基于風(fēng)洞試驗的FPSO風(fēng)載荷特性研究

王忠暢，易 叢，李 達，白雪平，鄭文濤，彭 超

(1.中海石油研究總院，北京 100027；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

基于風(fēng)洞試驗的FPSO風(fēng)載荷特性研究

王忠暢1，易 叢1，李 達1，白雪平1，鄭文濤2，彭 超2

(1.中海石油研究總院，北京 100027；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

當FPSO服役于目標油田時，將受到風(fēng)浪流的作用力。其中，風(fēng)力給FPSO一個恒定的靜力，使其偏離原來的位置。風(fēng)力計算在FPSO系泊系統(tǒng)的分析過程中是非常重要的。設(shè)計人員常常參考OCIMF進行風(fēng)力計算，或者參考API規(guī)范得出。OCIMF為針對油輪的計算規(guī)范，但使用OCIMF計算FPSO風(fēng)力及流力的方法，與FPSO的適應(yīng)性仍需要進一步論證。API規(guī)范針對海上浮式系統(tǒng)，其計算風(fēng)流力的方法使用也非常廣泛，其原理為將FPSO上部各個模塊風(fēng)力疊加得出。以FPSO風(fēng)載荷為研究對象，開展了風(fēng)洞模型試驗，獲得了典型FPSO風(fēng)載荷特性曲線，并將試驗結(jié)果分別與OCIMF結(jié)果和API規(guī)范計算結(jié)果進行對比分析，最終給出FPSO風(fēng)力計算方法的建議。本數(shù)據(jù)可用于FPSO的風(fēng)力計算，也可為FPSO運動、系泊的設(shè)計研究提供參考。

風(fēng)載荷；FPSO；風(fēng)洞試驗；OCIMF；API規(guī)范

Abstract：When FPSO is operating in an given oilfield,the environment load including wind,wave and current force will act on it.The wind force is a constant force which will drag the hull away from the original position.It is very important to calculate the wind force correctly in FPSO mooring system and motion analysis.The engineers usually do the calculation according to OCIMF or API rules.OCIMF is a rule established for the oil tanker,and it is usually used for FPSO too.But the oil tanker arrangement is different from FPSO.There are live quarter,pipelines and passage way on the deck of oil tanker,and there are more stuffs such as the process utilities,flare booms,and power stations on the deck of FPSO.Thus,it should be argued deductively whether it is right to calculate the FPSO wind force using the method described in OCIMF.API rules are worked out for the offshore floating system,and the method in the rules to get the wind force is also used widely by people.Its theory is to get the wind force by summing all the facilities on the FPSO topside.Aiming at the wind loads on FPSO,the model test is carried out in wind tunnel and typical curves of wind loads on FPSO are obtained.The test results are compared with those data from OCIMF and API formula calculation.The differences among those results are presented,and suggestions to get the FPSO wind force are given too.The result in the paper can be used for the FPSO wind force calculation and can be a valuable reference to the design and research of FPSO.

Keywords：wind load; FPSO; wind tunnel test; OCIMF；API rules

FPSO(fIoating production storage and offIoading system)是浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)的簡稱，同時具備生產(chǎn)、儲油、外輸?shù)榷喾N功能，具有很好的經(jīng)濟性、可靠性、海域適應(yīng)性以及可重復(fù)利用性，成為當今海洋油氣開發(fā)的主流方式，被稱為海工裝備中最耀眼的“明星”[1-7]。FPSO一般固定于一個位置較長時間，即使面臨惡劣海況也不易規(guī)避，因此，需要具有較普通船舶更強的抵抗極端環(huán)境的能力。海洋工程裝備遭受的環(huán)境載荷除了波浪載荷、流載荷之外，風(fēng)載荷也是另一個主要因素之一。

由于FPSO船型與VLCC(Very Large Crude Carrier)接近，在進行FPSO性能分析時，常采用OCIMF[8]的風(fēng)載荷、流載荷系數(shù)進行載荷預(yù)報[9]。但是FPSO通常裝有大量的生產(chǎn)模塊、吊車、火炬塔等生產(chǎn)處理設(shè)備，上層建筑遠較VLCC復(fù)雜，如圖1和圖2所示。參考OCIMF的風(fēng)載荷、流載荷系數(shù)進行FPSO的風(fēng)載荷預(yù)報是否可行，需要進行論證。對于風(fēng)載荷預(yù)報，也可依據(jù)各船級社或API的規(guī)范進行。

物理模型試驗是海洋工程結(jié)構(gòu)物動力性能與載荷研究的重要手段，由于其可靠性高，是數(shù)值計算、經(jīng)驗方法的參照依據(jù)。為了論證進行FPSO風(fēng)載荷估算的更好方法，以15萬噸級FPSO為例進行了風(fēng)洞模型試驗，并獲得其風(fēng)載荷特性，對FPSO風(fēng)載荷估算方法提出了推薦方案。由于FPSO的上層建筑基本類似，一艘FPSO的試驗結(jié)果可作為其它FPSO研究的參考。因此，開展FPSO風(fēng)載荷的模型試驗具有重要意義。

圖1 FPSOFig.1 FPSO

圖2 VLCCFig.2 VLCC

1 模型試驗方法

1.1試驗?zāi)Ｐ?/p>

FPSO模型由上層建筑和船體干舷組成，縮尺比1∶180，主尺度見表1，總體布置見圖3。

表1 模型主尺度Tab.1 FPSO dimension

圖3 FPSO總布置Fig.3 FPSO overall arrangement

1.2試驗方法

模型試驗采用常溫常壓拘束模測試方法。模型按等縮尺比制作，滿足幾何相似；船模風(fēng)向角保持與實船情況相等，滿足運動相似；該類船風(fēng)載荷試驗?zāi)Ｐ偷乃喜糠侄酁椴灰?guī)則體，大量模型試驗表明，較低的試驗風(fēng)速就能實現(xiàn)與實體原型相似的流動狀態(tài)，此時繼續(xù)增加試驗雷諾數(shù)Re，流體動力系數(shù)基本保持不變，在此條件下認為試驗近似滿足動力相似準則，測得的流體動力系數(shù)可外推到實船應(yīng)用。本次試驗雷諾數(shù)Re為1.56×106。

模型試驗在大型低速風(fēng)洞試驗室中進行。該風(fēng)洞為閉口單回流式低速風(fēng)洞，試驗段長8.5 m，高3 m、寬3 m。試驗風(fēng)速3～93 m/s連續(xù)可調(diào)。

模型通過應(yīng)變天平與轉(zhuǎn)動機構(gòu)連接，模型所受風(fēng)載荷通過應(yīng)變天平、信號分析系統(tǒng)等進行測量記錄。風(fēng)向角通過轉(zhuǎn)動機構(gòu)實現(xiàn)，試驗風(fēng)向角0°～360°，間隔15°。模型試驗照片見圖4。

圖4 模型試驗照片F(xiàn)ig.4 FPSO model in wind tunnel

圖5 風(fēng)剖面模擬Fig.5 The wind profile

1.3風(fēng)剖面模擬

圖 6 FPSO船模坐標系Fig.6 The coordinate system

1.4坐標系與數(shù)據(jù)表達

本次風(fēng)載荷試驗采用船體坐標系o-xyz進行數(shù)據(jù)處理，如圖6所示。坐標系原點o位于船體中縱剖面、中橫剖面(船體10站位置)以及水平面的交點，ox軸平行水平面指向船首，oz軸垂直水平面指向上方，oy軸根據(jù)右手法則確定。船體和上層建筑流體載荷三個方向的力表示為：縱向力X沿ox軸方向、側(cè)向力Y沿oy軸方向、垂向力Z沿oz軸方向；而繞ox、oy和oz軸的三個力矩表示為K(橫傾力矩)、M(縱傾力矩)、N(偏航力矩)。

ψ為風(fēng)向角，ψ=0°時船體順風(fēng)，ψ=180°時船體逆風(fēng)，船體右側(cè)來風(fēng)時定義為正風(fēng)向角。

試驗測得的力、力矩采用無因次化的系數(shù)形式來表達：

(1)

式中：ρ為試驗環(huán)境下的空氣密度(kg/m3),V為試驗參考風(fēng)速(m/s),L為特征長度(取垂線間長)(m),AT為正向投影面積(m2),AL為側(cè)向投影面積(m2)。

2 風(fēng)載荷結(jié)果分析

2.1試驗風(fēng)載荷系數(shù)與OCIMF結(jié)果對比

水面船舶及FPSO風(fēng)載荷系數(shù)常參照OCIMF[8]數(shù)據(jù)。OCIMF根據(jù)15～50萬噸VLCC風(fēng)洞試驗結(jié)果，給出了滿載吃水和壓載吃水狀態(tài)下的風(fēng)載荷系數(shù)CX、CY、CN。根據(jù)本次試驗風(fēng)載荷系數(shù)，與OCIMF結(jié)果進行對比。

2.1.1 縱向力系數(shù)CX

試驗獲得的風(fēng)載荷縱向力系數(shù)CX與OCIMF結(jié)果對比見圖7。由圖可知：

1)試驗結(jié)果與OCIMF結(jié)果的變化趨勢總體一致；

2)試驗所得縱向力系數(shù)曲線出現(xiàn)明顯的極值點，出現(xiàn)在風(fēng)向30°、150°、210°、330°，即在逆風(fēng)或順風(fēng)時的±30°處，OCIMF結(jié)果的極值點不十分明顯，出現(xiàn)在10°、180°、350°附近；試驗所得CX的極值較頂風(fēng)時CX大幅增加，風(fēng)向150°時CX較風(fēng)向180°(逆風(fēng))時增加67%，風(fēng)向330°的CX較風(fēng)向0°(順風(fēng))增加68%；而OCIMF的CX極值較逆風(fēng)時略有增加，風(fēng)向10°時CX較風(fēng)向0°(順風(fēng))僅增加2%～5%。

②泵送與充灌作業(yè)人員之間應(yīng)隨時聯(lián)系，緊密配合，充灌到位后及時停機，以防充灌過程產(chǎn)生鼓包或鼓破。出現(xiàn)鼓脹時應(yīng)及時停機，查找原因并處理。

3) 試驗所得縱向力系數(shù)CX與OCIMF的結(jié)果存在差別，特別是極值點附近差別較大。總體上試驗結(jié)果較OCIMF結(jié)果大；這是因為試驗中的FPSO上層建筑非常復(fù)雜，而OCIMF中的VLCC上層建筑較簡單，二者上層建筑差別較大的原因。

圖7 縱向力系數(shù)比較Fig.7 The longitudinal force coefficient

圖 8 側(cè)向力系數(shù)比較Fig.8 The lateral force coefficient

圖 9 偏航力矩系數(shù)比較Fig.9 Yawing moment coefficient

2.1.2 側(cè)向力系數(shù)CY

試驗獲得的風(fēng)載荷側(cè)向力系數(shù)CY與OCIMF結(jié)果對比見圖8。由圖可知：

1) 試驗結(jié)果與OCIMF結(jié)果的變化趨勢總體一致，且CY極值點均出現(xiàn)在風(fēng)向90°、270°；

2) 試驗中CY極值為1.47，OCIMF壓載時峰值為1.0，滿載時僅0.72，可見FPSO的側(cè)向力系數(shù)整體較OCIMF大。

2.1.3 偏航力矩系數(shù)CN

試驗獲得的風(fēng)載荷偏航力矩系數(shù)與OCIMF結(jié)果對比見圖9。由圖可知：

1) 試驗結(jié)果隨吃水變化較小，而OCIMF結(jié)果隨吃水變化較大；

2) 試驗結(jié)果與OCIMF滿載吃水的結(jié)果符號相反，且試驗所得CN整體較OCIMF小，這是因為OCIMF中的VLCC一般僅存艉樓，其首尾不對稱性較FPSO強；同時，本次試驗FPSO艏部面積較艉部大，因此，導(dǎo)致偏航力矩與OCIMF符號相反；

3) OCIMF的偏航力矩結(jié)果與FPSO試驗結(jié)果差別很大，不適用于FPSO的偏航力矩估算。

2.2試驗風(fēng)載荷與API規(guī)范計算結(jié)果對比

API規(guī)范計算方法是風(fēng)載荷預(yù)報的重要手段之一。API[10]給出的FPSO風(fēng)載荷計算公式為沿風(fēng)吹方向的力：

(2)

式中：Fw為風(fēng)載荷(N)；Cw為密度相關(guān)系數(shù)，Cw=0.615；CS為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；A為受風(fēng)面積；Vw為設(shè)計風(fēng)速。

圖 10 試驗風(fēng)載荷與API計算結(jié)果比較Fig.10 The comparison between data from wind tunnel and API

根據(jù)API計算公式，對風(fēng)速41.6 m/s時的風(fēng)載荷進行了計算，與試驗數(shù)據(jù)預(yù)報結(jié)果對比見表2、圖10(已換算為實船數(shù)據(jù))。從中可以看出：

1) 規(guī)范計算風(fēng)載荷與試驗結(jié)果隨風(fēng)向的變化趨勢一致，在風(fēng)向90°、270°附近達到極值；

2) 規(guī)范計算結(jié)果較試驗結(jié)果大，正向來風(fēng)時，規(guī)范結(jié)果較試驗結(jié)果大49%，橫向來風(fēng)時，規(guī)范結(jié)果較試驗結(jié)果大22%；規(guī)范結(jié)果較試驗結(jié)果平均增加30%。差異原因主要由于API計算風(fēng)力的原理為將FPSO或者其他浮式平臺上的設(shè)備等受風(fēng)部位逐個疊加，而形狀系數(shù)的取法和受風(fēng)部位的疊加方式往往因人而異，形狀系數(shù)常常傾向于取較大的值，而將各個受風(fēng)部件逐個疊加形成風(fēng)力的方法，本身容易導(dǎo)致更大的風(fēng)載荷。解決辦法是適當?shù)囊胝诒蜗禂?shù)，對于不是第一排受風(fēng)的物體，進行風(fēng)力折減，或者僅計算第一排受風(fēng)物體的風(fēng)力，并謹慎的進行形狀系數(shù)的取值。

表 2 風(fēng)載荷與API計算結(jié)果對比表Tab.2 Wind force and the data calculated according to API

3 結(jié) 語

通過開展FPSO的風(fēng)洞模型試驗，獲得了FPSO的風(fēng)載荷特性，并與OCIMF結(jié)果及API規(guī)范計算結(jié)果進行了對比，得出以下結(jié)論：

1) FPSO風(fēng)力與FPSO總體布置方法關(guān)系密切。

2) 總體上FPSO模型試驗的縱向力系數(shù)CX較OCIMF結(jié)果大，二者極值點位置不一致；側(cè)向力系數(shù)CY試驗結(jié)果與OCIMF結(jié)果的變化趨勢總體一致，F(xiàn)PSO模型試驗的側(cè)向力系數(shù)整體較OCIMF大；OCIMF結(jié)果用于上層建筑復(fù)雜的FPSO風(fēng)載荷估算時會有風(fēng)力偏小的風(fēng)險，需謹慎使用；

3) API規(guī)范計算風(fēng)載荷與試驗結(jié)果隨風(fēng)向的變化趨勢一致，在風(fēng)向90°、270°附近達到極值；規(guī)范計算結(jié)果較試驗結(jié)果大，規(guī)范結(jié)果較試驗結(jié)果平均增大約30%。與OCIMF相比，API更加適用于上部建筑復(fù)雜的FPSO船型。但由于API風(fēng)力計算方法常常導(dǎo)致比實物更大的風(fēng)力，需要謹慎選取形狀系數(shù)和需要考慮的受風(fēng)物體，在必要的情況下引入遮蔽系數(shù)，使風(fēng)載荷預(yù)測結(jié)果更加接近真實值。

4) 在沒有風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)并需要進行FPSO的風(fēng)載荷評估時，建議采用API規(guī)范進行風(fēng)載荷的估算。

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Wind load analysis for FPSO based on wind tunnel experiments

WANG Zhongchang1，YI Cong1，LI Da1，BAI Xueping1，ZHENG Wentao2，PENG Chao2

(1.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China; 2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.015

1005-9865(2016)05-0125-06

2015-10-28

王忠暢(1974-)，男，河北人，高級工程師，主要從事導(dǎo)管架平臺、FPSO研究。E-mail:wangzhch3@cnooc.com.cn。