西非海域環(huán)境條件下FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)特性研究

楊 玥 王 璞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

西非海域環(huán)境條件下FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)特性研究

楊 玥 王 璞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］針對(duì)在西非海域作業(yè)的某多點(diǎn)系泊30萬噸FPSO，研究西非海域特定環(huán)境條件下的雙向風(fēng)浪及涌浪的聯(lián)合作用對(duì)該FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的影響。文中基于三維勢(shì)流理論對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，并與試驗(yàn)值幅值響應(yīng)算子（RAO）對(duì)比。利用雙Ochi-Hubble譜的短期預(yù)報(bào)，論述FPSO在雙方向風(fēng)浪及涌浪作用下的運(yùn)動(dòng)幅值、加速度及載荷響應(yīng)；論述涌浪方向?qū)\(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的影響，并考慮涌浪周期敏感性的影響，對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)加速度、幅值、波浪彎矩、波浪剪力進(jìn)行數(shù)值分析；總結(jié)了FPSO在雙方向風(fēng)浪及涌浪作用下運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)根據(jù)浪向的變化特點(diǎn)，以及FPSO波浪載荷受風(fēng)浪和涌浪周期敏感性影響的特點(diǎn)，為西非FPSO后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

［關(guān)鍵詞］西非海域；雙方向風(fēng)浪及涌浪；運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)；敏感性分析

引 言

隨著目前國際市場(chǎng)對(duì)石油天然氣資源的需求越來越高，西非海域作為海洋油氣資源開發(fā)的主要熱點(diǎn)地區(qū)之一，也日益受到重視。其中在西非海域的安哥拉深水區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)36個(gè)油氣田，并還在增加。由于FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)快、投資低、儲(chǔ)油能力大、抗風(fēng)浪環(huán)境能力強(qiáng)、應(yīng)用靈活、經(jīng)濟(jì)性和適用性都較好，在西非海域得到了廣泛應(yīng)用［1］。目前西非海域主要的FPSO應(yīng)用分布如圖1所示，主要集中在安哥拉、幾內(nèi)亞等區(qū)域，并有較多的FPSO都用于水深大于500 m的環(huán)境條件下，系泊主要采用多點(diǎn)系泊方式。

圖1 西非海域FPSO應(yīng)用分布

由于西非海域內(nèi)存在能量較大的長周期涌浪與短周期風(fēng)浪的共同作用，因此較其他海域的波浪條件有明顯區(qū)別。國內(nèi)外很多學(xué)者通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬的方法，探索西非涌浪和風(fēng)浪的特點(diǎn)及其對(duì)浮式平臺(tái)的影響。Violante［2］、Nerzic［3］等通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)西非海域涌浪對(duì)風(fēng)浪的產(chǎn)生沒有明顯影響，并分別提出涌浪的能量模擬方法及環(huán)境數(shù)據(jù)庫；Elzbieta［4］通過研究提出在西非環(huán)境下，需要雙峰譜模擬風(fēng)浪及涌浪；Zhao和Wu［5］提出引入兩個(gè)控制波浪譜參數(shù)以模擬涌浪和風(fēng)浪并研究作用在FPSO上的極限波浪載荷等。

本文以一艘作業(yè)于西非安哥拉深水海域下的多點(diǎn)系泊30萬噸FPSO為研究背景，對(duì)西非海域的風(fēng)生浪、涌浪進(jìn)行詳細(xì)研究并總結(jié)其特點(diǎn)，利用三維勢(shì)流理論對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析并與試驗(yàn)值對(duì)比，利用雙波浪譜模擬并分析FPSO風(fēng)浪和涌浪聯(lián)合分布下的運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)，進(jìn)行FPSO對(duì)涌浪方向及周期變化的敏感性分析，為后續(xù)FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 西非海浪條件概述

西非海域的海浪特性較為特殊，與中國南海海域基本由風(fēng)浪主導(dǎo)的典型特性不同，西非海域的波浪主要包括風(fēng)生浪及涌浪，兩種波浪的組合較為獨(dú)立，可以同時(shí)存在不同方向、不同有義波高與周期的風(fēng)浪和涌浪。涌浪作為西非海域的主要波浪成分，波高條件相對(duì)較溫和，以安哥拉某區(qū)塊海域?yàn)槔?，涌浪的百年一遇有義波高僅為4.5 m，但其周期相對(duì)較長，90%都集中在14.9 ～ 18.8 s之間，涌浪的方向和形狀也較固定，因此該海域的涌浪能量相對(duì)集中在一定方向范圍內(nèi)的低頻區(qū)域；而風(fēng)浪的不規(guī)則性比較強(qiáng)。西非海域這種特殊的涌浪現(xiàn)象， 會(huì)導(dǎo)致更深層水粒子的運(yùn)動(dòng)，可能對(duì)FPSO這種大面積船底的浮體作用產(chǎn)生較大響應(yīng)［6］，因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)予以重視。

本文以西非海域安哥拉某區(qū)塊為例進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境參數(shù)見表1。

表1 西非環(huán)境條件參數(shù)

2 FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

以某30萬噸FPSO為研究對(duì)象，其主尺度如下：水線間長LWL為304.0 m、型寬B為62.8 m、型深D為33.2 m、設(shè)計(jì)吃水T為23.2 m、方形系數(shù) Cb為0.938。利用BV船級(jí)社的HydroSTAR軟件對(duì)該FPSO進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值分析，得到六自由度運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子（RAO）。三維邊界元模型如圖2所示，水動(dòng)力性能計(jì)算時(shí)所取坐標(biāo)系定義見圖3。

圖2 三維邊界元模型

圖3 水動(dòng)力性能分析的坐標(biāo)系及波浪方向定義

圖4 FPSO幅值響應(yīng)算子（橫搖90°）

圖5 FPSO幅值響應(yīng)算子（垂蕩90°）

圖6 FPSO幅值響應(yīng)算子（縱搖0°）

將計(jì)算結(jié)果與參考的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（白噪聲試驗(yàn)）對(duì)比［7］，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，如圖4 -圖6所示。通過RAO結(jié)果可以看出，較之升沉運(yùn)動(dòng)，縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)頻率與西非涌浪的頻率較接近，預(yù)報(bào)得到的縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，且對(duì)于涌浪周期變化較敏感。通過對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)RAO數(shù)值分析結(jié)果及白噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，確定了該運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果較可靠，可以繼續(xù)進(jìn)行波浪載荷RAO的分析求解。

求解FPSO的運(yùn)動(dòng)方程后，即可求解并得到各目標(biāo)剖面的波浪載荷RAO，以RAO幅值最大的剖面為例，其垂向彎矩My、垂向剪力Fz及水平彎矩Mz的RAO結(jié)果見下頁圖7 -圖9。

3 雙方向風(fēng)浪及涌浪下運(yùn)動(dòng)及載荷譜分析

圖7 截面垂向彎矩RAO （x = 146.0 m = 0.48L）

圖8 截面垂向剪力RAO （x = 45.0 m = 0.15L）

圖9 截面水平彎矩RAO （x = 156.0 m = 0.51L）

針對(duì)西非風(fēng)浪和涌浪同時(shí)存在的水文特征，需要選擇合理的波浪譜對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷進(jìn)行譜分析。就波浪能量而言，不能忽略涌浪作為西非海域影響船體運(yùn)動(dòng)及波浪載荷大小的主控因素，因此在進(jìn)行西非海域運(yùn)動(dòng)及波浪載荷研究時(shí)，需要考慮各方向風(fēng)浪和涌浪的聯(lián)合作用。多點(diǎn)系泊FPSO受雙向風(fēng)浪和涌浪作用示意圖，以及譜分析時(shí)的波浪方向定義見圖10。

圖10 多點(diǎn)系泊FPSO受雙向風(fēng)浪、涌浪作用及譜分析時(shí)的波浪方向定義示意圖

進(jìn)行FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷譜分析時(shí)，結(jié)合西非海域波浪能量特點(diǎn)，本文分析中以兩個(gè)Ochi-Hubble波浪譜分別模擬西非海域的涌浪和風(fēng)浪。Ochi-Hubble波浪譜的譜密度函數(shù)如下［8］：

式中：ω為圓頻率（rad/s）， Hs為有義波高， ωp為峰值圓頻率，λ為譜形狀因子。

由于涌浪作為西非海域的主導(dǎo)波浪，因此考慮涌浪和風(fēng)浪在不同角度下的組合時(shí)，指定涌浪角度（即涌浪與船首夾角），風(fēng)浪在0°～ 360°范圍變化（間隔15°），分析考慮以下七類組合，見表2。

表2 涌浪及風(fēng)浪組合工況

以西非海域百年一遇的風(fēng)浪和涌浪的組合作為FPSO生存工況下的環(huán)境條件，以涌浪0°（譜分析中表示船首迎浪）、風(fēng)浪45°為例，該組合下的波浪譜如圖11所示。

圖11 西非海浪譜密度函數(shù)（雙O-H譜，涌浪方向0°，λ1= 6.0；風(fēng)浪方向45°，λ2= 1.0°。）

利用這種雙Ochi-Hubble波浪譜，對(duì)水動(dòng)力分析中得到的FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)RAO進(jìn)行譜分析，可以得到FPSO在西非百年一遇環(huán)境條件下運(yùn)動(dòng)及載荷預(yù)報(bào)值。表3列出了只考慮涌浪或風(fēng)浪以及以雙O-H譜考慮涌浪和風(fēng)浪聯(lián)合作用的FPSO運(yùn)動(dòng)幅值、加速度以及波浪載荷預(yù)報(bào)最大值的對(duì)比。

表3 FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)預(yù)報(bào)值對(duì)比

通過對(duì)FPSO在風(fēng)浪及涌浪聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)波浪載荷預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于FPSO的運(yùn)動(dòng)，涌浪是主控條件。這是由于涌浪的周期與橫搖、縱搖及升沉的響應(yīng)幅值周期較接近，波浪能量較大。對(duì)于垂向波浪載荷，由于同樣的原因，涌浪造成的載荷也占較大比重；而對(duì)于水平彎矩，其響應(yīng)幅值周期位于風(fēng)浪和涌浪周期之間，風(fēng)浪和涌浪造成的載荷大體相當(dāng)。因此，進(jìn)行FPSO波浪載荷分析時(shí)，風(fēng)浪也有不可忽略的作用，考慮不同方向風(fēng)浪和涌浪的聯(lián)合作用是必要的。

4 涌浪方向?qū)PSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的影響

由于涌浪的能量主要集中在低頻范圍，波長相對(duì)較長，對(duì)于FPSO這類船長尺度較大的船，由第2節(jié)的運(yùn)動(dòng)及載荷RAO結(jié)果可以看出，涌浪周期與其運(yùn)動(dòng)及波浪載荷幅值周期較接近，因此FPSO的運(yùn)動(dòng)及波浪載荷分布都會(huì)受到涌浪方向及周期的顯著影響。表4列出了西非百年一遇環(huán)境條件下，F(xiàn)PSO遭遇不同主導(dǎo)涌浪方向下的運(yùn)動(dòng)幅值及加速度的對(duì)比值，該值為涌浪方向一定、風(fēng)浪方向在0°～ 345°內(nèi)變化的預(yù)報(bào)結(jié)果最大值。圖12 -圖14分別給出了不同主導(dǎo)涌浪方向下波浪載荷預(yù)報(bào)值及規(guī)范值的對(duì)比結(jié)果。

表4 不同主導(dǎo)涌浪方向下FPSO運(yùn)動(dòng)幅值及加速度對(duì)比值

圖12 不同主導(dǎo)涌浪方向下垂向彎矩分布

圖13 不同主導(dǎo)涌浪方向下垂向剪力分布

圖14 不同主導(dǎo)涌浪方向下水平彎矩分布

以上結(jié)果驗(yàn)證了涌浪方向?qū)τ贔PSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)均具有較大影響。橫搖及升沉運(yùn)動(dòng)幅值及加速度均隨著涌浪與船首夾角增大而迅速增大。波浪載荷也隨涌浪方向改變而變化顯著，涌浪為0°時(shí)出現(xiàn)最大垂向彎矩和剪力，但由于西非環(huán)境較為溫和，因此各波浪載荷均小于規(guī)范值。

根據(jù)西非涌浪和風(fēng)浪的分布統(tǒng)計(jì)資料，涌浪浪向主要集中在一定角度范圍內(nèi)，而風(fēng)浪分布則跟季節(jié)風(fēng)向相關(guān)。針對(duì)西非這種環(huán)境特性，F(xiàn)PSO在多點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)時(shí)，可以涌浪方向?yàn)橹饕朔较?，將涌浪控制在一定角度迎浪范圍?nèi)，以達(dá)到控制并減小其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的目的，確保FPSO的使用及安全性。

5 涌浪周期敏感性對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的影響

由前幾節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，由于涌浪的周期較長，與FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷的RAO峰值周期較接近，是造成FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的主導(dǎo)因素。將涌浪的周期范圍擴(kuò)大15%，研究涌浪周期敏感性對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的影響。表5及表6分別列出了FPSO運(yùn)動(dòng)幅值及載荷響應(yīng)隨涌浪周期變化的預(yù)報(bào)極值。30萬噸FPSO進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及波浪載荷響應(yīng)分析，得出以下主要結(jié)論：

表5 FPSO運(yùn)動(dòng)幅值隨涌浪周期變化極值

表6 FPSO波浪載荷隨涌浪周期變化極值

（1）通過FPSO運(yùn)動(dòng)數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的擬合和對(duì)比，得到了較可靠的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及載荷響應(yīng)幅值算子（RAO）以及響應(yīng)幅值周期。

（2）以雙波浪譜模擬西非海域雙方向風(fēng)浪及涌浪的聯(lián)合作用，可以較準(zhǔn)確反映西非海域的海況特點(diǎn)。涌浪是造成FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)的主導(dǎo)因素，但對(duì)于波浪載荷的預(yù)報(bào)分析，風(fēng)浪也有不可忽略的作用，考慮不同方向風(fēng)浪和涌浪的聯(lián)合作用是必要的。

（3）涌浪的方向和周期敏感性對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)影響較大，在進(jìn)行西非海域波浪載荷設(shè)計(jì)分析時(shí)，需要結(jié)合FPSO載荷響應(yīng)峰值周期對(duì)涌浪周期進(jìn)行敏感性分析。

由以上分析結(jié)果可以看出：對(duì)于FPSO的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)來說，橫搖和縱搖的響應(yīng)幅值周期都在17 s附近，而升沉的響應(yīng)幅值周期在14 s附近，因此擴(kuò)大涌浪周期范圍后，當(dāng)涌浪周期朝著遠(yuǎn)離其運(yùn)動(dòng)固有周期變化時(shí)，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)相應(yīng)減?。环粗畡t迅速增大，如減小涌浪周期后，橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)都相應(yīng)減小，而升沉運(yùn)動(dòng)則增大。對(duì)于FPSO的波浪載荷來說，也體現(xiàn)了同樣的特點(diǎn)：垂向波浪彎矩和剪力隨著涌浪周期遠(yuǎn)離其響應(yīng)幅值周期（17 s附近）而變??；而水平彎矩則隨著涌浪周期靠近其響應(yīng)幅值周期（14 s附近）而增大。

由以上分析可知，F(xiàn)PSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)對(duì)于涌浪周期的變化較敏感。在進(jìn)行西非海域的結(jié)構(gòu)載荷分析時(shí)，需要結(jié)合FPSO運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)幅值周期進(jìn)行涌浪敏感性分析，才能得到較可靠的運(yùn)動(dòng)及載荷響應(yīng)結(jié)果，確保FPSO設(shè)計(jì)的安全。

［參考文獻(xiàn)］

6 結(jié) 論

［1］ 張磊. 西非涌浪環(huán)境下浮式平臺(tái)水動(dòng)力特性［D］. 上海：上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，2012.

［2］ N. Violante-Carvalho， F.J. Ocampo-Torres， I.S. Robinson，Buoy observations of the influence of swell on wind waves in the open ocean［J］. Applied Ocean Research， Volume 26， Issues 1-2， February-April 2004， Pages 49-60.

［3］ Nerzic C R，F(xiàn)relin M. Prevosto V. Quiniou-Ramus， 2007. Joint distributions of Wind/Waves/Current in West Africa and derivation of multivariate extreme I-FORM contours ［C］//Proc. of ISOPE 2007， Lisbon， Portugal.

［4］ Elzbieta M. Bitner-Gregersen， Alessandro Toffoli， 2009. Uncertainties of wind sea and swell prediction from the Thorsethaugen spectrum［C］//Proc. of OMAE 2009，Hawaii， America， OMAE 2009-80261.

［5］ Zhao Chun-tian， Wu Jer-Fang， 2002. Determination of Extreme Wave Loads on an FPSO in Complicated Wave Conditions［C］//Proc. of ISOPE 2002， Kitakyushu，Japan.

［6］ J.M.J. Journée and W.W. Massie， Offshore hydromechanics ［M］. Delft University of Technology.

［7］ 彭濤. 西非多點(diǎn)系泊FPSO、立管及原油外輸裝置模型試驗(yàn)研究報(bào)告，國家科技重大專項(xiàng)， 2012.

［8］ Starspec User Guide［R］. 2012.

本文通過對(duì)某一作業(yè)于西非海域的多點(diǎn)系泊

［中圖分類號(hào)］U661.1

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0021-07

［收稿日期］2014-10-20；［修回日期］2014-11-23

［作者簡介］楊 玥（1988-），女，碩士，工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。王 璞（1977-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究。

Investigation on wave-induced motion and load response performance of FPSO in Offshore West Africa

YANG Yue WANG Pu

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：The investigation on wave-induced motion and load response is conducted for a multi-point moored 3 00 000 t FPSO in bi-directional wind-sea and swell Offshore West Africa （WOA）. It carries out the numerical analysis of the motion response of FPSO by the 3D potential theory and compares with the tested RAO. By the two Ochi-Hubble wave spectrums for a short-term forecasting， this paper discusses the motion amplitude，acceleration and load responses of FPSO in the bi-directional wind-sea and swell， and numerically analyzes motion acceleration， amplitude， wave bending moment and wave shearing force of FPSO with consideration of the infl uence of the swell direction and sensitivity of swell period. It summarizes the characteristics of motion and load responses of FPSO in the bi-directional wind-sea and swell with varied wave direction and its reaction to the sensitivity of swell period， which can provide references for the further structural design of FPSO in WOA.

Keywords：Offshore West Africa； bi-directional wind-sea and swell； motion and load response； sensitivity analysis