基于頻域的系泊載荷快速預報方法

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(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

基于頻域的系泊載荷快速預報方法

李牧，田冠楠，李德斌，李鵬

(中海油能源發展采油服務公司，天津 300451)

針對FPSO系泊載荷的快速預報問題，將頻域求解方法與規范相結合，提出一種適用于單點系泊型FPSO系泊力的快速計算方法，利用編制不同裝載工況下的水動力參數數據庫，基于線性插值方法，能夠快速獲得最大載荷及最大縱蕩。與時域計算結果對比表明，該方法具有良好的準確度。

FPSO；快速預報；載荷；頻域分析

目前國內所應用的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[1]。然而，惡劣的海洋環境使得系泊系統的安全性經受考驗，受到國內外學者的關注和研究[2-4]。目前，針對系泊系統載荷的主要研究方法為數值模擬和實驗研究，也形成了較為成熟的系泊分析軟件，如Araine，OrcaFlex，Moses，AQWA等，應用這些方法都取得了較好的仿真計算效果，并獲得驗證[5-6]。但是，應用數值仿真軟件對專業技術要求較高、且計算速度較慢，對于海上作業人員無法短時間獲取系泊系統載荷、位移等信息，在實際的快速預報中無法得到應用。因此，考慮以作業于渤海地區的海洋石油112FPSO為研究對象，基于頻域求解方法與規范相結合，開發一種能夠進行海上系泊載荷快速預報方法。

1 理論基礎

頻域求解方法描述浮體響應的總體方程是解耦的，且分解為平均、低頻和波頻響應。平均響應通過環境荷載和系泊系統恢復力共同作用而達到的靜平衡狀態計算得到。波頻和低頻浮體運動可通過頻域方法計算并得到運動響應標準差，然后可以基于峰值響應分布而求得諸如有義值和最大值等統計峰值，并將波頻和低頻響應進行適當的組合以得到對應于指定風暴持續時間的最大組合響應。最后將最大相應組合帶入FPSO系泊剛度曲線，取得系泊力極值。

使用頻域浮體動力方法對具有風向標特性的浮體進行性能分析時，浮體的浪向必須是固定的。在固定設計浪向上計算浮體系泊系統響應時，固定設計浪向應在考慮平均的平衡浪向和低頻首搖運動的基礎上確定。

1.1 環境載荷

作用于FPSO上的環境載荷包括波浪載荷、風載荷和流載荷。在系泊計算采用頻域計算波浪載荷主要考慮二階波浪平均漂移力，其中波浪漂移力采用譜方法進行求解。

(1)

式中：QTF為二階平均漂移力傳遞函數；S(ω)為波浪譜，該海域應用Jonswap譜[7]。

將風視作均勻風，不同入射角度對應不同的風載荷系數，流載荷也作同樣處理。

1.2 最大位移

根據API規范規定[8]，采用頻域方法計算，最大位移為以下2式最大值。

Smax=SLFmax+SWFsig+Smean

(2)

Smax=SLFsig+SWFmax+Smean

(3)

式中：Smean為FPSO平均位移；SWFsig為波頻有義位移；SWFmax為波頻最大位移；SLFsig為低頻有義位移；SLFmax為低頻最大位移。

根據3 h內Rayleigh分布，最大波頻位移、波頻有義位移、最大低頻位移、波頻有義位移為

SWFmax=3.72σWF

(4)

SWFsig=2σWF

(5)

SLFmax=3.06σLF

(6)

SLFsig=2σLF

(7)

其中標準差σWF、σLF采用譜方法求得，分別為

(8)

(9)

上式中低頻波浪漂移力譜密度為

(10)

1.3 快速預報數值方法

快速預報方法即能夠根據輸入數據快速對最大位移、最大系泊力進行快速計算，實現環境與載荷、位移的實時對應。所以針對上述一階力、二階力傳遞函數，基于勢流理論對不同吃水裝載下的FPSO進行計算，獲得RAO及QTF。利用商用軟件獲得FPSO在不同吃水下的剛度，見圖1，編制成數據庫。在快速預報時，利用輸入值與數據庫線性插值，進而獲得傳遞函數和剛度曲線。

圖1 不同吃水下系泊系統的剛度

2 研究對象

本文研究對象為作業于渤海海域的海洋石油112FPSO，其主尺度見表1，該條FPSO作業水深24.0 m，采用水下軟剛臂式單點系泊系統，系泊系統主要由塔架、剛性的Yoke結構及錨鏈組成。

3 數值結果對比驗證

為了驗證該算法的合理性，通過與目前較為認可的OrcaFlex軟件計算結果進行對比驗證。

表1 FPSO主要參數表

OrcaFlex軟件目前廣泛應用系泊系統設計，該軟件能夠進行考慮系泊系統與船體間全耦合的時域分析[9]，圖2為數值仿真模型。針對FPSO在滿載及壓載，不同環境條件下的工況進行對比分析，對比計算工況見表2。

圖2 海洋石油112FPSO數值仿真模型

表2 對比驗證工況

分別采用頻域方法和全耦合的時域方法對以上4種工況進行計算，獲得最大縱蕩值、最大系泊力等統計值。

圖3 頻域與時域計算值對比

滿載工況和壓載工況時域與頻域計算結果對比見圖3，壓載工況由于裝載量較小，整體系泊剛度較小，因而最大縱蕩值較大。對比發現，頻域計算值與時域計算值變化規律一致，隨著海洋環境的愈加惡劣，縱蕩值與系泊力值均有所增加。對比值存在一定誤差，但誤差范圍較小。滿載工況位移最大誤差為8.9%，系泊力的最大誤差為10.1%；壓載工況位移最大誤差為12.4%，滿載工況為7.9%。

4 結論

為了提高計算效率和船載軟件的可靠性，該快速預報方法沒有采用多個種子的時域分析方法，而是采用了譜分析的頻域計算分析方法，提高了計算及應用效率。

該頻域計算值與時域計算對比值存在小范圍內的誤差，通過工程實際應用，均在可接受范圍內，驗證了該方法的合理性。

該方法已實現軟件化且成功應用于海洋石油112FPSO，現場操作人員通過輸入未來氣象環境條件，可以快速準確預測系泊受力及水平偏移情況。

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[3] 夏華波.水下軟剛臂單點系泊研究[J].船海工程，2014,43(3):166-170.

[4] 肖龍飛,楊建民,胡志強.極淺水單點系泊FPSO低頻響應分析[J].船舶力學，2010,14(4):372-378.

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The Quick Forecasting Method of Mooring Load Based on Frequency Domain Analysis

LIMu,TIANGuan-nan,LIDe-bin,LIPeng

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

A quick forecasting method of the mooring loads was proposed for FPSO with single point mooring system. The method combined the frequency domain analysis with the rules’ requirements. It can get the maximum load and surge by using the hydrodynamic database for different loading based on linear interpolation. Compared with the results from the time domain calculation, it was shown that the method has high precision.

FPSO; quick forecast; load; frequency domain analysis

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0034-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.009

2016-09-14

修回日期：2016-10-09

李牧(1986—)，女，碩士，工程師

研究方向：浮體結構