FPSO時域動態(tài)拖航分析

趙 強，朱為全，高 巍，于常寶，李曉明

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452； 2.北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100029)

0 引 言

目標(biāo)浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)位于泰國某海域，油田服役年限已到，作為油田重要的生產(chǎn)設(shè)施，該FPSO需要進(jìn)行解脫并拖航至附近船廠進(jìn)行退役處理。FPSO在拖航過程中的拖纜張力響應(yīng)和風(fēng)浪流作用下的運動特性，尤其是艏搖運動特性和被拖物的穩(wěn)定性是拖航作業(yè)所關(guān)注的重點。

自20世紀(jì)60年代開始，不斷有學(xué)者研究拖航的操縱性能和拖航航行性能的影響因素。STRANDHAGEN等[1]采用線性理論發(fā)現(xiàn)改變拖纜長度和拖帶點位置可使拖航物保持穩(wěn)定。BERNITSAS等[2]研究在彈性拖纜作用下被拖物的非線性穩(wěn)定性。JIANG等[3]研究自動舵控制下的拖航航向穩(wěn)定性并與以往方法進(jìn)行對比。張文樂等[4]研究拖船通過彈性拖纜拖拉船舶，在忽略被拖物反作用力的情況下對被拖物的運動特性進(jìn)行模擬并對穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。嚴(yán)似松等[5]研究被拖物在靜水和波浪中的運動特性。李強[6]研究拖船、拖纜、被拖物整體三自由度數(shù)學(xué)模型，對整體拖航進(jìn)行仿真。

本文出于工程目的對目標(biāo)FPSO在給定拖航海況條件下、考慮不同風(fēng)浪流角度組合條件下的拖纜張力響應(yīng)與FPSO的艏搖運動進(jìn)行非線性時域動態(tài)分析，給出拖纜在分析工況下的張力響應(yīng)值和FPSO艏搖運動值，為拖纜選型與實際拖航作業(yè)提供參考。

1 基本信息

1.1 FPSO信息

目標(biāo)FPSO為15萬噸級，主要信息如表1所示。FPSO拖航狀態(tài)下的風(fēng)面積、流面積如表2所示。風(fēng)、流力系數(shù)如圖1和圖2所示。

表1 FPSO主要信息

表2 風(fēng)、流面積參數(shù)

圖1 風(fēng)力系數(shù)

圖2 流力系數(shù)

1.2 環(huán)境條件

根據(jù)DNV GL-ST-N001[7]進(jìn)行動態(tài)拖航分析，采用JONSWAP譜擬合波浪，環(huán)境條件如表3所示。

表3 環(huán)境條件

1.3 拖纜信息

拖纜具體信息如表4所示。拖纜共2根，拖纜的導(dǎo)纜孔位于FPSO船首甲板，具體位置如表4所示。

表4 拖纜信息

1.4 FPSO船體阻尼

在時域動態(tài)分析中阻尼起到的作用不可忽視。阻尼主要包括輻射阻尼和黏性阻尼。

輻射阻尼可通過水動力計算軟件獲得。黏性阻尼和黏性力可分為縱蕩黏性運動阻尼B′11、橫蕩黏性運動阻尼B′22、艏搖黏性運動阻尼B′66、艏搖黏性拖曳力M′CY。

黏性阻尼在缺乏模型試驗依據(jù)的情況下需要通過近似方法進(jìn)行計算。根據(jù)WISHER[8]的方法，油船的線性縱蕩黏性阻尼計算式為

(1)

式中：ρ為流體密度，取1.025 t/m3；g為重力加速度，取9.806 m/s2；S為5.1 m吃水船體濕表面面積；v為黏性系數(shù)，取1.188 31×10-6m2/s；ω為縱蕩運動固有周期。

油船縱蕩、艏搖運動黏性阻尼估算式為

B′22=0.5ρgTb22(PF-PA)

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：T為船體平均吃水；PF為船首垂線位置；PA為船尾垂線位置；b22和b66為對應(yīng)系數(shù)。當(dāng)KC數(shù)為4時，b22=1.01，b66=1.01。KC數(shù)為

(4)

式中：Asway為橫蕩簡諧運動幅值；B為油船型寬。

在OrcaFlex中艏搖黏性拖曳力M′CY[9]為

(5)

式中：ω1為艏搖運動速率；Kyaw為用戶指定參數(shù)。

假定船體為圓柱體，則艏搖黏性拖曳力為

(6)

Kyaw=CdDL4/32

(7)

式(6)和式(7)中：D為船體吃水；L為垂線間長；Cd為因數(shù)，一般取為5。

根據(jù)上述方法估算黏性阻尼，如表5所示。

表5 黏性阻尼估算

2 分析方法

2.1 設(shè)計要求

通過時域分析給出拖纜的最大張力結(jié)果和FPSO運動結(jié)果，主要包括：

(1) 拖纜的最大張力應(yīng)小于拖纜破斷力；

(2) FPSO的艏搖運動小于45°；

(3) 在規(guī)定海況下FPSO不失去位置；

(4) 拖船的系柱拉力能夠滿足要求。

2.2 分析流程與工況

主要分析流程如下：

(1) 根據(jù)目標(biāo)FPSO型線建立拖航吃水狀態(tài)下的水動力計算模型，將水動力數(shù)據(jù)輸入OrcaFlex；

(2) 在OrcaFlex中建立風(fēng)、流力參數(shù)和拖纜模型；

(3) 根據(jù)計算工況進(jìn)行時域分析；

(4) 對阻尼影響進(jìn)行敏感性分析。

出于保守考慮假設(shè)拖船固定。拖船之間距離為100 m，拖纜長度為900 m。環(huán)境條件組合包括：

(1) 風(fēng)、浪、流均指向船首；

(2) 船體迎風(fēng)、迎浪，流速與風(fēng)浪方向夾角為30°；

(3) 船體迎風(fēng)、迎浪，流速與風(fēng)浪方向夾角為90°；

計算工況如表6所示，每個工況進(jìn)行5個波浪種子模擬。

表6 計算工況

2.3 頻域水動力分析

WAMIT是一款被廣泛認(rèn)可的三維繞射/輻射水動力計算軟件，采用該軟件計算船體水動力系數(shù)、一階波浪載荷和二階差頻載荷[10]，頻域水動力計算采用WAMIT的低階面元法，船體水動力面元計算模型如圖3所示。

圖3 FPSO水動力面元計算模型

2.4 時域全耦合分析

時域拖航計算通過OrcaFlex軟件實現(xiàn)，整體計算模型如圖4所示。在該模型中，拖纜模型采用三維梁單元計算理論進(jìn)行計算和模擬，系泊纜被劃分為適宜數(shù)量的單元。

圖4 時域拖航耦合計算模型

FPSO的流載荷、風(fēng)載荷通過流面積、風(fēng)面積和相關(guān)系數(shù)來定義。

浮式基礎(chǔ)的水動力計算數(shù)據(jù)從WAMIT導(dǎo)入OrcaFlex。船體的整體運動、拖纜響應(yīng)等結(jié)果完全由時域模擬計算得出，最終給出的計算結(jié)果均為5個波浪種子模擬結(jié)果的均值結(jié)果。

FPSO重心位置6個自由度的運動方程[11]表達(dá)式為

[M+A]x″(t)+D1x′(t)+Kx(t)=F(t)

(8)

F(t)=fw,1+fw,2+fw+fc+fo

(9)

式(8)和式(9)中：x為對應(yīng)自由度運動位移；t為時域模擬時刻；F(t)為對應(yīng)時刻外界載荷；M為船體的整體質(zhì)量；A為船體的附加質(zhì)量；D1為船體的阻尼；K為船體的恢復(fù)剛度；fw,1為船體受到的一階波浪載荷；fw,2為船體受到的二階波浪載荷；fw為船體受到的風(fēng)載荷；fc為船體受到的流載荷；fo為船體受到的其他外部載荷。

在時域計算中，船體運動方程表達(dá)式為

(10)

式中：A∞為船體低頻附加質(zhì)量；R(t-τ)為船體阻尼遲滯函數(shù)；v1為模擬時間步長。

式(9)中的參數(shù)通過頻域水動力計算程序求解得出。在時域分析中，船體的附加質(zhì)量和輻射阻尼將轉(zhuǎn)換為遲滯函數(shù)作用到時域分析方程中。

3 拖纜響應(yīng)和FPSO艏搖運動分析結(jié)果

拖纜最大張力發(fā)生在迎風(fēng)、迎浪、流速夾角為30°的工況，對應(yīng)表6工況R4。拖纜最大張力為172 t。FPSO最大艏搖角為26°，發(fā)生在迎風(fēng)、迎浪、流速夾角為30°的工況，有義波高為5 m，譜峰周期為12.1 s。

FPSO最大艏向為17.1°，發(fā)生在橫流工況，有義波高為5.0 m，譜峰周期為12.1 s，具體結(jié)果如表7所示。

對于設(shè)計值，在設(shè)計海況下拖船的有效比為75%，則拖船系柱拉力為230 t。

表7 在不同工況下拖纜響應(yīng)和FPSO艏搖運動主要分析結(jié)果

續(xù)表7 在不同工地下拖纜響應(yīng)和FPSO艏搖運動主要分析結(jié)果

4 結(jié) 論

對某FPSO進(jìn)行時域動態(tài)拖航分析，在有義波高為5 m、風(fēng)速為20 m/s、流速為0.5 m/s的環(huán)境條件下，假定拖船固定，此時拖纜最大張力為189 t，F(xiàn)PSO最大艏搖角為26°，發(fā)生在迎風(fēng)、迎浪、流的夾角為30°的工況下。

在具體分析中由于假定拖船固定不變，拖纜的張力計算偏于保守，拖船系柱拉力要求偏于保守。

在實際操作中應(yīng)盡可能保持迎浪拖航，避免斜流和橫流作用。

更進(jìn)一步，需詳細(xì)考慮拖船絞車的參數(shù)來進(jìn)行模擬，以給出更合理的拖纜要求與拖船要求。FPSO船體阻尼情況需要模型試驗進(jìn)行進(jìn)一步的估計。