hydrodynamic characteristics；coupled numerical analysis

TE975

A

1003-5168（2016）05-0041-06

2016-04-08

趙珂（1988-），女，碩士，助教，研究方向：結(jié)構(gòu)物水動力特性，流固耦合。