單點系泊FPSO艏向角分析方法

張陽，劉波

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

FPSO單點系泊系統(tǒng)與傳統(tǒng)擴展式系泊系統(tǒng)的主要差別在于所系泊浮體是否具備風向標效應。風向標效應是指在受到風、浪、流聯(lián)合作用時，F(xiàn)PSO可繞單點轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向所受環(huán)境合力最小的位置。在實際環(huán)境條件下，由于FPSO單點系泊系統(tǒng)的風向標效應，F(xiàn)PSO艏向不斷變化，并趨向于最小環(huán)境載荷位置，最終形成相對平衡[1,2]。

假設(shè)FPSO對地靜止，此時環(huán)境波浪入射角及對應的波浪參數(shù)可用于FPSO的運動性能及結(jié)構(gòu)強度校核。因此進行FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動性能分析，需要將全局坐標系下的環(huán)境波浪入射角及對應的波浪參數(shù)轉(zhuǎn)化到FPSO局部坐標系[3,4]。鑒于傳統(tǒng)擴展式系泊系統(tǒng)的特點，浮體艏向相對固定，全局坐標系中環(huán)境波浪入射角及波浪參數(shù)可直接用于局部坐標系進行設(shè)計分析，即環(huán)境波浪極值設(shè)計法。單點系泊FPSO由于其風向標特性，F(xiàn)PSO艏向不斷變化，即FPSO局部坐標系下船體波浪入射角與整體坐標系下環(huán)境波浪入射角不一致。直接采用環(huán)境波浪極值設(shè)計法進行設(shè)計，會導致FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守，提高FPSO建造成本；而FPSO運動性能失真，會提升FPSO設(shè)備、設(shè)施能力需求，最終增加FPSO總體造價。

本文研究的目的是通過艏向角分析解決風向標效應下，單點系泊FPSO船體波浪入射角求解難題，作為設(shè)計輸入使FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動性能評估更符合工程實際。

1 單點系泊FPSO艏向角分析理論

單點系泊FPSO平衡艏向求解是艏向角分析的核心內(nèi)容。建立FPSO單點系泊分析模型后，對每個實際的環(huán)境工況，進行3h時域系泊分析，求解每一時間步長下，風、浪、流聯(lián)合作用的FPSO轉(zhuǎn)塔合力矩M。FPSO轉(zhuǎn)塔合力矩M等于或趨近于0所對應時刻下的FPSO艏向角Ψ即為該環(huán)境工況下FPSO的平衡艏向。如在同一個環(huán)境工況下，存在多于合力矩M為0的時刻，則選取具有最大靜態(tài)穩(wěn)性的時刻下FPSO艏向角作為FPSO的平衡艏向。

圖1 船體局部坐標系下環(huán)境入射方向定義

時域分析中單點系泊FPSO轉(zhuǎn)塔合力矩M的計算公式：

其中：

Lt-船舯橫剖面與單點轉(zhuǎn)塔中心的最短水平距離，m；

Fwiy-FPSO Y軸上的風力分量，kN；

Fwdy-FPSO Y軸上的波浪漂移力分量，kN；

Fcy-FPSO Y軸上的流力分量，kN；

Mwiz-繞FPSO Z軸的風力矩，kN·m；

Mwdz-繞FPSO Z的波浪漂移力矩，kN·m；

Mcz-繞FPSO Z軸的流力矩，kN·m。

進行時域系泊分析時，流力矩應包含由FPSO風向標效應帶來的艏搖低頻粘性阻尼效應McψMolin/o。

其中CMolin考慮力矩作用點的參數(shù)，以Ccy(90°)的百分比表征，可通過水池模型試驗獲取。

Xaft為FPSO坐標原點至FPSO艉垂線的距離，m；

Xfore為FPSO坐標原點至FPSO艏垂線的距離，m；

ψ為FPSO的艏向角，deg。

2 單點系泊FPSO艏向角分析方法

單點系泊FPSO艏向分析方法以獲取實際海洋環(huán)境下船體波浪入射角為目的，求解過程主要分三步：

(1)確定單點系泊FPSO目標作業(yè)區(qū)的環(huán)境組合工況。環(huán)境數(shù)據(jù)覆蓋的時間跨度越長，計算分析結(jié)果越準確，最好選取目標油田多年環(huán)境后報數(shù)據(jù)，如不具備相關(guān)數(shù)據(jù)也可考慮選用FPSO入級船級社建議的環(huán)境條件組合方式。

(2)時域系泊分析。以后報數(shù)據(jù)為例，對每個海況進行3h時域系泊分析計算，獲得風、浪、流聯(lián)合作用下，單點系泊FPSO平衡艏向。

(3)船體波浪入射角包絡線。假設(shè)FPSO對地靜止不動，將環(huán)境波浪入射角與單點系泊FPSO平衡艏向角組合，獲得船體波浪入射角包絡線。

3 計算示例

3.1 選取南海某油田環(huán)境后報數(shù)據(jù)

以目標油田的環(huán)境后報數(shù)據(jù)作為輸入，構(gòu)建后報數(shù)據(jù)數(shù)值模型，見圖2至圖4。

3.2 選取具有代表性的FPSO裝載工況進行系泊分析

選取單點系泊FPSO操作具有代表性的中等裝載吃水進行時域系泊分析計算[6,7]，得到實際海洋環(huán)境下FPSO平衡艏向，如圖5所示。

圖2 環(huán)境有義波高與環(huán)境波浪入射角的聯(lián)合分布模型

圖3 環(huán)境風速與風入射角的聯(lián)合分布模型

圖4 環(huán)境流的表層流速與流入射角的聯(lián)合分布模型

圖5 環(huán)境有義波高與FPSO平衡艏向聯(lián)合分布模型

3.3 艏向角分析包絡線

將環(huán)境波浪入射角與單點系泊FPSO平衡艏向組合，統(tǒng)計船體波浪入射角包絡線，并與環(huán)境波浪極值包絡線進行對比，有義波高沿船體最高降幅達93.22%，如圖6所示。

圖6 船體波浪入射角包絡線與環(huán)境波浪入射角包絡線對比圖

4 結(jié)語

對具備風向標效應的單點系泊FPSO應用單點系泊系統(tǒng)艏向角分析方法，相比環(huán)境波浪極值設(shè)計法，所得船體波浪入射角包絡線，更符合工程實際，可有效降低FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動性能評估的設(shè)計輸入，現(xiàn)已應用于工程實際。

該方法不僅適用于單點系泊FPSO，還可拓展應用于渤海塔架式軟鋼臂單點FPSO設(shè)計，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

◆參考文獻

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