基于不同海域海況特點(diǎn)的通用型FPSO疲勞損傷分析

董震，王璞，張鳴，馮國慶

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

通用型FPSO是為滿足當(dāng)今石油開發(fā)需求而設(shè)計(jì)的新型FPSO。(相較于傳統(tǒng)的FPSO，通用型FPSO具有能夠兼容多種系泊方式和縮短建造周期等特點(diǎn)[1]。此前對(duì)FPSO疲勞損傷的分析，大多分析FPSO的某一特定運(yùn)行海域，如FPSO在西非海域[2]、墨西哥灣海域、巴西海域或南海海域[3]下的疲勞損傷；或者是分析FPSO在某一特定系泊方式，如多點(diǎn)系泊、單點(diǎn)系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔和單點(diǎn)系泊外傳塔下的疲勞損傷分析，而對(duì)于通用型FPSO,由于其具有多海域、多系泊方式的適配特點(diǎn)，這就要求通用型FPSO能夠適應(yīng)不同海域海況下的疲勞損傷。

通用型FPSO需要在西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域等海域下服役，由于不同海域的海況特點(diǎn)存在明顯差異，因而造成船體在不同海域海況下的疲勞損傷也將呈現(xiàn)非常明顯的差異。有必要對(duì)通用型FPSO進(jìn)行基于不同海域海況特點(diǎn)的疲勞損傷分析。采用疲勞譜分析法，參考相關(guān)規(guī)范[4-6]，進(jìn)行基于不同海域海況特點(diǎn)下的通用型FPSO疲勞損傷分析，得出不同海域海況下的通用型FPSO疲勞損傷特點(diǎn)。

1 計(jì)算公式

疲勞計(jì)算回復(fù)期的疲勞累積損傷度表示為

(1)

根據(jù)得到的疲勞計(jì)算回復(fù)期的疲勞累積損傷度D，可得到實(shí)際的疲勞壽命，公式如下。

(2)

式中：TL為疲勞計(jì)算的回復(fù)期，年；Tf為實(shí)際疲勞壽命，年。

2 通用型FPSO關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算

2.1 計(jì)算工況

通用型FPSO主尺度見表1。

表1 通用型FPSO主尺度 m

根據(jù)通用型FPSO的多海域適配要求，選取3個(gè)海域即西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域。根據(jù)海況惡劣程度及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)決定，西非海域采用多點(diǎn)系泊，墨西哥灣海域與巴西海域均采用單點(diǎn)系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔和單點(diǎn)系泊外轉(zhuǎn)塔。每種系泊方式應(yīng)至少包括滿載及壓載2種典型裝載工況，滿載及壓載的時(shí)間分配系數(shù)均取50%。

3種海域不同系泊方式不同裝載工況下船體在譜分析計(jì)算過程中的波浪載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)均不相同，故在損傷累積計(jì)算中需要單獨(dú)計(jì)算各裝載工況與其相應(yīng)時(shí)間分配系數(shù)下的疲勞損傷度，根據(jù)線性損傷累計(jì)理論，總損傷度為系泊方式下兩種裝載工況之和。

通用型FPSO通過系泊的方式固定，其中系泊的影響通過懸鏈線方法計(jì)算，考慮其張力對(duì)剛度矩陣的影響，固定通用型FPSO的懸鏈線預(yù)張力見表2。

表2 懸鏈線預(yù)張力

波浪載荷采用三維勢(shì)流載荷計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，參考中國船級(jí)社船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[7]的規(guī)定，其中多點(diǎn)系泊和單點(diǎn)系泊的計(jì)算航速和波浪圓頻率均相同。

多點(diǎn)系泊和單點(diǎn)系泊的航向角0°均為迎浪。多點(diǎn)系泊航向角取為0°～330°，間隔為30°，共計(jì)12個(gè)浪向。單點(diǎn)系泊考慮風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，單點(diǎn)系泊航向角取為-30°～30°，間隔為15°，共計(jì)5個(gè)浪向。

2.2 不同海域海浪的能量特點(diǎn)

由于西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域具有各自的海況概率及海浪能量特點(diǎn)，因此需要選取不同的功率譜密度。其中西非海域的功率譜密度采用6參數(shù)的Ochi_Hubble譜，墨西哥灣海域和巴西海域的功率譜密度采用3參數(shù)的Jonswap譜。

6參數(shù)的Ochi_Hubble譜表達(dá)式為

(3)

式中：HS,i，ωS,i和λi(i=1,2)分別對(duì)應(yīng)于低頻和高頻部分的有義波高、譜峰頻率和形狀參數(shù)，i=1對(duì)應(yīng)于低頻譜，i=2對(duì)應(yīng)于高頻譜。

Jonswap譜用譜峰周期TP和有義波高HS以及γ三個(gè)參數(shù)來表示，波浪譜的表達(dá)式為

(4)

式中：ωp=2π/Tp；γ為譜峰升高因子；μ為譜型參數(shù)；A=1-0.287ln(γ)為無因次參數(shù)；ω為波浪角頻率。

選取3個(gè)海域的典型海況概率作為輸入，其中西非海域的海況主要集中在譜峰周期TP：10～13 s，有義波高HS：1.4～1.6 m的范圍內(nèi)；墨西哥灣海域的海況主要集中在譜峰周期TP：4.5～5.5 s，有義波高HS：0.75～1.25 m的范圍內(nèi)；巴西海域的海況主要集中在譜峰周期TP：5～13 s，有義波高HS：1.5～3.5 m的范圍內(nèi)。

為了進(jìn)一步考察波浪特點(diǎn)，節(jié)選3個(gè)海域的部分代表性海況，繪制海浪譜密度曲線圖，見圖1。

圖1 不同海域功率譜密度對(duì)比

3個(gè)海域呈現(xiàn)了3種能量集中形式。西非海域功率譜密度表現(xiàn)出了能量低頻集中的特點(diǎn)，且在圓頻率升高時(shí)出現(xiàn)了快速的下降趨勢(shì)。墨西哥灣海域則展現(xiàn)出了能量峰值圓頻率更高的特點(diǎn)，且隨著圓頻率的升高能量下降相對(duì)緩慢。巴西海域能量峰值分布相對(duì)較為廣泛，在低頻位置雖不如西非海域能量集中，但相較于墨西哥灣海域要高許多。

2.3 剖面載荷分析

疲勞破壞是結(jié)構(gòu)在波浪載荷作用下的結(jié)果，為進(jìn)一步分析不同海域海況對(duì)通用型FPSO疲勞強(qiáng)度的影響，對(duì)剖面載荷RAO與波浪功率譜密度S(ω)進(jìn)行對(duì)照分析。剖面載荷RAO通過COMPASS-WALCS進(jìn)行計(jì)算。采用了內(nèi)轉(zhuǎn)塔、外轉(zhuǎn)塔與多點(diǎn)系泊3種系泊方式，裝載工況均為滿載。考察船舯剖面垂向彎曲與扭轉(zhuǎn)兩種剖面載荷響應(yīng)。結(jié)果見圖2～4。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔滿載船舯剖面

圖3 外轉(zhuǎn)塔滿載船舯剖面

圖4 西非海域多點(diǎn)系泊滿載船舯剖面

3種系泊方式下的剖面載荷RAO具有相近的規(guī)律，即垂向彎矩在圓頻率0.4 rad/s附近出現(xiàn)了最大值，而轉(zhuǎn)矩在圓頻率為0.6 rad/s附近出現(xiàn)最大值。

在疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，剖面載荷RAO和海浪譜乘積與疲勞損傷成正相關(guān)關(guān)系，在兩者峰值頻率吻合時(shí)會(huì)產(chǎn)生指數(shù)級(jí)的損傷增大。因此3個(gè)海域海況分別對(duì)垂向彎曲與扭轉(zhuǎn)兩類響應(yīng)下的疲勞損傷有著不同的影響。通過與海浪譜對(duì)比發(fā)現(xiàn)，垂向彎矩的整體分布與西非海域海況能量分布重合度較高，巴西海域次之，與墨西哥灣海域重合度較低。轉(zhuǎn)矩方面則恰好相反，其與墨西哥灣海域及巴西海域能量分布重合度較高，與西非海域重合度較低。

2.4 有限元模型

考慮腐蝕余量的影響，建立通用型FPSO全船有限元模型。在熱點(diǎn)附近，精細(xì)網(wǎng)格尺寸為t×t,其中t是熱點(diǎn)附近的最小板的凈厚度。熱點(diǎn)附近的所有支撐構(gòu)件(包括板和加強(qiáng)筋)均采用4節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從精細(xì)網(wǎng)格到普通網(wǎng)格的過渡也足夠平滑。通過選取典型剖面和設(shè)計(jì)波法篩選得到5個(gè)船體疲勞關(guān)鍵熱點(diǎn)。見圖5。

圖5 關(guān)鍵熱點(diǎn)選擇

2.5 應(yīng)力傳遞函數(shù)

熱點(diǎn)應(yīng)力RAO采用直接計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。首先分別將多種系泊方式、多浪向(0°為迎浪)、多圓頻率單位波幅下的水動(dòng)壓力加載至有限元模型。通過PCL二次開發(fā)程序及批處理程序?qū)崿F(xiàn)批量計(jì)算及數(shù)據(jù)處理。由于熱點(diǎn)RAO較多，限于篇幅，選取具有代表性的典型熱點(diǎn)5滿載載況的熱點(diǎn)應(yīng)力RAO，見圖6～8。

圖6 內(nèi)轉(zhuǎn)塔滿載熱點(diǎn)5應(yīng)力RAO

圖7 外轉(zhuǎn)塔滿載熱點(diǎn)5應(yīng)力RAO

圖8 多點(diǎn)系泊滿載熱點(diǎn)5應(yīng)力RAO

當(dāng)圓頻率增加時(shí)，3種系泊方式下的應(yīng)力均為先上升后下降。3種系泊方式在浪向?yàn)?30°圓頻率在0.5 rad/s左右時(shí)應(yīng)力為最大。3種系泊方式下外轉(zhuǎn)塔各浪向曲線的重合度最高，內(nèi)轉(zhuǎn)塔次之，多點(diǎn)系泊各浪向的曲線重合度最低。

2.6 損傷計(jì)算結(jié)果

選取的相關(guān)熱點(diǎn)在各海況下的疲勞損傷計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可知，熱點(diǎn)3在5種海域工況下?lián)p傷最大，在多點(diǎn)系泊西非海域?yàn)?.29×10-2；熱點(diǎn)1在5種海域工況下?lián)p傷最小，在外轉(zhuǎn)塔墨西哥灣海域?yàn)?.29×10-5。在熱點(diǎn)相同的情況下，西非海域的損傷最大，巴西海域次之，墨西哥灣海域最小。在海域相同的情況下，熱點(diǎn)4在墨西哥灣海域下兩種系泊方式下的損傷差距最小，熱點(diǎn)3在巴西海域下兩種系泊方式下的損傷差距最大。在熱點(diǎn)相同，海域相同的情況下，內(nèi)轉(zhuǎn)塔的損傷大于外轉(zhuǎn)塔的損傷。

表4 熱點(diǎn)損傷

3 結(jié)論

1)對(duì)于通用型FPSO,垂向彎矩對(duì)于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響比轉(zhuǎn)矩對(duì)于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響要大很多，要優(yōu)先考慮垂向彎矩對(duì)于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響；西非海域海況下垂向彎矩對(duì)于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響最大，巴西海域次之，墨西哥灣海域最小。

2)對(duì)于通用型FPSO，不同海域海況，不同系泊方式下的疲勞損傷均具有明顯差異。在多數(shù)情況下多點(diǎn)系泊西非海域疲勞損傷是3個(gè)海域中最大的，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮多點(diǎn)系泊西非海域下的疲勞損傷；當(dāng)通用型FPSO的運(yùn)行海域?yàn)槟鞲鐬澈Ｓ蚧虬臀骱Ｓ驎r(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮系泊方式為內(nèi)轉(zhuǎn)塔時(shí)的疲勞損傷；當(dāng)通用型FPSO的系泊方式為內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊或外轉(zhuǎn)塔系泊時(shí)時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮運(yùn)行海域?yàn)榘臀骱Ｓ驎r(shí)的疲勞損傷。