極端海況下深水單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

袁洪濤，曾 驥，莫 建，康 莊，王 超，王鈺涵

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

(2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著全球變暖，極端氣候環(huán)境現(xiàn)象越來(lái)越頻繁，某些極端的風(fēng)浪流環(huán)境已經(jīng)超出了海上設(shè)施的極限能力.在科學(xué)理解極端工況，建立極端工況分析模型以及在確保工作人員安全的前提下，正確評(píng)估船體的實(shí)際抗風(fēng)浪流能力，減少船體結(jié)構(gòu)的損壞，防止海洋污染是目前急需解決的問(wèn)題.

FPSO在生命周期內(nèi)都固定在目標(biāo)海域，即使在百年一遇的極端海洋環(huán)境，也不會(huì)解脫進(jìn)行避航作業(yè)，所以在各種海洋環(huán)境條件對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)性能和系泊系統(tǒng)總體性能的預(yù)報(bào)也勢(shì)在必行.目前，有關(guān)極端海況條件下海上浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的文獻(xiàn)并不是很多，而且大多集中在百年一遇的工況.文獻(xiàn)［1］中分析了百年一遇極端工況下FPSO系泊系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng).文獻(xiàn)［2］中運(yùn)用先靜力在位分析，再利用海洋環(huán)境回歸參數(shù)進(jìn)行倒塌分析得到導(dǎo)管架平臺(tái)在極限環(huán)境條件下的極限承載力.文獻(xiàn)［3］中在時(shí)域分析時(shí)考慮系泊系統(tǒng)與FPSO的耦合作用，預(yù)報(bào)南海500年一遇季風(fēng)和500年一遇臺(tái)風(fēng)極端海洋環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜受力，并在試驗(yàn)水池進(jìn)行FPSO在500年一遇臺(tái)風(fēng)和500年一遇季風(fēng)條件下的模型試驗(yàn)，而且試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果吻合良好.文獻(xiàn)［4］中對(duì)工作在墨西哥灣海域轉(zhuǎn)塔系泊方式FPSO在百年一遇極端海況極端條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究，分析了FPSO在百年一遇極端海洋環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)性能以及系泊線受力.文獻(xiàn)［5］中對(duì)塔系泊方式FPSO在線性和非線性環(huán)境條件的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分別進(jìn)行了數(shù)值和試驗(yàn)研究.文獻(xiàn)［6］中研究了百年一遇的颶風(fēng)環(huán)境中內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊的FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并且進(jìn)行時(shí)域分析計(jì)算，得到了FPSO在颶風(fēng)環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線.文獻(xiàn)［7］中對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FPSO在瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)50 m/s的暴風(fēng)海況條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析計(jì)算.文獻(xiàn)［8］中采用時(shí)域耦合分析方法對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FPSO在914.4 m水池、1 828.8 m水池以及3 048 m水深的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)做分析研究，分析過(guò)程中考慮立管和系泊纜的耦合作用，并對(duì)不同阻尼系數(shù)對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響進(jìn)行比較分析，研究結(jié)果表明建立全耦合FPSO數(shù)值模型是有必要的;文獻(xiàn)［9］中定量分析了系泊系統(tǒng)不同參數(shù)對(duì)FPSO系統(tǒng)抵抗環(huán)境載荷能力的影響;文獻(xiàn)［10］中采用理論結(jié)合試驗(yàn)的方法研究了試驗(yàn)過(guò)程中，不同的系泊纜參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的潛在影響;文獻(xiàn)［11］中探究了布鏈形式、預(yù)張力對(duì)系泊系統(tǒng)整體的影響，提出了適合于環(huán)境載荷的大型集裝箱船碼頭系泊形式.文中主要分析了500年一遇波浪主控環(huán)境條件下Nominal波峰Tp，95%Tp和 97% 有義波高 Hs，90%Tp和 92%Hs，85%Tp和87%Hs，500年一遇海況風(fēng)主控環(huán)境條件，500年一遇海況流主控環(huán)境條件，為FPSO的基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，用數(shù)值模擬的方法預(yù)報(bào)極端海洋環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)總體性能，獲得的結(jié)果對(duì)于今后海洋工程領(lǐng)域的研究具有參考意義.

1 錨泊系統(tǒng)的耦合分析

1.1 FPSO輻射繞射分析

在進(jìn)行時(shí)域耦合分析之前，必須運(yùn)用三維勢(shì)流理論對(duì)平臺(tái)進(jìn)行輻射繞射分析.通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程式(1)，求解在不同的波浪入射角和頻率的規(guī)則波下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，即RAO.

式中:Ms為平臺(tái)質(zhì)量矩陣;Ma為平臺(tái)附加質(zhì)量矩陣;C為平臺(tái)阻尼矩陣;Ks為平臺(tái)總剛度矩陣;F為平臺(tái)受到的波浪力矩陣;ω為入射波頻率.

1.2 系泊線受力分析

AQWA軟件采用基于懸鏈線法有限元法分析系泊線靜態(tài)受力，具體的懸鏈線方程式見(jiàn)(2～5)，動(dòng)態(tài)受力采用集中質(zhì)量法.應(yīng)用離散思想對(duì)系泊纜進(jìn)行分段，段與段之間通過(guò)有質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，段是沒(méi)有質(zhì)量的且被看作是剛體或者彈性體，同時(shí)假設(shè)系泊纜的重力、浮力、慣性力以及流體拖曳力等都集中作用于節(jié)點(diǎn)上，每段系泊纜的質(zhì)量、附連水質(zhì)量和流體拖曳力平均分配到每段兩端的節(jié)點(diǎn)上.

式中:H為系泊線頂部水平張力;l為單位長(zhǎng)度;V為系泊線頂部垂向張力;T為總張力;L為系泊線未變形的原長(zhǎng);AE為單位長(zhǎng)度系泊線剛度;X為系泊半徑;w為單位長(zhǎng)度濕重;Z為系泊線的垂直高度.

1.3 時(shí)域耦合分析

浮體的水動(dòng)力分析采用間接時(shí)域法、水動(dòng)力計(jì)算軟件AQWA基于三維勢(shì)流理論，分別對(duì)浮體的幅值響應(yīng)函數(shù)、一階波浪力、波浪漂移力、附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)等水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解.得到水動(dòng)力參數(shù)后應(yīng)用傅里葉變換在全耦合分析軟件OrcaFlex中進(jìn)行時(shí)域分析.浮體運(yùn)動(dòng)方程可表示為:

式中:Ms為浮體質(zhì)量;Ma為浮體附加質(zhì)量;K為靜水剛度;x(t)為位移矢量;h(t)為加速度卷積積分函數(shù);F(t)為總的外部力，包含波浪激勵(lì)力、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等.

最后利用全耦合的方法分析浮體及系泊纜的耦合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為:

式中:M為系統(tǒng)慣性力矢量;C為系統(tǒng)阻尼力矢量;K為系統(tǒng)基于單元?jiǎng)偠鹊拿恳凰矔r(shí)應(yīng)力;F包括重力、浮力、系泊力、海洋環(huán)境力和一些特定的外力等.

2 FPSO系泊系統(tǒng)以及環(huán)境參數(shù)

2.1 FPSO系統(tǒng)參數(shù)

表1為15萬(wàn)噸FPSO具體參數(shù).圖1，2分別為FPSO有限元模型和系泊線布置方式，系泊線采用三段式結(jié)構(gòu)，系泊線具體參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 FPSO主尺度參數(shù)及屬性Table 1 Principle dimension and properties of FPSO

圖1 FPSO有限元模型Fig.1 Finite element model of FPSO

圖2 系泊布置分布Fig.2 Mooring line arrangement

表2 15萬(wàn)噸FPSO系泊系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Mooring system parameters of 150000 DWT FPSO

2.2 環(huán)境參數(shù)

驗(yàn)證15萬(wàn)噸單點(diǎn)系泊的FPSO在500年一遇極端海況條件下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及單根系泊線張力響應(yīng).具體的環(huán)境工況如表3～6所示.表中:Hs為有義波高，Tp為波峰，θwα為波浪角度，Vwi為風(fēng)速，θwi為風(fēng)向，Vcu為流速，θcu為流向.

表3 500年一遇海況波浪主控環(huán)境條件Table 3 Environmental conditions under 500-year return period induced by wave

表4 500年一遇海況風(fēng)主控環(huán)境條件Table 4 Environmental conditions under 500-yearreturn period induced by wind

表5 500年一遇海況流主控環(huán)境條件Table 5 Environmental conditions under 500-yearreturn period induced by current

表6 500年一遇海況波浪主控環(huán)境條件—95%Tp，97%HsTable 6 Environmental conditions under 500-year return period induced by wave(95%Tp＆97%Hs)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

時(shí)域計(jì)算采用數(shù)值軟件OrcaFlex，表7為500年一遇極端海況條件下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及單根系泊線張力F響應(yīng)，從圖3～5中可以看出，500年一遇的海況環(huán)境下FPSO壓載狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值明顯大于滿載狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，部分工況壓載狀態(tài)比滿載狀態(tài)下縱蕩位移D超出100 m;環(huán)境條件為500年一遇海況風(fēng)主控環(huán)境條件時(shí)，F(xiàn)PSO滿載載況時(shí)比500年一遇海況流主控環(huán)境條件時(shí)要縱蕩橫蕩值大，但是FPSO壓載載況時(shí)要小.這是由于壓載載況時(shí)，F(xiàn)PSO受風(fēng)面積大，風(fēng)對(duì)該FPSO影響比流的影響要大.由表8可以看出，不同Hs和Tp對(duì)FPSO動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響也不一樣，無(wú)論滿載和壓載載況，低的Hs和Tp都可以降低FPSO的縱蕩和橫蕩值.當(dāng)風(fēng)浪流成夾角時(shí)，系泊線受力最大.

表7 極端海況條件下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及單根系泊線張力Table 7 FPSO Motion response and mooring line tension under extreme sea conditions

圖3 波浪主控環(huán)境結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison results under wave dominate condition

圖4 風(fēng)主控環(huán)境結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison results under wind dominate condition

圖5 流主控環(huán)境結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison results under current dominate condition

表8 500年一遇海況波浪主控環(huán)境條件不同Hs和Tp下FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及單根系泊線張力Table 8 FPSO motion response and mooring line tension under wave dominate condition

4 結(jié)論

1)應(yīng)用大型水動(dòng)力軟件AQWA和OCRAFLEX對(duì)15萬(wàn)噸深水單點(diǎn)系泊系統(tǒng)FPSO在500年一遇海況風(fēng)浪流各主控環(huán)境下進(jìn)行了頻域和時(shí)域分析，經(jīng)過(guò)頻域分析得到了RAO和QTF等一系列水動(dòng)力參數(shù).FPSO在極端的海洋環(huán)境中產(chǎn)生的大幅慢漂運(yùn)動(dòng)對(duì)FPSO的安全有著至關(guān)重要的影響，通過(guò)動(dòng)態(tài)耦合分析，獲得了FPSO在極端海況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)的總體性能.

2)FPSO壓載狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值大于滿載狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，不同的主控環(huán)境對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響也不一樣，波浪主控環(huán)境對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)的影響最大.風(fēng)和流的影響與FPSO船型具體的風(fēng)流系數(shù)關(guān)系密切.Tp和Hs對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值也有較大的影響且風(fēng)浪流成夾角作用時(shí)對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響更加明顯.

3)風(fēng)與流對(duì)錨泊線的影響相比于普通環(huán)境有較大程度的增強(qiáng).波浪入射角的方向?qū)ο挡淳€的張力影響較大，滿載狀態(tài)下的系泊線最大張力又比壓載狀態(tài)下的系泊線張力大.

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