FPSO與穿梭油輪的耦合水動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

嚴(yán)揚(yáng)月，劉曉健，徐 峰

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司，江蘇南通 226000)

0 引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（floating producting storage and offloading，F(xiàn)PSO）。兼有生產(chǎn)、儲(chǔ)油和卸油的功能，在海上與水下采油裝置和穿梭油輪組成一整套的生產(chǎn)系統(tǒng)，是目前海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品。它長(zhǎng)期系泊于固定海域，通過(guò)海底輸油管線接收并處理采出的油氣水等混合物，處理后的原油儲(chǔ)存在船體內(nèi)，穿梭油輪定期串靠或旁靠FPSO，接收達(dá)到一定量的合格原油。

在工作海況下的FPSO與穿梭油輪串靠外輸問(wèn)題是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。唐友剛等[1]研究了外輸過(guò)程中FPSO與穿梭油輪之間由于過(guò)分縱蕩運(yùn)動(dòng)而引起的碰撞風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。通過(guò)對(duì)FPSO單浮體及其外輸多浮體系統(tǒng)的水動(dòng)力性能、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊受力及大纜張力進(jìn)行計(jì)算分析[2–12]，可以指導(dǎo)外輸系統(tǒng)能正常作業(yè)，避免碰撞事故的發(fā)生。

本文針對(duì)1500 m 水深進(jìn)行FPSO與穿梭油輪多體耦合水動(dòng)力特性分析，選取墨西哥海域典型外輸狀態(tài)海況條件，開(kāi)展FPSO與穿梭油輪系泊狀態(tài)下耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值預(yù)報(bào)，重點(diǎn)分析間距、海況、裝載工況等因素對(duì)FPSO 與穿梭油輪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)載荷的影響，為外輸工況的選取提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論

FPSO與穿梭油輪串靠外輸過(guò)程，考慮兩浮體間的相互干擾和耦合作用，根據(jù)牛頓第二定律，列出時(shí)域耦合運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：（M+A)ij表示浮體j引起浮體i的質(zhì)量慣性矩陣和時(shí)域附加質(zhì)量慣性矩陣；h i j(t?τ)表示浮體j引起浮體i的遲滯函數(shù)矩陣；K i表示浮體i的靜水回復(fù)力矩陣；x(t)i表示浮體i的運(yùn)動(dòng)矢量；Faill表示作用于i浮體的總外力矢量，包括一階和二階波浪力、風(fēng)力、流力、系泊力及兩船之間連接大纜的張力，此處暫且不考慮風(fēng)、流力。

2 外輸系統(tǒng)模型與環(huán)境參數(shù)

2.1 外輸系統(tǒng)模型

FPSO與穿梭油輪的模型參數(shù)如表1所示，雙浮體系統(tǒng)組成如圖1所示。穿梭油輪船首采用一條大纜與FPSO船尾相連，F(xiàn)PSO為內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊，3×3布置，3組系泊纜間距120°，組內(nèi)系泊纜間距5°，坐標(biāo)原點(diǎn)是重心位于水線面上的投影點(diǎn)，X軸指向FPSO為正，Y軸指向左舷為正，Z軸垂直于水線面向上為正，滿足右手系。FPSO錨鏈系泊及兩船間連接大纜參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parametersof model

圖1 多體系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of multi-body system

表2 纜繩參數(shù)Tab.2 Cable parameters

2.2 環(huán)境參數(shù)

雙浮體系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)所取的墨西哥灣海域環(huán)境條件如表3所示。由于風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，會(huì)處于迎浪狀態(tài)，因此計(jì)算180°浪向。

表3 海況表Tab.3 Sea state table

3 結(jié)果與分析

3.1 頻域分析

波浪作用下多浮體之間存在著較為復(fù)雜的水動(dòng)力影響，圖2為迎浪方向時(shí)單船及不同串靠間距下FPSO和穿梭油輪的耦合水動(dòng)力響應(yīng)垂蕩RAO和縱搖RAO?？梢钥闯?，迎浪方向下，兩船相互影響十分明顯，F(xiàn)PSO縱蕩RAO、縱搖RAO分別在13.29～15 s和14.04～18.75 s 波浪周期范圍內(nèi)耦合結(jié)果較非耦合結(jié)果減小46%和7.4%，而垂蕩運(yùn)動(dòng)耦合FPSO在12.44～13.4 s波浪周期范圍內(nèi)小于單FPSO，在14.04～15 s 內(nèi)大于單FPSO。說(shuō)明穿梭油輪對(duì)FPSO存在水動(dòng)力干擾，多浮體系統(tǒng)串靠外輸作業(yè)會(huì)產(chǎn)生局部波浪放大或遮蔽效應(yīng)。從FPSO的運(yùn)動(dòng)固有周期分析可知耦合運(yùn)動(dòng)響應(yīng)顯著減小處在原固有周期左右。耦合的穿梭油輪的縱蕩、垂蕩、縱搖RAO都小于非耦合結(jié)果。相對(duì)單船情況，耦合穿梭油輪縱蕩運(yùn)動(dòng)最大值減小28%，在7.01～25.3 s 波浪周期范圍內(nèi)，縱搖響應(yīng)減小，在15 s處出現(xiàn)了異于單穿梭油輪的峰值，減小了7.1%。這表明迎浪狀態(tài)時(shí)波浪從FPSO傳播到穿梭油輪，某些波浪周期時(shí)FPSO對(duì)穿梭油輪有明顯的遮蔽作用。當(dāng)兩船間距增加時(shí)，兩船在共振區(qū)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值隨著距離增大而減小，水動(dòng)力相互作用減弱。當(dāng)兩船間距增加時(shí)，兩船在共振區(qū)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值隨著距離增大而減小，水動(dòng)力相互作用減弱。

圖2 不同間距時(shí)FPSO/穿梭油輪縱蕩、垂蕩和縱搖RAOFig.2 Surge,heave and pitch Rao of FPSO / shuttle tanker at different spacing

表4 計(jì)算工況表Tab.4 Calculation conditions

3.2 時(shí)域分析

FPSO在作業(yè)時(shí)采用單點(diǎn)系泊方式，由于受到風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)處于迎浪狀態(tài)，因而計(jì)算180°迎浪的情況。串靠外輸作業(yè)時(shí)，主要考慮兩船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊纜張力以及兩船連接大纜的張力。圖3給出了A1工況（80 m 間距）下，F(xiàn)PSO與穿梭油輪相對(duì)于各自初始位置的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線。結(jié)果表明迎浪工況下兩船體主要沿x向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，F(xiàn)PSO、穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)幅值小于40 m，其他方向運(yùn)動(dòng)較小。

圖3 FPSO 及穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.3 Time history curve of motion response of FPSO and shuttle tanker

圖4給出了各工況下FPSO和穿梭油輪縱蕩、垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)有義幅值。縱蕩方向上，隨著譜峰周期的增大運(yùn)動(dòng)幅值逐漸減小3%～5%，隨著串靠間距的增大運(yùn)動(dòng)幅值也增大0～1%，F(xiàn)PSO縱蕩最大可達(dá)到76.72 m，穿梭油輪縱蕩最大可達(dá)到76.60 m。垂蕩、縱搖方向上，隨著譜峰周期的增大運(yùn)動(dòng)幅值也逐漸增大，間距對(duì)FPSO和穿梭油輪運(yùn)動(dòng)幾乎無(wú)影響，船體運(yùn)動(dòng)幅值均較小。一般情況下,要求FPSO在滿載時(shí)的水平偏移量（最大水平偏移/水深）小于10%，F(xiàn)PSO的最大水平偏移為76.72 m，偏移量為5.1%，滿足工程要求。

圖4 FPSO和穿梭油輪縱蕩、垂蕩、縱搖運(yùn)動(dòng)有義幅值Fig.4 Meaningful amplitude of surge, heave and pitch motion of FPSO and shuttle tanker

圖5是不同工況下FPSO 的9根系泊纜繩的張力值?？芍S著譜峰周期、串靠間距的增大，纜繩張力也增大。由于1#，2#，3#纜位于船首方向，其余纜位于船尾方向，而船舶為迎浪工況，所以1#，2#，3#纜繩張力比其余纜繩張力大，最大張力為3.665 MN（Line 2），錨鏈預(yù)張力為2.50 MN，增大了47%，其安全系數(shù)為5.35，滿足要求。4#、5#、6#與7#、8#、9#纜繩由于對(duì)稱布置，各自張力結(jié)果幾乎相同。圖6為工況A1時(shí)連接大纜張力時(shí)歷曲線圖?？梢钥闯鲞B接大纜張力值呈現(xiàn)單邊變化，變化劇烈，是由于FPSO與穿梭油輪間相對(duì)縱蕩，使得大纜會(huì)反復(fù)繃緊松弛，大纜張力最大為9.32×106N，安全因子為3.03，符合要求。

圖5 FPSO 系泊纜繩張義有義值Fig.5 FPSOmooring line tension value

圖6 連接大纜張力時(shí)歷曲線圖Fig.6 Time history curve of connecting cable tension

為了研究裝載工況對(duì)兩船的影響，選取工況A1和工況A16進(jìn)行對(duì)比分析。圖7為2種裝載工況下兩船相對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線?？梢钥闯觯現(xiàn)PSO滿載-穿梭油輪空載工況下，在迎浪狀態(tài)下船體縱蕩運(yùn)動(dòng)相較于FPSO半載-穿梭油輪滿載工況劇烈。這可能是因?yàn)镕PSO在滿載時(shí)吃水較大，受波浪影響較大。而FPSO半載-穿梭油輪滿載時(shí)，由于FPSO主尺度大而穿梭油輪主尺度小，半載時(shí)FPSO與滿載時(shí)穿梭油輪的吃水深度比較接近，水動(dòng)力特性差異性小，外輸系統(tǒng)在這種情況下的風(fēng)險(xiǎn)最低。圖8為2種裝載工況下FPSO的9根纜繩張力有義值。可以看出，F(xiàn)PSO半載工況時(shí)張力有義值明顯大于滿載工況。

圖7 不同裝載工況相對(duì)縱蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig.7 Time history curve of relativesurge movement under different loading conditions

圖8 不同裝載工況FPSO纜繩張力有義值Fig. 8 Meaningful valuesof FPSOcable tension under different loading conditions

4 結(jié) 語(yǔ)

1）發(fā)現(xiàn)串靠布置時(shí)波浪作用下兩船存在水動(dòng)力相互作用，迎浪狀態(tài)下FPSO對(duì)穿梭油輪有遮蔽效應(yīng)，穿梭油輪對(duì)FPSO存在水動(dòng)力干擾耦合的穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)量值小于穿梭油輪單船，F(xiàn)PSO對(duì)穿梭油輪存在遮蔽效應(yīng)；隨著間距的增大，水動(dòng)力相互作用減弱。

2）通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析FPSO與穿梭油輪的間距、海況、裝載工況等因素對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊系統(tǒng)載荷的影響，校核了FPSO的水平偏移量及系泊纜的安全系數(shù)，均滿足設(shè)計(jì)要求。兩船串靠間距為80 m 時(shí)，既能滿足外輸過(guò)程的安全要求，又能保證其經(jīng)濟(jì)性。