渤海環境條件對FPSO運動及系泊響應的影響研究

李牧

（中海油能源發展采油服務公司天津300451）

渤海環境條件對FPSO運動及系泊響應的影響研究

李牧

（中海油能源發展采油服務公司天津300451）

環境因素是影響FPSO船體運動的主導因素，因此掌握環境因素對船體運動影響的基本規律，有利于作業者根據環境條件對船體運動情況做出大致判斷，合理選擇不同環境條件下的裝配載措施。本文主要運用統計分析方法對渤海曹妃甸作業區112FPSO現場監測數據中的環境監測數據和船體運動監測數據進行研究，總結得到環境數據對船體運動、系泊響應之間的統計回歸關系，從而為海上進行FPSO運動及系泊力快速預報提供理論支持依據。

FPSO運動；系泊響應；監測數據；統計分析；回歸關系

1 引言

目前國內所應用的浮式生產儲油裝置(FPSO)均采用單點系泊系統，此種系泊系統可使得FPSO在海上作業時具備風向標效應，使其受到最小的系泊力。由于FPSO處于海上風浪多變的復雜環境之中，自身存儲原油載重變化不斷，加上FPSO連接外輸油船對船體本身產生拉力，因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力異常復雜[1-2]。近年來，海洋環境條件愈加惡劣，超強臺風頻頻出現，頻發的單點事故導致了嚴重的經濟損失及社會影響。對FPSO軟剛臂系泊系統進行實時、全面、長期的現場監測，實時掌握單點系泊系統的狀態，是對系泊結構進行安全評估最有效的途徑[3]。能夠為作業者提供及時準確的系泊安全性信息，及時對單點潛在危險進行預警，確保單點系泊系統的安全生產。經過監測系統一段時間的運行，已經記錄了一定的實測數據，這些數據的分析處理作為系泊在線監測系統的延續成為亟待研究的問題。

本文目標監測數據來源于位于渤海曹妃甸11-1/2油田的海洋石油112現場監測系統。監測內容主要包括：單點受力測量、環境監測和FPSO運動監測三個部分。通過對系泊監測數據的處理，研究并掌握實測數據的分析方法，研究環境對FPSO船體運動情況的影響，挖掘數據潛在的意義，并對日常生產及應急管理提供合理化建議，也可為上層決策提供科學依據。

2 理論基礎

2.1 數據分析方法

海洋工程結構物在服役過程中，將不間斷地遭受到各種條件海洋環境的作用。因此，海洋環境是影響海洋工程結構的安全服役的主要因素之一，沒有對相應位置的特殊環境條件的清晰認識，海洋工程結構物設計將無從談起。通常來講影響海洋工程結構物設計的環境因素包括：風、浪、流等，在某些特定的區域，還應考慮內波、地震和海冰的影響。

2.1.1 風設計值

風設計值的獲取與波浪設計值的獲取方法相同。依靠足夠次數的觀察，建立經驗分布函數。基于這些函數，修正韋布爾律或其他漸近律。通過外推，得出十年一遇、百年一遇等設計值。

風速的長期分布一般采用通用的分布函數或散布圖來表示。除非實測數據顯示嚴重不符，否則在參考高度的處10分鐘平均風速的變化情況用韋布爾分布來表示[4]：

式中，系數和由實測數據確定。

對應于一定回歸周期內的最大分速，其概率可近似表示為：

2.1.2 浪

海洋結構物在生存期間將經歷無數次波浪的作用，對于海上的油田設施而言，一般認為三小時內的海況是不變的，即波浪的平均統計特性不變。每個海況包括一系列波高和周期可變化的波浪。通過對這些波浪應用極其精確的方式加以描述，從而可將它與水動力載荷聯系在一起。目前對于波浪測量數據的分析方法主要有：逐波分析和譜分析[4]。

2.1.3 流

在某一給定近海位置，流是洋流、潮流和風共同作用下表面水團的驅動效應的疊加結果。流的強度和方向在不同深度的水層中會發生變化，一般來說，流剖面圖分為十年一遇的速度“剖面圖”、百年一遇的速度“剖面圖”等。

典型洋流可分為：風致流、潮汐流、循環流、渦流、孤立流、沿岸流。

2.1.4 相關性及回歸分析

測度相關關系的方式有三種，即相關表、相關圖和相關系數。相關表是一種反映變量之間相關關系的統計表。是將某一變量按其取值的大小排列，然后在將與其相關的另一變量的對應值平行排列，便可得到簡單的相關表。相關表和相關圖是研究相關關系的直觀工具，它們只能對現象之間存在的相關關系的方向、形式和密切程度作大致的判斷，而不能說明其密切程度的大小。因此，需要計算相關系數[5]。

根據線性相關變量的多少、分析問題的角度不同，相關系數可以分為簡單相關系數、偏相關系數和復相關系數。

2.2 基礎數據

本次研究主要針對海洋工程設施現場監測數據的后處理方法展開，目標監測數據來源于位于渤海曹妃甸11-1/2油田的海洋石油112現場監測系統。監測內容主要包括：SPM受力測量、環境監測和FPSO運動監測三個部分，本報告中用到的監測數據如下：

1)該系統環境數據的監測內容主要包括：

-風速、風向-氣溫、濕度和氣壓

-浪高、周期和波向-剖面流速和流向測量

本報告研究內容主要針對風、浪、流三種環境要素。每種環境要素均采用不同的采樣頻率。具體監測內容詳細說明如下表：

FPSO系泊力的監測采用間接測量的手段，通過監測YOKE和系泊鏈角度，利用力學原理反算出系泊系統受力。各個監測要素的數據說明如下：

表2 ～3系泊力監測數據說明

表2 ～2船體運動監測數據說明

表2 ～1海洋環境監測數據說明

2)FPSO運動和位置監測

-FPSO艏向

-FPSO運動姿態和位置

3)SPM系泊力監測

-系泊錨鏈角度

-系泊支撐結構應變

針對FPSO運動和位置的監測主要包括：船體位置（緯度、經度）、艏向、橫搖、縱搖、東向速度、北向速度、高度（垂蕩），各個監測要素的數據說明如下：

上述數據來自2015年1月至2015年12月系統自動保存的原始數據，因此在數據分析過程中根據技術要求進行必要的甄別和篩查工作。

3環境條件對船體運動影響規律

環境因素是影響船體運動的主導因素，因此掌握環境因素對船體運動影響的基本規律，有利于作業者根據環境條件對船體運動情況做出大致判斷，合理選擇不同環境條件下的裝、配載措施。

3.1 艏向

由于單點系泊系統本身具有風向標效應的特點，隨著環境條件的變化艏向也隨之發生變化。本節主要針對這一變化規律進行了總結，分別就風、浪、流與船體艏向之間的影響規律進行逐個分析，得出了在不同強度的風、浪、流條件下，兩者之間相對夾角之間的關系。

圖3 .1 1風速&相對風向聯合分布圖

圖3.1～2風速VS相對風向變化規律

圖3 .1-1直觀展示了不同風速下對應的相對方向變化情況，由圖可知，大部分工況出現在風速10m/s以下，10m/s以上的風速出現概率較小。除此之外，不同風速下不同相對風向都有可能出現，但出現概率不同。（注：相對風向表示風向與艏向之間的夾角）

圖3 .1～3波高VS相對浪向聯合分布圖

圖3 .1～4波高VS相對浪向變化規律

艏向的變化受多種環境因素的影響，因此不同風速與相對風向的變化并非一一對應，但兩者之間存在一定的總體變化規律，如圖3.1~2。隨著風速的增大相對風向逐步減小，兩者之間存在近似線性的關系。由于目前現有數據中大于12m/s風速的工況較少，個別工況不具有代表性，因此在回歸分析過程中作為錯誤數據進行處理。圖3.1~3直觀展示了波高對應的相對浪向分布情況，由圖可知，在波高較低的工況下，相對浪向的分布較為平均，隨之波浪的增加相對浪向在小夾角出現的概率逐步增大。由圖3.1~4可知，隨著波高的增加相對浪向的角度逐步減小，并大致呈現線性關系。由擬合曲線第一點工況數量足夠大但不符合變化規律可知，波高并不能唯一確定艏向的位置，艏向位置應由環境中較強的要素予以確定。圖3.1~5直觀展示了流速對應相對流向的分布情況，由圖可知，相對流向主要集中在180°附近，即流向與艏向為反向。且兩者之間的變化規律相對明顯，說明流對艏向的影響相對強烈。由圖3.1~6可知，隨著流速的增加相對流向逐步向180°接近并趨于平穩，整體變化趨勢呈二次變化關系。結合圖3.1~5及3.1~6可知，流速對艏向的影響系數較大，但艏向的最終確定依然是風、浪、流等環境要素聯合作用的結果。

圖3 .1～5流速VS相對流向聯合分布圖

圖3 .1～6流速VS相對流向變化規律

3.2 橫搖運動

橫搖是衡量FPSO運動性能的一項重要指標，橫搖運動過大會直接影響海上的作業安全，從而造成停產，因此有必要分析環境要素與FPSO橫搖運動之間的影響規律，以便在生產設計中作為參考。由于橫搖運動的均值經常受FPSO裝載情況影響，因此本小節不對橫搖運動的均值做重點研究，研究過程中僅考慮波浪與橫搖運動之間的影響規律。由于波浪相對船體的入射角各不相同，為了考慮入射角對波高的影響，引入了相對波高的概念，即將波高在船體艏向的垂直方向上進行了分解。

圖3 .2～1波高、周期與橫搖角標準差散布圖（0°～45°）

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角小于45°時，波高及周期對船體橫搖運動的影響如圖3.2~1所示。

圖3 .2～2相對波高、周期與橫搖角標準差散布圖（0°～45°）

考慮波浪入射角的影響，將波高在船體艏向垂直方向上進行分解，得到相對波高、周期對船體橫搖運動的影響圖3.2~2，總體變化規律與圖3.2~1相似。

圖3 .2～3波高、周期與橫搖角標準差散布圖（45°～135°）

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角為45°~135°之間時,波高及周期對船體橫搖運動的影響如圖3.2～4所示。由圖可知，整體規律及標準差分布情況不具有特別明顯的規律性。

圖3 .2～4相對波高、周期與橫搖角標準差散布圖（45°～135°）

綜上分析，波浪對船體橫搖運動的影響關系相對復雜，涉及到波高、周期和船體裝載情況等因素。因此上述分析中規律不顯著的主要原因有：1.橫搖運動涉及影響因素眾多，目前監測數據有限無法完成各分情況的討論；2.目前監測數據中環境條件較為溫和，橫搖運動相對較小，各個影響因素的影響效果難以區分。

3.3 縱搖運動

縱搖運動的大小直接關系到系泊鏈張力的變化，且縱搖運動的固有周期處于一般波浪頻率范圍內，且普遍認為是波浪誘導的波頻運動響應，本小節主要討論波浪與船體縱搖運動之間的關系。

圖3 .3～1波高、周期縱搖角標準差散布圖（0°～45°）

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角小于45°時，波高和周期對船體縱搖運動的影響如圖3.3~1所示。縱搖角隨波高增加而逐步增大的規律較為明顯，但波周期與縱搖角之間的變化規律較為模糊，這與波浪周期主要集中在6s以內，而波周期大于6s的工況數量有限。

圖3 .3～2相對波高、周期與縱搖角標準差散布圖（0°～45°）

在考慮波浪入射角度的影響后，浪向與艏向夾角小于45°時，波高和周期對船體縱搖運動的影響規律與上圖相同，但與目前監測數據中環境條件較為溫和有關，因此入射角對縱搖運動的影響，需要進一步進行討論。

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角在45°~135°之間時，波高和周期對縱搖角的影響如圖3.3~3。波高和周期對縱搖角的影響有限，但也與環境條件較為溫和有關，需要進一步進行分析。

圖3 .3～4相對波高、周期與縱搖角標準差散布圖（45°～135°）

在考慮波浪入射角度影響的情況下，波向與艏向夾角在45°~135°之間時，波高和周期對縱搖角的影響規律與上圖相似，說明在溫和的環境條件下，波浪入射角度對船體縱搖運動的影響有限。

綜上分析，在溫和環境條件下，波浪對船體縱搖運動的影響主要發生在迎浪條件下，且在周期較小時，波浪周期對船體縱搖運動的影響有限。對于波浪入射角的影響還需要進一步進行討論。

3.4 縱蕩運動

縱蕩運動是影響系泊系統回復力的直接因素，掌握環境條件對船體縱蕩運動的影響規律即可對照剛度曲線估算系泊系統回復力。故本小節分別針對風、浪、流對船體縱蕩運動的影響規律進行了總結。

圖3 .4～1風速VS縱蕩運動變化規律

由圖3.4~1所示，隨著風速的增大船體縱蕩運動逐步增大，且縱蕩運動的大小與風速的平方大致呈線性關系。

圖3 .4～2波高VS縱蕩運動變化規律

由圖3.4~2所示，波高與船體縱蕩運動呈現正相關關系，船體縱蕩運動隨波高的增大而增大。

圖3 .4～3流速VS縱蕩運動變化規律

由圖3.4~3所示，縱蕩運動流速之間的關系呈線性關系，但線性關系斜率較小，因此流速對船體縱蕩運動的影響較小。綜上分析，船體縱蕩運動主要由風速和波高決定，流速對船體縱蕩運動的影響較小。

4船體運動對系泊響應影響規律

船體運動與系泊響應兩者之間的變化關系即系泊系統剛度，根據現場監測得到的船體運動數據及系泊響應數據，對比兩者之間的數據，對照剛度曲線即可檢驗監測數據的可靠性及設計系泊剛度曲線的合理性。船體距單點中的縱蕩距離是影響系泊力變化最主要的因素，船體其他運動變化只會引起系泊力在小幅范圍內變化，因此系泊系統剛度的分析以縱蕩運動為主。

圖4 ～1系泊鏈張力VS縱蕩散布圖

圖4 ～2水平恢復力VS縱蕩運動散布圖

由圖4~1可知，系泊鏈張力和船體縱蕩運動之間僅存在大致的趨勢關系，但并不存在明顯的比例關系，這主要由于系泊鏈張力是隨船體運動變化最為劇烈的要素，且受系泊鏈垂直方向夾角的影響，因此系泊鏈張力的變化在趨勢線周圍分布較為離散，在實際設計過程常常以水平恢復力作為標準進行剛度曲線的繪制，由圖4~2可知，目前監測得到的縱蕩運動范圍較小，對照剛度曲線的變化趨勢處于線性段的范圍內，因此利用線性關系進行擬合，擬合結果較為理想。綜上所述，船體運動與系泊響應之間的關系主要取決于剛度曲線的變化，在實際校核過程中可利用水平回復力與縱蕩運動之間的關系進行校核。

5 結論

根據現有數據的分析結果，可用于工程實際及可進一步推廣到設施延壽及可靠性評估等領域的結論如下：

1.船體艏向及周向位置長期以兩個方向為主，這就造成單點主軸承各部分的疲勞、磨損等壽命不均，通過對船體位置的詳細跟蹤記錄，可對單點主軸承各部分的實際疲勞損傷進行評估，達到對單點主軸承的全壽命周期跟蹤管理；

2.根據監測數據得到不同裝載條件的下船體六自由度運動固有周期，通過實測固有周期可以校準數值模型，為日后數值預報提供可能，及時發現危險工況，并及時做出應急響應；

3.運用系泊鏈張力的現場實測數據可以真實記錄其受力變化情況，結合統計分析方法，不僅可以用于系泊鏈實際疲勞累積損傷的評估，而且可以利用系泊鏈張力在不同受力區間內的發生概率，直接推算系泊鏈張力的受力極值，避免其他間接計算方法造成的誤差累積；

4.利用環境條件對船體運動及系泊響應之間的變化規律，可以檢驗監測數據的一致性，細化錯誤數據的篩查工作，及時發現監測設備的故障，保證珍貴數據的真實有效。

[1]劉莉峰、趙玉梁.FPSO單點軟剛臂系泊監測系統[J].船海工程，2015，44(3):83-86．

[2]梁修鋒，楊建民，李欣，于洋.FPSO甲板上浪的數值模擬[J].水動力學研究與進展，2007，22(2):229-236.

[3]劉濤.FPSO軟剛臂單點系泊系統監測技術研究[D].大連：大連理工大學,2013.

[4]劉水庚.海洋工程水動力學［M］.北京：國防工業出版社，2012.

[5]章舜仲、王樹梅.相關系數矩陣與多元線性相關分析

[J].大學數學，2011,27（1）：195-198.

李牧1986年天津大學碩士研究生，工程師。浮體結構專業方向依托項目泊監測數據分析系統開發及應用研究。依托項目：系泊監測數據分析系統開發及應用研究，項目編號：HFXMLZ-CY201403