海上移動平臺和FPSO拖航阻力分析

張海燕

(中國船級社海工技術(shù)中心， 天津 300457)

海上移動平臺和FPSO拖航阻力分析

張海燕

(中國船級社海工技術(shù)中心， 天津 300457)

該文列舉了不同規(guī)范/標準中，海上移動平臺和FPSO拖航時，對環(huán)境條件的要求及計算拖航阻力的經(jīng)驗公式。按照不同經(jīng)驗公式得到了自升式鉆井平臺和FPSO在靜水中的拖航阻力值，并與試驗結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明，在航速大于4 kn時，按照CCS《海上拖航指南》中的經(jīng)驗公式，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度更快，剩余阻力起控制作用。采用經(jīng)驗公式和數(shù)值分析對自升式鉆井平臺、FPSO和半潛平臺拖航波浪阻力進行了計算，結(jié)果表明，《海上拖航指南》經(jīng)驗公式計算的波浪阻力是最小的。

移動平臺；FPSO；拖航阻力

0 引言

隨著我國海洋石油開發(fā)的逐步深入，包括自升式鉆井平臺、半潛平臺和FPSO在內(nèi)的海上移動平臺的數(shù)量在不斷地增長。這些平臺大多數(shù)都是非自航的，在從一個作業(yè)區(qū)到其他作業(yè)區(qū)時，需要船舶的拖帶才能移動。選擇合適的拖帶船舶和拖曳設(shè)備的主要依據(jù)是拖航時平臺在可能的最惡劣環(huán)境條件下所受到的阻力(即拖航阻力)，因此，拖航阻力的估算在平臺管理中起著重要作用。

現(xiàn)階段對海上移動平臺、FPSO的拖航阻力進行了廣泛的研究，各船級社也給出了拖航阻力的經(jīng)驗公式。侯林等[1]對一自升式平臺進行了靜水和不規(guī)則波作用下的拖航試驗，得到了不同航速和有義波高時的拖航阻力值。杜慶貴等[2]對半潛式鉆井平臺的拖航阻力進行了數(shù)值模擬，得到了不同截面形式的拖航阻力。CCS也提出了拖航時對海上移動平臺、其他海上設(shè)施、拖船、拖曳設(shè)備及索具的要求，并給出了計算拖航阻力的經(jīng)驗公式。

該文列舉了不同規(guī)范/標準中有關(guān)移動平臺、FPSO拖航時對環(huán)境條件的要求和計算拖航阻力的經(jīng)驗公式。按照不同公式計算自升式鉆井平臺和FPSO在靜水中拖航阻力值，并與試驗結(jié)果進行對比分析；采用經(jīng)驗公式和數(shù)值分析對自升式鉆井平臺、FPSO和半潛平臺的波浪阻力進行計算；采用經(jīng)驗公式對自升式平臺和半潛平臺的流阻力進行計算，并和試驗結(jié)果進行對比分析。

1 拖航環(huán)境條件

海上移動平臺和FPSO在實際拖航中的環(huán)境條件遠比計算拖航環(huán)境海況好得多，但在拖航過程中有可能遇到惡劣海況，因此，計算極端海況下的拖航阻力是能保證拖航安全的必要條件，并需充分考慮拖航時正常操作和緊急操作的要求，不同規(guī)范中計算拖航阻力的環(huán)境條件見表1。

表1 環(huán)境條件

注：在靜水中拖航要求：移動平臺拖航時，拖航速度不小于4kn；拖帶半潛式平臺，拖航速度不小于5 kn；具有自航能力的半潛式平臺，拖航時若同時開動其推進主機，則其疊加拖航速度應(yīng)不大于10 kn

2 靜水中拖航阻力分析

2.1 分析方法

海洋平臺和FPSO在靜水中的阻力包括裸體阻力和附體阻力。裸體阻力包括摩擦阻力、粘壓阻力(也稱旋渦阻力)和興波阻力。粘壓阻力所占比重不大，且很難和興波阻力分開，通常把粘壓阻力和興波阻力合并在一起稱為剩余阻力。因此，在計算靜水中拖航阻力時，僅需計算摩擦阻力和剩余阻力，必要時考慮附加阻力[3]。摩擦阻力僅與雷諾數(shù)有關(guān)，剩余阻力僅與傅汝德數(shù)有關(guān)。

(1) ITTC中的經(jīng)驗公式

由于在靜水中拖航的速度不小于4 kn，海洋平臺、 FPSO是在紊流中運動，可以使用ITTC中的公式計算摩擦阻力(以下簡稱“ITTC阻力”)。根據(jù)雷諾數(shù)變化范圍，摩擦阻力按照式(1)、式(2)計算。

當雷諾數(shù)Re<2×107時，其摩擦阻力為：

(1)

式中：摩擦阻力系數(shù)CF呈指數(shù)分布，CF=0.074×Re-0.2；ρ為海水密度；V為拖航速度；S為被拖物濕表面面積。

當雷諾數(shù)Re>2×107時，其摩擦阻力為：

(2)

式中：CF為摩擦阻力系數(shù)，呈對數(shù)分布。大量的試驗證明，當Re≥2×107時，ΔCF趨于固定值。據(jù)此，在傅妝德?lián)Q算方法中，常取ΔCF=0.4×10-3作為實船粗糙度補貼。

(3)

式中：L為船長；ν為水的粘性系數(shù)(與溫度有關(guān))。

(2) 《海上拖航指南》中的經(jīng)驗公式

《海上拖航指南》中給出的摩擦阻力RF和剩余阻力RB的計算公式分別為[3]：

(4)

(5)

(3) 《Towing》中的經(jīng)驗公式

英國OPL出版的油田海船第四卷《Towing》，其摩擦阻力和剩余阻力按照式(6)、式(7)計算：

(6)

式中：F1為被拖物濕表面海生物生長狀況系數(shù)。F1=0.3時，表面清潔無附著物；F1=0.4時，表面清潔有粘性物；F1=0.5時，表面有輕微的海生物；F1=0.6時，表面有輕微的海生物/小貝殼類附著物；F1=0.7時，表面有輕微的海生物/貝殼類附著物；F1=0.8時，表面有中等量的海生物/貝殼類附著物；F1=0.9時，表面有大量的海生物/貝殼類附著物/明顯外凸表面。

(7)

式中：F2為被拖物拖曳設(shè)備配備的位置，對于平臺一般選取0.8～1.0，船型一般選取0.3～0.5。

(4)模型試驗

按照相似定律，確定模型和實物各個量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，制作海洋平臺、FPSO的簡化模型，在拖曳水池中做拖航模型試驗，測量移動平臺、FPSO的拖航阻力。

2.2 實例分析

對某自升式鉆井平臺(四個圓柱形樁腿)和FPSO拖航阻力進行分析，平臺參數(shù)見表2。

表2 平臺參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

在溫度為0℃、10℃和20℃時平臺的雷諾數(shù)、按照不同經(jīng)驗公式計算的拖航阻力及試驗測得的拖航阻力見表3、表4。根據(jù)表3、表4中給出的某自升式平臺、FPSO在靜水中拖航阻力可知：

(1) 使用ITTC中的經(jīng)驗公式得到的平臺在靜水中拖航阻力偏小，這是由于該公式僅計算摩擦阻力而沒有考慮剩余阻力。因此，盡量不要使用這個經(jīng)驗公式計算海上移動平臺和FPSO在靜水中的拖航阻力。

(2) 對某自升式平臺，模型試驗得到的拖航阻力比《指南》和《Towing》中經(jīng)驗公式計算數(shù)值要大，且《Towing》中經(jīng)驗公式比《指南》中經(jīng)驗公式計算出拖航阻力大；對FPSO，模型試驗得到的拖航阻力比《指南》中經(jīng)驗公式計算值要小，但比《Towing》中經(jīng)驗公式計算值要大。

(3) 《指南》中隨著拖航速度的增加，剩余阻力隨拖航速度呈指數(shù)增加，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度更快，拖航阻力基本上是剩余阻力起控制作用。

表3 某自升式鉆井平臺靜水中拖航阻力

表4 FPSO靜水中拖航阻力

3 考慮環(huán)境條件拖航阻力分析

海洋平臺和FPSO在靜水中計算拖航阻力數(shù)值時，無論使用經(jīng)驗公式還是模型試驗得到的拖航阻力值，都比在考慮環(huán)境條件下得到的結(jié)果小得多，尤其是在極端環(huán)境條件下的拖航阻力值。

3.1 風阻力

由于海洋平臺和FPSO在上甲板以上構(gòu)件較多，受風面積較大，致使風阻力占的比重較大。有時風阻力能達到波、流阻力之和的兩倍(尤其是自升式平臺)。各船級社和行業(yè)標準中均有計算風阻力的方法，風阻力的計算可參照參考文獻[8]。

3.2 波浪阻力

波浪力的計算方法有模型試驗、數(shù)值計算及經(jīng)驗公式，對不同船級的平臺，選用不同方法，計算出的波浪阻力會相差很大。

3.2.1 計算方法

(1) DNV波浪阻力計算公式

波浪阻力隨著拖航速度增加呈線性變化，計算公式為[4]：

(8)

式中：B11為波浪阻力阻尼。

在拖航速度為0時，波浪阻力簡化如下：

(9)

式中：HS為有義波高；R為系數(shù)，對方形面R= 1.00，垂直圓柱R= 0.88。

(2)CCS波浪阻力計算公式

CCS拖航須知中波浪阻力的計算公式為[10]：

(10)

(3) 數(shù)值計算

在軟件中建立平臺模型，進行線性繞射理論分析，確定波浪阻力系數(shù)，波浪阻力按式(11)計算：

(11)

式中：WD(w)為方向分布函數(shù)；S(w)為波譜。

(12)

3.2.2 實例分析

對某自升式平臺、FPSO和某半潛平臺波浪阻力進行了計算，計算結(jié)果見表6。

表5 波浪阻力

注：半潛平臺參數(shù)為：下浮體長L=104.5m，單個下浮體寬B=16.5m，下浮體高D=10.05m，拖航吃水d=9.75m。

3.2.3 計算結(jié)果分析

對自升式平臺、FPSO和某半潛平臺，CCS經(jīng)驗公式計算的波浪阻力最小，且遠小于DNV經(jīng)驗公式和數(shù)值計算結(jié)果。而對于半潛平臺和FPSO等大尺度結(jié)構(gòu)物，盡量使用模型試驗數(shù)據(jù)或軟件計算結(jié)果更接近拖航的實際載荷。

3.3 流阻力

3.3.1 計算方法

通常采用以下做法計算拖航時的流阻力：(1) 在靜水中1 kn拖航速度的拖航阻力記為1 kn流速產(chǎn)生的拖航阻力；(2) 使用風洞試驗測得在水線以下構(gòu)件的流阻力；(3) 按照式(13)～式(15)計算。 根據(jù)不同構(gòu)件計算的流阻力的公式如下[11]：

(1) 首部或尾部流在有線型的船體上產(chǎn)生的力

(13)

式中：Fcx為首部的流力；Ccx為首部的流力系數(shù)；S為船體的濕表面積，包括附件；Vc為設(shè)計流速。

(2) 橫向流在直線型的船體上產(chǎn)生的力

(14)

式中：Fcy為橫向流力；Ccy為橫向流力系數(shù)，Ccy=72.37N·S2/m4。

(3) 流在半潛式船體上產(chǎn)生的力

(15)

式中：Fcs為流力；Ccs為半潛式船體的流力系數(shù)；Cd為阻力系數(shù)(無量綱)；Ac為所有水下圓柱形構(gòu)件總投影面積之和；Af為所有水下便平面的構(gòu)件總投影面積之和。

計算作用在平臺水下部分構(gòu)件的海流載荷計算公式如下：

(16)

式中：CD為拖曳力系數(shù)。對于拖航自升式平臺、半潛平臺和FPSO等大尺寸結(jié)構(gòu)物，CD由試驗確定。

3.3.2 實例分析

按照方法1～3對某自升式平臺和某半潛平臺拖航流阻力進行計算，結(jié)果見表7。

表7 流阻力 單位：kN

注：計算半潛平臺拖航流阻力時流為1 m/s。

3.3.3 計算結(jié)果分析

由表7可知，實驗結(jié)果和經(jīng)驗公式計算結(jié)果相差較大。對半潛式平臺，撐桿位置及尺寸對波浪阻力的影響較大，這與自升式平臺體的計算是不同的。

4 結(jié)論

通過對海洋移動平臺、FPSO拖航環(huán)境條件比較，及按照不同經(jīng)驗公式得到的自升式平臺、FPSO和半潛平臺拖航阻力值和試驗結(jié)果進行對比分析，得出結(jié)論如下：

(1) 對拖航時極端環(huán)境條件，除了DNV要求1 m/s流速外，其它船級社和行業(yè)標準要求是一致的。

(2) 靜水中拖航的波浪阻力經(jīng)驗公式計算結(jié)果與其他經(jīng)驗公式及模型試驗結(jié)果相差很大。公式中拖航阻力僅為浸水部分船中橫剖面積和航速的函數(shù)，缺少摩擦阻力系數(shù)對拖航阻力的影響，有待于通過模型試驗進一步優(yōu)化。

(3) 在考慮惡劣環(huán)境條件拖航時，經(jīng)驗公式計算的波浪阻力是最小的。可以通過模型試驗和多元統(tǒng)計相結(jié)合的方法對經(jīng)驗公式進行修正，并針對海上移動平臺、FPSO的結(jié)構(gòu)特點，確定相應(yīng)的影響系數(shù)。

(4) 目前，流阻力經(jīng)驗公式得到的結(jié)果和實驗結(jié)果存在很大差異，有待于通過模型試驗修正不同形式的移動平臺、 FPSO流阻力的經(jīng)驗公式。

[ 1 ] 侯金林, 勾 瑩, 譚越，等. 自升式平臺拖航阻力試驗研究[J]. 中國海洋平臺, 2011, 26(6): 31-34.

[ 2 ] 杜慶貴,馮 瑋, 宴紹枝，等. 半潛式鉆井平臺幾類橫撐形式的拖航阻力研究[J]. 中國海洋平臺, 2011, 26(4): 41-46.

[ 3 ] 中國船級社. 海上拖航指南[S]. 2011.

[ 4 ] DNV. Modeling and analysis of marine operations[S]. 2011.

[ 5 ] DNV. Position mooring[S]. 2010.

[ 6 ] IMO MSC. Guidelines for safe ocean towing[S]. 1998.

[ 7 ] GL Noble Denton. Guidelines for marine transportations[S]. 2013.

[ 8 ] 中國船級社. 海上移動平臺入級規(guī)范[S]. 2012.

[ 9 ] 沈浦根. 拖航阻力的分類與計算[J]. 航海技術(shù), 2007, 29(2): 27-28.

[10] 中國船級社. 海上設(shè)施檢驗須知[S]. 1995.

[11] American Petroleum Institute. Recommended practice for the analysis of spread mooring systems for floating drilling units [S].1987.

Towing Resistance Analysis of Mobile Offshore Units and FPSO

ZHANG Hai-yan

(Offshore Engineering Technology Center of China Class Society, Tianjin 300457)

Towing requirements to environmental conditions and the towing resistance of experience formula of mobile offshore unit and FPSO are enumerated according to different rules and specification/standard. Towing resistance value of jack-up drilling unit and FPSO in the hydrostatic are obtained according to the different empirical formula and the experimental results. The results show that the residual resistance increases faster than frictional resistance at the speed of more than 4 knots in accordance with the CCS towing guide at the sea. Wave resistance of jack-up drilling unit, FPSO and semi-submersible unit are calculated using the empirical formula and the numerical analysis. The results indicate that wave resistance is least according to CCS towing guide at the sea.

mobile unit; FPSO; towing resistance

2014-12-19

張海燕(1978-)，女，高級工程師。

1001-4500(2015)05-0074-06

P75

A