穿梭油輪外輸工況系船纜張力影響分析

韓宇,鐘啟源,李英

(1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司,天津300452;2.天津大學 建筑工程學院,天津 300072)

采用穿梭油輪外輸作業時,FPSO與穿梭油輪靠泊方式分為并靠和串靠,串靠外輸作業過程涉及多浮體的耦合運動,并且受風、浪、流等多種環境參數及多種裝載工況影響,針對FPSO外輸工況,國內外的研究主要集中在建立多體數值模型開展耦合時域模擬,將模擬結果與力學模型或試驗模型結果相比較,驗證可靠性,并且重點關注系泊纜索的張力變化[1-10]。本文主要針對FPSO串靠外輸工況下的系船纜張力,開展多種工況條件下的多浮體時域耦合分析,獲取系船纜張力時歷變化,分析多參數對系船纜張力變化的影響,保障外輸作業安全進行。

1 計算理論

1.1 一階波浪力

浮體在水中運動時會受到波浪力的作用,一般情況下波浪力包括浮體強迫振動產生的輻射力、浮體固定時入射波浪產生的入射力、浮體固定時產生的繞射力以及靜水力載荷,對于FPSO這種大尺度結構物而言,一階波浪力主要包括未擾動入射波的波壓強對浮體產生的Froude-Krylov力和擾動波壓強對浮體產生的繞動力。

采用線性伯努利方程計算浮體表面的波壓強,將散射波速度勢與入射波速度勢線性疊加,得到波動場內任意一點總速度勢,求出浮體表面S各點的波壓強,公式如下:

ωρRez[i(φI+φS)e-iωt]

(1)

沿著浮體靜水濕表面積分得到浮體受力:

(2)

求得一階波浪力為

(3)

式中:φI(x,y,z,t)為入射波速度勢;φS(x,y,z,t)為散射波速度勢;ω為波浪圓頻率;ρ為海水密度。

1.2 二階波浪力

浮體在水中運動既會受到一階波浪力,也受到二階波浪力的影響,二階波浪力主要包括波浪平均漂移力、低頻波浪力和高頻波浪力。對于FPSO和穿梭油輪,二階波浪力主要是平均漂移力和低頻波浪力。低頻波浪力由一階波場的二次積和入射波和繞射波的二階速度勢組成,嚴重影響海上平臺的正常作業。求解二階低頻載荷常采用Newman近似法,對于M個波浪單元,低頻載荷為

(4)

Newman近似法求解較為簡便,精度可以滿足工程上一般要求。

2 外輸作業多體耦合分析模型

2.1 模型參數

FPSO、系船纜、鋼臂系泊系統及穿梭油輪主要參數見表1。

表1 時域模型主要參數

設定船體坐標系原點位于船體重心處,x軸由船尾指向船艏,y軸由右舷指向左舷,z軸由船底指向甲板,穿梭油輪與FPSO船體坐標系定義保持一致。在OrcaFlex中建立軟鋼臂系泊系統、FPSO、系船纜與穿梭油輪多浮體模型見圖1。FPSO在渤海海域作業,海洋環境條件見表2。圖1給出了應用AQWA 開展水動力分析的FPSO一階水動力響應RAO。

表2 作業海域環境條件

圖1 FPSO滿載工況六個自由度RAO

2.2 時域分析

開展外輸工況下的多浮體時域分析時,考慮風浪流載荷的聯合作用,依照作業海域海況以及規范要求,組合計算工況,并依據OCIMF規范計算船體所受風、流載荷。

根據ABS規范[11],對風浪流角度按照以下方式進行組合。考慮多浮體系統具有對稱性,環境載荷作用方向在0～180°范圍內按照15°間隔作用在浮體上。風浪流不同向時,風與波浪方向相差30°,流與波浪方向相差90°。組合工況見表3。

表3 時域耦合分析工況

本文動力計算方法選取隱式時域計算,一般短期海況是3 h,考慮到計算時間及工作量,在對比了1 h和3 h模擬結果的基礎上,本文時域模擬時長設置為1 h。

2.3 結果分析

2.3.1 系船纜最大張力

依據規范API RP 2SK[12]要求,在進行浮體響應分析時,系泊纜的安全系數應不小于1.67。本文系船纜的破斷張力為1 319 kN,經計算,所涉及的全部工況,系船纜校核后都符合規范要求,所有工況中安全系數最小值也大于2,超過規范要求的安全系數,說明各工況下系船纜的張力均處于較為安全的水平。

風浪流聯合入射的角度從0°～180°,系船纜張力最大值呈現出先增大后減小的規律,在45°和135°附近達到最大值,在90°時,系船纜張力達到最小值,見圖2。

圖2 外輸工況系船纜最大值

以工況1和14為例,兩種工況的區別主要是風與流的作用方向,波浪作用方向一致,這可以說明在風浪流聯合作用于多浮體系統時,波浪載荷起主導作用。

2.3.2 FPSO與外輸油輪最小間距

FPSO外輸作業時其與穿梭油輪串靠在一起,而穿梭油輪沒有系泊,為了保證作業時FPSO與穿梭油輪不發生碰撞,重點分析二者之間的最小間距。實際工程中常常在穿梭油輪尾部使用一艘拖輪施加拉力以減小穿梭油輪運動響應,本文中未考慮拖輪。通過提取一年一遇風浪流同向工況下系船纜兩端位置時歷變化,計算得出FPSO與穿梭油輪之間間距最小值,見圖3。

圖3 FPSO與穿梭油輪間距最小值變化

圖3表明,FPSO與穿梭油輪間距的最小值整體上呈現隨著風浪流入射角度先增大后減小的趨勢,在入射角度為90°達到最大。這是由于在風浪流橫向入射時,船體縱蕩方向RAO較小,所以兩船體間距較大。兩船體間距變化總體上較為穩定,在外輸工況中的最小值也大于56 m,處于較為安全的距離,可以保證安全開展外輸。

3 系船纜張力敏感性分析

3.1 有效波高的影響

本文外輸作業海域為渤海,一年一遇操作工況的有效波高為2.5 m,另外,在實際工程中也往往選擇海況較好的天氣進行外輸作業,有效波高都不會大于2.5 m。因此本文針對波浪有效波高為0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 m,分析風、流載荷不變的情況下波高對系船纜張力的影響,見圖4。

圖4表明,系船纜張力的最大值和平均值隨有效波高的增大而增大,并且系船纜張力的均方差也隨之增大,說明張力隨時間變化更加劇烈,但是在風浪流90°即橫向入射時,三者的變化較小,這主要是由于橫向浪對縱向張力的影響較小,有效波高增加的影響不夠明顯。

3.2 波周期的影響

在一年一遇風浪流同向入射的工況下,保持有效波高2.5 m不變,改變譜峰周期為5、6、7 s,分別開展時域耦合模擬,與譜峰周期8 s的原工況進行對比,分析多種海況下的多浮體耦合系統響應,見圖5。

圖5 不同譜峰周期系船纜張力變化

圖5表明在本文選取的譜峰周期內,整體上系船纜張力的最大值與平均值隨著譜峰周期的增大而增大,最大值的增大幅度要大于平均值的增大幅度。在入射角度為105°和120°時,譜峰周期7 s的系船纜張力平均值大于周期為8 s,并且最大值十分接近,說明系船纜張力與譜峰周期存在著一定的非線性關系。

3.3 系船纜長度的影響

系船纜的長度在外輸工況中同樣會影響張力的時歷變化,保持其他條件不變的情況下,分別計算系船纜長度為50、60、70和80 m情況下的系船纜張力變化。

圖6表明,系船纜張力的最大值與平均值隨著系船纜長度的增大而增大,增大程度較為明顯,可以呈現出較為顯著的分層,并且隨著載荷入射角度的變化,張力最大值的變化趨勢是一致的,即從0°～90°先增大后減小,在90°時達到最小值,從90°～180°先增大后減小,整體上的極值出現在45°和135°附近。張力的均方差隨著系船纜長度的增加,有一定程度的減小,說明隨著系船纜長度的增大,張力的變化劇烈程度減弱,趨于穩定,整體的外輸工況也較為安全。

圖6 不同系船纜長度張力變化

雖然增大系船纜長度會減小系船纜張力的最大值,但是在50 m的長度下,張力最大值的安全系數大于2.0,已經處于一個較為安全的情況,增大系船纜的長度雖然有助于外輸工況的安全開展,但也會增加項目所需的資金,經濟性較差,具體系船纜長度的選取需要結合項目的多方面綜合考慮。

4 結論

1)外輸作業時風浪流聯合入射角度對系船纜張力的影響,從0°～180°時,張力呈現先增大后減小的趨勢,系船纜張力的峰值集中在入射角度45°和135°附近,當風浪流90°入射時,整體張力水平最小。

2)有效波高從0.5～2.5 m變化時,系船纜張力的整體水平增大,張力的均方差出現明顯增大,說明張力水平隨時間變化更劇烈,浮體的運動響應也隨之增大。

3)波浪譜峰周期從5 s增加到8 s時,系船纜張力整體呈現增大的趨勢,但是在部分工況下,出現系船纜張力減小的情況,說明譜峰周期與系船纜張力呈現一定的非線性影響,主要是與FPSO和穿梭油輪的RAO相關。

4)當系船纜長度變化時,會對外輸工況中的系船纜張力產生較大影響,從50 m增加至80 m時,系船纜張力最大值與平均值均出現明顯減小,需要結合現場施工條件、船體運動響應、經濟條件等多方面因素確定合適的系船纜長度。