圓筒形浮式生產(chǎn)儲油裝置在短峰波中水動力性能試驗研究

李 俊, 彭 濤, 張建宏, 盧文月

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室;船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

長期以來,海洋工程界主要采用長峰規(guī)則波浪和不規(guī)則波浪對海浪及其與海洋工程結(jié)構(gòu)物的相互作用進行理論研究和模型試驗,長峰波在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計、建造和安全運營等方面發(fā)揮了重要作用.但是,實際海上的風(fēng)生波并非只沿某個方向傳播,波能不僅分布在不同頻率上,而且分布在不同方向上, 波峰線是三維的[1].長峰波浪不能真實再現(xiàn)結(jié)構(gòu)物所處的海洋環(huán)境條件,國內(nèi)外開展的一些模型試驗表明, 結(jié)構(gòu)物在三維短峰波中的水動力性能與在長峰波試驗中的結(jié)果差異較大[2].

Cheng等[3]在水槽中利用長峰波和短峰波對固定式立柱開展了模型試驗,對不同方向分布角短峰波浪中立柱所受的波浪力和水動力系數(shù)進行了分析.試驗結(jié)果顯示,不同方向分布角對立柱所受波浪力有顯著影響.Kurian 等[4]對短峰波中的傳統(tǒng)型單柱式平臺(SPAR)和桁架型SPAR開展了模型試驗研究,分析了平臺縱蕩、升沉和縱搖幅值響應(yīng)算子(RAO),并與長峰波試驗結(jié)果進行了對比.試驗結(jié)果顯示,在短峰波中,桁架型SPAR平臺3個自由度的運動響應(yīng)均小于長峰波試驗結(jié)果;傳統(tǒng)型SPAR縱蕩運動響應(yīng)與長峰波試驗結(jié)果差異較小,低頻范圍內(nèi)縱搖和橫搖運動響應(yīng)大于長峰波試驗結(jié)果,高頻范圍內(nèi)縱搖和橫搖運動響應(yīng)小于長峰波試驗結(jié)果.Ji等[5-7]采用物理模型試驗方法,系統(tǒng)地對短峰波浪作用下大尺度墩柱所受的波浪力荷載和波高進行了研究.試驗結(jié)果顯示,短峰波浪的分布參數(shù)對墩柱所受波浪力和波浪爬高有明顯影響,并且顯著不同于長峰波浪的結(jié)果.鄭文濤等[8]在耐波性水池中進行了船舶在長峰不規(guī)則波和三維短峰波中的運動響應(yīng)模型試驗, 對比分析了船舶在長峰波和三維波中運動響應(yīng)的差別.研究結(jié)果顯示,三維波的方向擴散性是影響船舶在實際海況中運動的重要因素之一.

圓筒形浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)是集修井、生產(chǎn)、儲存和外輸功能于一體的新型海上油氣開發(fā)設(shè)施,具有功能集成度高、運維方便、操作靈活和運動性能良好等諸多優(yōu)點,在邊際油田開發(fā)中具有光明的應(yīng)用前景[9-11].本文采用不同方向分布參數(shù)的三維短峰波浪,對圓筒形FPSO的水動力性能開展模型試驗研究,對圓筒形FPSO運動響應(yīng)與系泊系統(tǒng)受力進行分析,并與長峰波浪中的試驗結(jié)果進行對比.試驗研究結(jié)果可為海洋工程設(shè)計提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)積累.

1 試驗設(shè)置

在上海交通大學(xué)海洋深水池中進行三維短峰波中圓筒形FPSO水動力模型試驗.海洋深水池由1個水池主體和1個深井組成, 可以模擬風(fēng)、浪和流等各種海洋環(huán)境.水池主體有效工作的長、寬、深尺寸為50 m×40 m×10 m,水深可在0～10 m范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié).水池深井最大工作水深為40 m,直徑為 5 m.造波系統(tǒng)由 222 塊單元搖板組成,分兩組布置在水池相鄰垂直兩邊,其中長邊有122塊搖板,短邊有100塊搖板,每塊搖板寬為0.4 m,各搖板由各自的伺服電機驅(qū)動, 均可獨立造波.在兩組多單元造波機的對岸均設(shè)有消波灘,用以減弱反射波影響.在給定主波向時,多單元造波機可在深水池內(nèi)生成高質(zhì)量三維短峰波浪[12-13].

1.1 圓筒形FPSO及系泊系統(tǒng)

三維短峰波中圓筒形FPSO水動力模型試驗縮尺比為1∶60,試驗?zāi)Ｐ筒捎貌Ａт摬牧现谱?表1為圓筒形FPSO平臺主要參數(shù).通過靜水衰減試驗對模型固有周期等參數(shù)進行準(zhǔn)確調(diào)節(jié).

表1 圓筒形FPSO主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of cylinder FPSO

圓筒形FPSO系泊系統(tǒng)由12根系泊纜組成,編號為#1～#12,分3組布置,每組間隔120°,每組4根,每根之間間隔2°.實際系泊纜由錨鏈、聚酯纜和浮筒組成.由于水池尺度限制,本次模型試驗采用截斷設(shè)計方法,利用錨鏈、鋼絲繩和有機玻璃等,根據(jù)單位質(zhì)量和軸向剛度等參數(shù)對圓筒形FPSO系泊系統(tǒng)進行模擬.系泊纜長度實型值為 1 051 m,模型值為17.52 m,預(yù)張力實型值為 1 466 kN,模型值為 6.62 N.

圖1為圓筒形FPSO試驗?zāi)Ｐ?圖2為系泊纜試驗?zāi)Ｐ?圖3為水池中模型布置示意圖.圖中,o-xyz為船體坐標(biāo)系,O-XYZ為水池坐標(biāo)系,垂向坐標(biāo)向上為正.

圖1 圓筒形FPSO模型Fig.1 Model of cylinder FPSO

圖2 系泊纜模型Fig.2 Model of mooring line

圖3 模型布置示意圖Fig.3 Layout of model test

1.2 波浪環(huán)境條件和試驗工況

圓筒形FPSO實際作業(yè)水深為313 m,對應(yīng)模型水深為5.2 m.波浪環(huán)境條件包括3個短峰波浪和1個長峰波浪,均采用JONSWAP波譜,譜峰參數(shù)為2.2.表2為圓筒形FPSO模型試驗工況和波浪環(huán)境條件參數(shù).短峰波浪方向分布函數(shù)選取半角余弦型分布,采用單迭代法生成各單元搖板驅(qū)動時歷信號[1].短峰波浪主波向和長峰波浪波向選取迎浪方向(水池坐標(biāo),見圖3),選取方向分布范圍為[-45°, 45°].采用正五邊形浪高儀陣列采集模擬的短峰波浪時歷,利用擴展的最大似然法(EMLM)對模擬的波浪進行分析,圖4為正五邊形浪高儀陣列示意圖.圖5為長峰波浪波譜模擬結(jié)果,圖中數(shù)據(jù)均為實型值,ε為方向譜密度,ω為圓頻率.圖6為SC03工況模型試驗照片.圖7為短峰波浪方向譜模擬結(jié)果,其中l(wèi)為方向角.

圖4 浪高儀陣列示意圖Fig.4 Diagram of wave gage array

圖5 長峰波浪波譜模擬結(jié)果Fig.5 Comparison of generated and target long-crested wave spectrum

圖6 SC03工況試驗照片F(xiàn)ig.6 Picture of model test (case SC03)

表2 工況和波浪參數(shù)Tab.2 Experimental cases and parameters of waves

2 結(jié)果與討論

2.1 運動響應(yīng)試驗結(jié)果與分析

采用非接觸式光學(xué)運動測量系統(tǒng)對圓筒形FPSO模型六自由度運動進行測量與數(shù)據(jù)采集,該系統(tǒng)線運動測量精度為1 mm,角運動測量精度為0.1°.圖8所示為圓筒形FPSO縱蕩、橫蕩和橫搖運動時歷曲線,表3為圓筒形FPSO在短峰波和長峰波試驗中六自由度運動最大幅值試驗結(jié)果,表中和圖中數(shù)據(jù)均為實型值.

圖8 圓筒形FPSO運動時歷曲線Fig.8 Time series of movement of cylindrical FPSO

表3 圓筒形FPSO運動最大幅值Tab.3 Maximum motion amplitudes of cylinder FPSO

從試驗結(jié)果可知,在長峰波試驗中,圓筒形FPSO縱蕩最大幅值分別是方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗結(jié)果的1.28倍、1.10倍和1.18倍.在長峰波環(huán)境條件中,圓筒形FPSO的縱蕩運動顯著大于短峰波試驗結(jié)果.

對于橫蕩運動最大幅值,方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗結(jié)果分別是長峰波試驗結(jié)果的3.94倍、2.83倍和2.21倍;對于橫搖運動最大幅值,方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗結(jié)果分別是長峰波試驗結(jié)果的2.60倍、2.34倍和2.13倍.在短峰波試驗中,橫蕩和橫搖運動顯著大于長峰波試驗結(jié)果,并且隨著方向分布參數(shù)的減小,圓筒形FPSO橫向運動明顯增大,即當(dāng)主波向為迎浪方向時,波能的方向分布越寬,橫向運動越劇烈.

在短峰波試驗中,圓筒形FPSO首搖運動和縱搖運動相對于長峰波試驗中的結(jié)果較大,垂蕩運動在短峰波和長峰波中的試驗結(jié)果差異較小.

2.2 系泊力試驗結(jié)果與分析

表4為圓筒形FPSO在短峰波和長峰波試驗中系泊力最大值試驗結(jié)果統(tǒng)計值,結(jié)果已換算至實型值.從試驗結(jié)果看,在短峰波和長峰波試驗中,#5～#8系泊纜最大張力相對#1～#4和#9～#12兩組較大,#1～#8系泊纜長峰波試驗結(jié)果均較短峰波試驗結(jié)果大,其中張力最大值均發(fā)生在#6系泊纜,長峰波試驗結(jié)果分別是方向分布參數(shù)為5、10和15的短峰波試驗結(jié)果的1.03倍、1.05倍和1.04倍.

表4 系泊纜最大張力Tab.4 Maximum tensions of mooring lines

3 結(jié)論

在海洋深水池內(nèi)分別采用不同方向分布參數(shù)的短峰波和長峰波對圓筒形FPSO水動力性能開展模型試驗研究,對FPSO運動響應(yīng)和系泊力進行對比分析,主要得到以下結(jié)論:

(1) 當(dāng)主波向或波向為迎浪方向時,在短峰波環(huán)境條件中,相較于長峰波浪,圓筒形FPSO橫蕩和橫搖運動響應(yīng)增大,并且隨著波能的方向分布越寬,橫向運動越劇烈.

(2) 當(dāng)主波向或波向為迎浪方向時,在短峰波環(huán)境條件中,相較于長峰波浪,圓筒形FPSO縱蕩運動響應(yīng)減小,首搖和縱搖運動增大,垂蕩運動差距較小.

(3) 從主要受力的系泊纜最大張力試驗結(jié)果可知,在長峰波環(huán)境條件中,圓筒形FPSO系泊纜最大張力大于短峰波試驗結(jié)果.

本文開展的短峰波中圓筒形FPSO水動力性能模型試驗結(jié)果顯示,在短峰波環(huán)境條件中,圓筒形FPSO的運動和系泊力與長峰波環(huán)境條件中存在較為顯著的差異,以期為深入開展三維短峰波中海洋結(jié)構(gòu)物水動力性能研究提供參考.