半潛支持平臺與FPSO靠泊運動頻域水動力性能研究1

陳曉鋒

（南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇南通 226001）

0 引言

半潛式平臺每年的平均事故率遠超其他類型的海洋平臺[1]，開展支持平臺與浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的靠泊方案設計、探索適合FPSO的靠泊運動耦合技術對于保障FPSO上的生產(chǎn)和船員活動具有重要意義。支持平臺和生產(chǎn)平臺靠泊連接狀態(tài)是深水半潛式支持平臺在海上作業(yè)過程中的一個典型工作狀態(tài)。此時深水半潛式支持平臺處于靠泊連接就位位置，和各類生產(chǎn)平臺之間通常保持數(shù)十米距離，進行近距離靠泊，支持平臺上的登船棧橋與生產(chǎn)平臺連接，以進行人員和物資的轉(zhuǎn)運。為滿足不同海域和不同油田的各種需求，靠泊的生產(chǎn)平臺類型種類繁多，包括固定式導管架平臺、半潛式生產(chǎn)平臺、張力腿平臺、立柱式平臺和FPSO等[2]。

深水半潛式支持平臺與其他生產(chǎn)平臺進行靠泊的過程中，多平臺之間的耦合水動力干擾問題是影響靠泊安全的關鍵因素之一。其耦合水動力性能的求解涉及多個復雜影響因素，包括近距離多個浮體間的非線性輻射和繞射波浪影響、平臺近距離靠泊狀態(tài)下的相互遮蔽效應對海風和海流等環(huán)境荷載的影響，以及各平臺間的耦合運動、系泊載荷等水動力響應的非線性特性的影響。

本文通過采用 AQWA軟件基于三維勢流理論進行多浮體耦合頻域水動力分析，考慮支持平臺與FPSO間不同的靠泊間距、支持平臺靠泊方向、FPSO裝載狀態(tài)等因素，建立耦合分析水動力模型，采用近場法考慮浮體間的水動力耦合作用。對典型浪向條件下耦合狀態(tài)和非耦合狀態(tài)的浮體水動力性能對比，分析靠泊間距、靠泊方向和FPSO裝載狀態(tài)因素對水動力影響的大小，總結(jié)多浮體耦合頻域水動力特點。

1 水動力模型建立

為準確預報支持平臺與FPSO間的水動力耦合作用，將FPSO及支持平臺進行細致的網(wǎng)格劃分。考慮到頻域分析時的最小波浪周期為3 s，因此將濕表面網(wǎng)格最大尺寸定為2.8 m。

1.1 F PSO濕表面

FPSO在不同載況時發(fā)生較大縱傾，艏艉存在較大的吃水差，因此在水動力分析時將FPSO縱傾調(diào)至設計縱傾狀態(tài)。滿載時FPSO艏吃水為21.5 m，艉吃水為24.5 m；壓載狀態(tài)FPSO艏吃水為9.2 m，艉吃水為11.85 m。圖1和圖2分別為滿載狀態(tài)和壓載狀態(tài)的濕表面網(wǎng)格。

圖1 FP SO滿載狀態(tài)濕表面網(wǎng)格

圖2 FP SO壓載狀態(tài)濕表面網(wǎng)格

滿載狀態(tài)時FPSO總網(wǎng)格數(shù)為11 076，其中濕表面網(wǎng)格數(shù)為9 196；壓載狀態(tài)時，F(xiàn)PSO的總網(wǎng)格數(shù)為11 129，其中濕表面網(wǎng)格數(shù)為8 142。網(wǎng)格大小分布均勻，同時較為準確地描述了FPSO水下部分的形狀。

1.2 北海型支持平臺濕表面

北海型支持平臺的網(wǎng)格采用與FPSO相同的網(wǎng)格尺寸，總網(wǎng)格數(shù)為8 386，濕表面網(wǎng)格數(shù)為5 859。由于橫撐結(jié)構沿長度方向直徑變化，因此在建立其水動力模型時采用面單元模擬。北海型支持平臺的濕表面模型見圖3。

圖3 北海型支持平臺濕表面模型

1.3 標準型支持平臺濕表面

標準型支持平臺總網(wǎng)格數(shù)為5 927，濕表面網(wǎng)格數(shù)為4 478。橫撐結(jié)構初端部外直徑相同，因此采用莫里森單元模擬，莫里森單元數(shù)為 132。北海型支持平臺的濕表面模型見圖4。

圖4 標準型支持平臺濕表面模型（未顯示實際橫撐直徑）

2 無因次阻尼修正

根據(jù)FPSO試驗數(shù)據(jù)以及半潛式支持平臺母型船試驗數(shù)據(jù)，對垂蕩、橫搖和縱搖自由度的水動力進行修正，附加阻尼的無因次阻尼比見表1。垂蕩、橫搖和縱搖附加質(zhì)量取固有頻率時的附加質(zhì)量，剛度取靜水回復剛度。

表1 無因次阻尼比

3 全局坐標系定義

北海型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義見圖5，坐標原點位于支持平臺和FPSO中縱剖面上，同時位于支持平臺中橫剖面上。FPSO長度和支持平臺長度方向為x軸，以平臺艏部方向為正；FPSO和支持平臺寬度方向為y軸，以平臺左舷為正。

圖5 北海型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義

標準型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義見圖 6，定義坐標原點位于標準型支持平臺水線面中心處，標準型支持平臺下浮箱長度方向為x方向，以平臺艏部方向為正；下浮箱寬度方向為y方向，以平臺左舷為正。定義標準型支持平臺與FPSO的間距為右浮箱外側(cè)到FPSO艏部平面間的距離，以D表示。考慮到舷梯的允許伸縮長度，D取38.3 m，此時舷梯的長度為38.5 m。

圖6 北海型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義

4 耦合作用對水動力的影響

針對FPSO與北海型和標準型支持平臺靠泊狀態(tài)，通過對比耦合狀態(tài)與非耦合狀態(tài)下FPSO及半潛支持平臺典型角度下的水動力響應，分析不同間距對FPSO及半潛支持平臺的頻域運動響應的影響。本研究的支持平臺（北海型及標準型）均處于操作吃水狀態(tài)與FPSO靠泊，因此對于作業(yè)狀態(tài)的說明僅針對FPSO。考慮到FPSO在滿載狀態(tài)和壓載狀態(tài)吃水變化較大，因此在分動力分析時考慮 2種FPSO的作業(yè)狀態(tài)。

4.1 FPSO滿載狀態(tài)與北海型支持平臺靠泊工況

4.1.1 FPSO水動力響應

FPSO與支持平臺在長度方向旁靠，在沿船長方向（x方向）存在一定的遮蔽作用，因此水動力分析主要針對波頻運動響應以及水動力影響可能較大的縱蕩運動響應，以分析耦合狀態(tài)下FPSO水動力的特點。為分析水動力的耦合效應大小以及不同靠泊間距對水動力的影響大小，將非耦合狀態(tài)下的響應與3種不同的間距耦合狀態(tài)下的響應進行對比。定義靠泊間距D為支持平臺下浮箱后端與FPSO前端的距離。

幅值響應算子（Response Amplitude Operator，RAO）指浮體在某一頻率單位波幅規(guī)則波作用下對應浮體的運動響應，反應浮體水動力性能屬性，是計算運動響應時必需的水動力參數(shù)[3]。圖7為FPSO滿載狀態(tài)時，不同狀態(tài)下FPSO的縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖響應RAO曲線。圖中無耦合狀態(tài)表示為Uncoupled，D=5 m、D=21 m和D=35 m分別表示靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖7 滿載工況FPSO水動力響應

從圖7（a）和圖7（b）可發(fā)現(xiàn)，波浪周期較大即波浪頻率較低時，無論是浪向為0°或180°時，縱蕩RAO差別不大，此時縱蕩耦合作用不強，同時對間距大小也不敏感；波浪周期較小時，如周期為10 s左右，縱蕩RAO存在很小差異。從圖7（c）和（d）可看出，耦合作用對垂蕩和橫搖RAO幾乎沒有影響。圖7（e）和圖7（f）可發(fā)現(xiàn)FPSO縱搖響應在波浪周期大于12 s后在不同間距的耦合作用下差別不大，在周期10 s左右時存在一定差別。綜合來看，耦合作用對 FPSO的垂蕩和橫搖 RAO幾乎沒有影響，對縱蕩和縱搖RAO的影響主要在波浪周期為10 s左右的小范圍，對周期大于12 s時的縱蕩和縱搖無明顯影響。

4.1.2 北海型支持平臺水動力響應

圖8為無耦合狀態(tài)和不同靠泊間距下北海型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO。圖中無耦合狀態(tài)表示為Uncoupled，D=5 m、D=21 m和D=35 m分別表示為靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖8 支持平臺水動力響應（FPSO滿載工況）

從圖8（a）可看出耦合狀態(tài)下FPSO對支持平臺產(chǎn)生明顯的遮蔽效應，導致支持平臺在浪向為0°下的縱蕩RAO與非耦合狀態(tài)有所減小。間距越小支持平臺縱蕩RAO越小，遮蔽效應越明顯，遮蔽作用在計算波浪周期范圍均較明顯。從圖8（b）中發(fā)現(xiàn)當波浪為180°，即波浪從支持平臺向FPSO傳播時，在波浪周期大于16 s時耦合效應不明顯，而波浪周期處于6 s～16 s時出現(xiàn)明顯的耦合作用。從圖8（c）可發(fā)現(xiàn)長波作用下不同間距時的垂蕩耦合作用不明顯，短波作用下耦合作用對支持平臺垂蕩RAO有一定影響。從圖8（d）可發(fā)現(xiàn)耦合作用對支持平臺的橫搖RAO影響不大。

從圖8（e）和圖8（f）可發(fā)現(xiàn)，在支持平臺縱搖共振周期時，較小的間距導致縱搖RAO幅值增大，而間距較大時縱搖固有周期下的RAO幅值與非耦合狀態(tài)無明顯差別。波浪周期較小時，波浪角度為0°和180°下縱搖RAO呈現(xiàn)不同的趨勢：1）浪向為0°時，波浪周期為5 s～7 s和10 s～15 s時耦合狀態(tài)縱搖RAO幅值比非耦合狀態(tài)小；2）浪向為180°時，波浪周期為5 s～7 s和10 s～15 s時耦合狀態(tài)縱搖RAO幅值比非耦合狀態(tài)大。總體來說耦合作用下波浪周期較小時，浪向角為0°時經(jīng)過FPSO繞射的波浪會導致支持平臺縱搖RAO幅值減小，浪向角為 180°時支持平臺直接迎浪會導致支持平臺縱搖RAO幅值增大。

4.2 FPSO壓載狀態(tài)與支持平臺靠泊工況

4.2.1 壓載狀態(tài)FPSO水動力響應

FPSO壓載狀態(tài)與支持平臺靠泊時，F(xiàn)PSO的縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO曲線見圖9。圖9中無耦合狀態(tài)表示為 Uncoupled，D=5 m、D=21 m 和D=35 m分別為靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖9 壓載工況FPSO水動力響應

圖9 壓載工況FPSO水動力響應（續(xù)）

從圖9（a）、圖9（c）和圖9（d）可發(fā)現(xiàn)壓載狀態(tài)FPSO與支持平臺靠泊時耦合作用對0°浪向的縱蕩、90°浪向的垂蕩和橫搖水動力影響不明顯，從圖9（b）可發(fā)現(xiàn)長周期時距離越大，180°浪向的縱蕩RAO越小，遮蔽效應越明顯。

從圖 9（e）和圖 9（f）可發(fā)現(xiàn)浪向角為 0°和180°的情況下，除了波浪周期為10 s左右時，不同間距的靠泊耦合作用對縱搖運動RAO影響不大。

4.2.2 北海型支持平臺水動力響應

圖 10為無耦合狀態(tài)和不同靠泊間距下北海型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO。圖中無耦合狀態(tài)表示為Uncoupled，D=5 m、D=21 m和D=35 m分別表示靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖10 支持平臺水動力響應（FPSO壓載工況）

圖10 支持平臺水動力響應（FPSO壓載工況）（續(xù)）

從圖10（a）可發(fā)現(xiàn)靠泊狀態(tài)浪向角為0°時，F(xiàn)PSO對支持平臺起到了一定的遮蔽作用，尤其在波浪周期小于15 s時更為明顯。從圖10（b）可發(fā)現(xiàn)靠泊狀態(tài)浪向角為180°時，波浪周期小于16 s時耦合作用對縱蕩RAO影響較大，隨波浪周期變化呈不同的規(guī)律，波浪周期大于16 s后對縱蕩RAO影響不大。從圖10（c）和圖10（d）可發(fā)現(xiàn)浪向角為 90°時耦合作用對支持平臺垂蕩和橫搖幾乎沒有影響。

從圖10（e）和圖10（f）可發(fā)現(xiàn)波浪周期大于16 s時，耦合作用對支持平臺的縱搖RAO影響不大，波浪周期小于16 s時隨著浪向不同，呈現(xiàn)不同趨勢：1）浪向角為0°時，F(xiàn)PSO對支持平臺產(chǎn)生明顯的遮蔽作用，導致耦合狀態(tài)下縱搖RAO幅值減小；2）浪向角為 180°時，在一定波浪周期范圍導致縱搖RAO幅值相比非耦合狀態(tài)有所增大，可能由于排水量較大的FPSO對波浪的反射作用導致支持平臺的縱搖出現(xiàn)一定的干擾，進而導致支持平臺的縱搖幅值增大。

4.3 F PSO與標準型支持平臺靠泊工況

標準型支持平臺通常側(cè)向靠泊與FPSO艏部，標準型支持平臺下浮箱與FPSO的最小距離為38.3 m。因此，通過針對固定間距下的支持平臺與FPSO近距離靠泊狀態(tài)水動力進行探究，分析多浮體耦合作用的影響。

4.3.1 FPSO水動力響應

滿載和壓載狀態(tài)FPSO縱蕩、垂蕩和縱搖RAO如圖11所示。浪向角為90°和270°時，波浪傳播方向與靠泊方向相同，因此需要重點關注。圖11（a）和圖 11（b）分別為滿載和壓載狀態(tài)浪向角為 90°和270°下FPSO的縱蕩響應RAO，圖11（c）和圖11（d）分別為滿載和壓載狀態(tài)下FPSO的垂蕩響應RAO，圖11（e）和圖11（f）分別為滿載和壓載狀態(tài)浪向角為90°和270°下FPSO的縱搖響應RAO。

圖11 滿載狀態(tài)FPSO縱蕩、垂蕩和縱搖RAO

圖11 滿載狀態(tài)FPSO縱蕩、垂蕩和縱搖RAO（續(xù)）

從圖11（a）和圖11（b）可看出滿載和壓載狀態(tài)時，浪向角為 90°和 270°時水動力耦合作用對FPSO的縱蕩運動RAO影響不明顯；從圖11（c）和圖 11（d）可可以看出無論是滿載還是壓載工況下，耦合作用對垂蕩的影響不明顯。從圖 11（e）和圖11（f）可發(fā)現(xiàn)在波浪周期在10 s左右時，耦合狀態(tài)下的縱搖響應RAO存在明顯差異，波浪周期較大時無明顯差異。

4.3.2標準型支持平臺水動力響應

圖12為標準型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO曲線。圖12中FF（FPSO Full）表示靠泊的FPSO處于滿載狀態(tài)，F(xiàn)B（FPSO Ballast）表示靠泊的FPSO處于壓載狀態(tài)。

圖12 標準型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO

圖12 標準型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO（續(xù)）

從圖12（a）可發(fā)現(xiàn)浪向角為90°時，耦合狀態(tài)下支持平臺橫蕩RAO要小于非耦合狀態(tài)，因此支持平臺的橫蕩運動受FPSO的遮蔽作用明顯。從圖12（b）可發(fā)現(xiàn)波浪周期較小時耦合狀態(tài)下的橫蕩運動與非耦合狀態(tài)有一定差別，波浪周期較大時無明顯差別。從圖12（c）和圖12（d）可看出波浪周期小于15 s時，耦合狀態(tài)下的垂蕩和橫搖響應要比非耦合狀態(tài)小。另外波浪周期較大時，靠泊與壓載狀態(tài)的FPSO時標準型支持平臺的橫搖RAO要比非耦合狀態(tài)以及靠泊與滿載狀態(tài)的FPSO大。從圖12（f）可看出耦合作用對標準型支持平臺的縱搖RAO影響不大。

5 結(jié)論

通過對2種載況的FPSO與北海型和標準型支持平臺靠泊狀態(tài)的水動力響應進行對比分析，可以得出：1）整體來看，耦合作用對排水量較大的FPSO水動力響應影響不大，而對排水量相對較小的支持平臺影響較大；2）北海型支持平臺耦合作用只對浮體的縱蕩和縱搖響應影響較大，而對垂蕩和橫搖運動響應影響不大；3）標準型支持平臺耦合作用只對浮體的橫蕩和橫搖響應影響較大，而對垂蕩和縱搖運動響應影響不大。當波浪從FPSO傳播至支持平臺時，對支持平臺的橫蕩和橫搖產(chǎn)生一定的遮蔽作用，在波浪周期較小時尤為顯著。