極端海況下FPSO系泊系統(tǒng)安全性評估與分析

鄒佳星，任慧龍，李陳峰

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

超強臺風主要出現(xiàn)在7～11月，中心風速主要集中在 55～75 m/s［1］。僅 2011～2013 年中國就有 11 起超強臺風，中心風速最高為65 m/s。惡劣的海況增加了浮式海洋平臺系泊系統(tǒng)的壓力和危險性?，F(xiàn)階段對于浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)的研究，多以選定的海洋環(huán)境作為計算條件，研究船體運動進而研究系泊纜索的受力和運動問題。文獻［2］在百年一遇海況下采用時域非線性數(shù)值模擬了纜索的動力響應(yīng);文獻［3］采用一種時域方法計算系泊纜索的拉力;文獻［4］提出纜索動力分析的模型;文獻［5］將系泊纜索分為懸浮和拖底兩部分，采用三維準靜態(tài)方法計算纜索張力;文獻［6］應(yīng)用AQWA軟件對某平臺的水動力性能及極端工況的系泊性能進行了數(shù)值計算;文獻［7］采用時域耦合動力分析方法，并指出合理選取系泊參數(shù)能有效控制系統(tǒng)的運動響應(yīng)和系泊纜動力效應(yīng)。在此研究基礎(chǔ)上，本文在已知系泊鋼纜靜強度的條件下評估船體運動，進而確定FPSO系泊系統(tǒng)所能承受環(huán)境極值的范圍。首先采用準靜態(tài)方法和頻域方法初步評估系泊系統(tǒng)所受外載荷，以確定海況等級的范圍，然后利用時域非線性方法分析系泊系統(tǒng)，在鋼纜安全系數(shù)符合規(guī)范要求的情況下，確定現(xiàn)有系泊系統(tǒng)強度下FPSO所能承受的臺風等級。同時對服役期的浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)進行安全系數(shù)評估及計算時考慮系泊鋼纜剩余強度。

1 FPSO單點系泊系統(tǒng)強度

1.1 FPSO單點系泊模型

表1給出了FPSO的主尺度參數(shù)。依據(jù)型值表建立模型并劃分網(wǎng)格。

表1 FPSO主尺度Table 1 The principal dimensions of FPSO

文中FPSO采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)。布置方式為3組9根錨鏈，每組之間的夾角為120°。由海底至船體系泊纜索的組成采用錨鏈-鋼纜-錨鏈-鋼纜的形式。系泊纜索參數(shù)見表2。

表2 系泊纜索主要參數(shù)Table 2 Mooring line paramoters

依據(jù)型值表及系泊纜索資料，建立水動力模型，如圖1。

圖1AQWA水動力模型Fig.1 AQWA hydrodynamic model

表3 主要環(huán)境參數(shù)Table 3 Environment parameters

環(huán)境載荷采用API規(guī)范中百年一遇臺風進行計算，并分別對空載、壓載和滿載3種裝載狀態(tài)進行計算?；贔PSO系泊鋼纜剩余強度的計算結(jié)果，重新計算系泊系統(tǒng)能否抵御百年一遇臺風。若不能抵御，則根據(jù)現(xiàn)有的系泊系統(tǒng)鋼纜強度給出所能抵御的臺風等級及對應(yīng)的安全系數(shù)。

1.2 系泊鋼纜剩余強度

通常鋼纜的最小破斷力計算公式通常采用API規(guī)范所提及的公式［8］，但由于參數(shù)限制無法對螺旋式鋼纜進行計算［9］。針對螺旋式鋼纜，可采用作者在文獻［10］中的計算方法，對其結(jié)構(gòu)進行簡化，進而進行強度計算:

利用概率分布原理與式(1)，可對鋼纜進行剩余強度計算。

根據(jù)該FPSO系泊系統(tǒng)安全檢測報告，對系泊鋼纜進行剩余強度計算。鋼纜組成詳細信息及結(jié)構(gòu)如下。

纜繩結(jié)構(gòu):共由13層(除中心外)、540根纜絲組成，中心 1根纜絲(直徑 4.8 mm)+13層(直徑4.8 mm)，6 根、12 根、18根、24 根、30 根，假設(shè)分布在了a(1≤a≤130，整數(shù))根鋼絲上，鋼纜鋼絲的總數(shù)為541根，根據(jù)文獻［10］所述進行計算，可得出130個斷點分布的鋼絲數(shù)范圍為［104，106］，計算得出的鋼纜剩余強度范圍為［11 133，11 197］。

1.3 系泊系統(tǒng)強度

根據(jù)表3提供的百年一遇環(huán)境載荷，分別在空載、壓載和滿載3種工況下進行試算。計算結(jié)果顯示在當前系泊纜索強度下，3種工況下均無法抵御百年一遇臺風，結(jié)果列于表4。

表4 百年一遇海況計算結(jié)果Table 4 The result of 100-year return period calculation kN

參考該FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計文件，在系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)(無鋼纜斷裂)百年一遇海況、3種裝載工況下，9根系泊纜索中受到拉力最大值和對應(yīng)安全系數(shù)見表5。對比文中計算結(jié)果可看出，文中計算結(jié)果較計算結(jié)果偏大，加之考慮系泊纜索的強度縮減，計算結(jié)果較設(shè)計文件有較大差別。3種裝載狀態(tài)下受力最大的鋼纜均斷裂。在系泊系統(tǒng)損壞狀態(tài)(單根鋼纜斷裂)百年一遇海況、3種裝載工況下，9根系泊纜索中受到拉力最大值和對應(yīng)安全系數(shù)見表6。由于鋼纜強度的衰減，從表6可看出，受力最大的鋼纜斷裂后，其余鋼纜受力急劇增大，最終導致系泊系統(tǒng)全部鋼纜斷裂。

表5 百年一遇海況計算結(jié)果(完整)Table 5 Results of 100-year return period calculation(intact)

表6 百年一遇海況計算結(jié)果(破損)Table 6 Results of 100-year return period calculation(damaged)

考慮軟件計算中誤差因素，對比設(shè)計文件結(jié)果和本文中計算結(jié)果可看出，對于服役若干年系泊纜索強度下降的系泊系統(tǒng)，其整體強度下降無法抵御百年一遇的海況。壓載及滿載兩種情況的計算結(jié)果表明船體在環(huán)境載荷的作用下已脫離原固定位置。因此，有必要對服役多年的系泊系統(tǒng)所受環(huán)境載荷的等級進行重新分析，并評估系泊系統(tǒng)安全性。

2 系泊系統(tǒng)承受極限環(huán)境能力分析

對于現(xiàn)役的FPSO，由于系泊纜索極限強度的降低，系泊系統(tǒng)的定位能力也隨之降低。初步估計環(huán)境參數(shù)，然后利用AQWA建模在時域下對系泊系統(tǒng)進行非線性耦合計算，評估在當前強度下系泊系統(tǒng)所能承受的臺風等級。

2.1 模型條件

在評估FPSO系泊系統(tǒng)所能承受的最大海況時，首先要確定FPSO的裝載狀態(tài)。通過表5列出的結(jié)果可知，百年一遇海況下FPSO在壓載和滿載兩種裝載工況下系泊纜索損壞嚴重，1#～9#鋼纜均由于所受系泊力過大，加之鋼纜強度降低，全部發(fā)生斷裂?？蛰d狀態(tài)下，受主環(huán)境力方向的三根鋼纜由于所受拉力值超過鋼纜載荷而斷裂。9#鋼纜所受拉力也臨近鋼纜破斷載荷，其余鋼纜受力較小。設(shè)計文件評估結(jié)果顯示，完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)空載時主受力方向的鋼纜拉力值最小。因此，采用空載狀態(tài)用作評估分析。

2.2 環(huán)境參數(shù)評估

利用準靜態(tài)計算和頻域計算結(jié)合的方法評估風速、波浪速度和流速，對比臺風等級表，縮小系泊系統(tǒng)所能承受的臺風等級范圍。

根據(jù)懸鏈線方程［11］可推導出:

式(2)、(3)中的參數(shù)可由相關(guān)教材中查得，這里不再贅述。由此可得到浮式結(jié)構(gòu)物水平受力。外力主要有風浪流載荷組成，載荷初步評估可參用規(guī)范推薦方法。風、流載荷考慮為定常量計算公式為［12］

式中:Fw為風載荷，Cw為風載荷系數(shù)，ρw為空氣密度，Vw為海平面10米處風速，A為受風面積，F(xiàn)c為流載荷，Cc為流載荷系數(shù)，ρc為海水密度，Vc為平局海流速度，LBP為船體垂線間長，T為平均吃水。

對于浮體運動計算通常用時域法，但本文在計算過程中浮式結(jié)構(gòu)物只考慮運動的最后位置，不考慮運動過程，計算波浪載荷時可采用頻域法計算，利用DNV 規(guī)范的估算方法［14］:

2.3 系統(tǒng)承受最大海況評估

經(jīng)過對環(huán)境參數(shù)的評估計算，對比臺風等級表［15］，對應(yīng)的海況等級為12～13級。在海況為12～13級條件下利用AQWA重新建模，通過時域動態(tài)非線性耦合計算得知，12～13級下，系泊系統(tǒng)臨近破斷邊緣，因此降級海況等級，計算得到空載狀態(tài)下所能承受的海況等級為10～11級，9根鋼纜張力最大值結(jié)果列于表7，所受張力的時歷曲線見圖2。

表7 計算結(jié)果統(tǒng)計Table 7 The results statistics

圖2 9根系泊纜索所受系泊力的時歷曲線Fig.2 The time history curves of nine mooring lines load

3 系泊鋼纜安全系數(shù)評定

整理計算結(jié)果顯示安全系數(shù)最小為1.33。根據(jù)API規(guī)范，完整狀態(tài)下采用動態(tài)法計算的系泊系統(tǒng)安全系數(shù)為 1.67［8］。

根據(jù)表中計算的得到的安全系數(shù)可看出，1#～9#鋼纜大部分安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。5#鋼纜接近安全系數(shù)規(guī)定水平，6#至9#鋼纜安全系數(shù)略低于規(guī)范要求，但在系泊系統(tǒng)安全評估過程中，考慮了鋼纜強度的損失，減少了安全評估過程中帶來的誤差，因此其安全評估結(jié)果可視為安全，具有參考價值。

4 結(jié)論

從計算結(jié)果可總結(jié)以下結(jié)論:

1)服役期FPSO有必要對其鋼纜強度重新進行強度評估，通過對實際服役6年的鋼纜強度計算可看出在服役期間鋼纜強度損失較大。

2)經(jīng)過文中分析可知，服役多年的FPSO由于鋼纜強度損失，不足以抵御百年一遇臺風。需重新對系泊系統(tǒng)的定位能力和安全性進行重新評估。在相同的海況等級下，通過對FPSO 3種典型裝載工況的計算可看出，空載狀態(tài)是抵御臺風的最佳裝載狀態(tài)。

3)已知系泊系統(tǒng)鋼纜強度的前提下可利用準靜態(tài)法法和規(guī)范法相結(jié)合的方法，估算與環(huán)境載荷相關(guān)的參數(shù)，對比找出系泊系統(tǒng)可能承受的海況等級，然后利用時域非線性分析方法進行校核。文中結(jié)果可分析出當下系泊系統(tǒng)所能承受的海況等級，對FPSO應(yīng)對臺風措施具有一定的指導意義。

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