圓筒形FPSO干拖運動特性計算研究

王家樂 呂津波 周 燕 孔德宇

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

隨著油氣資源的開發(fā)逐漸向深遠海邁進，海洋工程技術(shù)也隨之高速發(fā)展，不僅在實際工程中得到應(yīng)用的浮式海洋平臺的種類越來越多，而且浮式平臺的尺度與自重也越來越大。這就使浮式海洋平臺的拖航過程得到了越來越多的關(guān)注與重視。浮式海洋平臺的拖航一般分為干拖與濕拖2 種類型。其中，濕拖是浮式平臺在自身浮力作用下浮于水中并由多艘拖輪進行拖航；干拖則是將浮式平臺整體裝載到大型駁船上，再由大型駁船運載到指定地點卸載。由于干拖對運輸駁船要求較高，因此國內(nèi)對干拖運輸?shù)难芯吭谧罱鼛啄瓴胖饾u增多。魏佳廣等[1]與楊光等[2]利用MOSES軟件對使用半潛駁船對張力腿平臺進行干拖運輸?shù)耐暾€(wěn)性與破艙穩(wěn)性進行了計算校核；吳波等[3]與李軍等[4]基于波浪勢流理論對大型結(jié)構(gòu)物干拖運輸中的運動響應(yīng)和加速度進行了數(shù)值計算分析；于常寶等[5]以某大型FPSO 為例，對比了干拖、濕拖2 種方案下的總縱強度、穩(wěn)性等關(guān)鍵考量點。該文以目前新興的圓筒形FPSO為例，通過數(shù)值計算，在時域中分析了其在干拖運輸過程中的運動特性，并與濕拖方案中的運動結(jié)果進行了對比和分析。

1 計算方法

1.1 數(shù)值計算模型

該文的研究內(nèi)容為某圓筒形FPSO 平臺的干拖過程，并以裝載完成FPSO 的某半潛駁船為研究對象。其船體的主尺度參數(shù)見表1，同時將固連在一起的FPSO 和半潛駁船視作一個整體，其質(zhì)量模型的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 FPSO 與駁船整體參數(shù)

通過數(shù)值分析軟件MOSES 建立用于計算的圓筒形FPSO 及駁船的整體數(shù)值模型，如圖1 所示。

圖1 FPSO 及半潛駁船的數(shù)值計算模型

1.2 載荷及運動響應(yīng)計算

針對干拖過程中的FPSO 平臺與半潛駁船的整體模型，主要考慮波浪載荷與風載荷2 種環(huán)境載荷。其中，波浪載荷基于三維勢流理論與面元模型。使用面元法這種常用于分析大型結(jié)構(gòu)物的波浪載荷與運動響應(yīng)的數(shù)值方法來進行求解，這也是進行數(shù)值模擬時的MOSES 軟件的基本理論。

風載荷對整體模型的作用力矩則通過常用的近似公式來得到，如公式（1）所示。

式中：Mw為風載荷對整體模型的作用力矩；Cm為相應(yīng)的風載荷系數(shù)，根據(jù)高度系數(shù)與形狀系數(shù)確定；ρ為空氣密度；V為流體速度；L為特征長度。

將整體模型視為剛體，其在環(huán)境載荷作用下運動的剛體運動方程如公式（2）所示。

式中：η為剛體的運動響應(yīng)；[M]為剛體質(zhì)量矩陣；[B]為黏性阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；Fwave為整體模型所受的波浪載荷；Fwind為整體模型所受的風載荷；Fg為整體模型自身重力。

基于三維勢流理論與面元理論求解該方程，即可得到計算模型各自由度的運動響應(yīng)結(jié)果。

2 干拖運動特性計算

針對FPSO 干拖整體模型在拖航過程中的運動特性，該文通過數(shù)值模擬對其各自由度運動進行了計算。首先計算了0°（隨浪）至180°（迎浪）內(nèi)各浪向上整體模型各自由度運動的RAO（幅值響應(yīng)算子）。在對FPSO 本身及整體模型穩(wěn)性的影響相對更大的垂蕩、橫搖與縱搖運動中，垂蕩與橫搖運動的極值出現(xiàn)在90°（橫浪）工況，完全符合理論預(yù)期；縱搖運動的極值則出現(xiàn)在迎浪與隨浪附近區(qū)間的多個浪向上，與常規(guī)船體RAO 結(jié)果不同。同時得到整體模型垂蕩運動的固有周期為12s，橫搖運動的固有周期為12.5s，縱搖運動的固有周期為15s。

然后在頻域計算結(jié)果的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行時域中各自由度運動極值的統(tǒng)計與分析。在時域模擬中，F(xiàn)PSO 干拖整體模型同時受到波浪載荷與風載荷的影響，該文根據(jù)其在拖航過程中會遭遇的實際海況進行了設(shè)置，即波浪譜選取γ=1.0 的Jonswap 譜，有義波高為4.89m，譜峰周期為9.97s，浪向為0°～180°，間隔22.5°；風譜選擇NPD 譜，風向與浪向相同，將海拔10m 處1h 的風速設(shè)為17.7m/s。

應(yīng)用上述工況參數(shù)計算9 個風浪同向的工況，每次模擬計算時長為3h。同時，為了分析運動響應(yīng)對波浪譜峰周期Tp的敏感性，在其余參數(shù)不變的情況下增設(shè)了Tp=8.0s與Tp=12.1s 這2 個不同譜峰周期的時域計算工況。整體模型部分運動響應(yīng)的時域計算結(jié)果統(tǒng)計值如圖2 所示，圖2統(tǒng)計的是多次計算的極值平均值。

圖2 運動響應(yīng)時域計算結(jié)果

根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)，垂蕩與橫搖運動的極值出現(xiàn)在浪向為90°（橫浪）的工況，隨著浪向角向0°（迎浪）或180°（隨浪）變化，運動幅度逐漸變小，符合理論預(yù)期情況。通過不同譜峰周期下運動響應(yīng)極值的對比可以發(fā)現(xiàn)，在其余參數(shù)不變的情況下，該FPSO 干拖整體模型的運動響應(yīng)隨著譜峰周期Tp的增加，其幅值明顯增大，說明具有較高的敏感性。但同時也可以發(fā)現(xiàn)，隨著Tp的增加，運動響應(yīng)增加幅度逐漸變小，說明運動響應(yīng)對譜峰周期的敏感性并非線性，譜峰周期越大，運動響應(yīng)對其的敏感性就越弱。

運動加速度時域計算結(jié)果如圖3 所示。圖3 中的水平加速度是沿x軸加速度與沿y軸加速度的合加速度。同時需要注意的是圖3 展示的加速度計算結(jié)果是FPSO 重心處的加速度，而非整體模型重心處的加速度。如圖3 所示，水平加速度與垂向加速度都在橫浪（90°）工況下出現(xiàn)最大值，而對比不同的譜峰周期可以發(fā)現(xiàn)，隨著譜峰周期的增加，運動加速度的增加幅度逐漸變小，Tp=12.1s 工況下2種方向的加速度結(jié)果比Tp=9.97s 工況下增加的量極小，這說明運動加速度對譜峰周期的敏感性以比運動響應(yīng)更快的速率逐漸降低，并在Tp=12.1s 時達到極限，運動加速度基本不再隨譜峰周期的增加而增大。

圖3 運動加速度時域計算結(jié)果

綜上所述，圓筒形FPSO 干拖方案的運動特性主要受運輸駁船船型的影響，F(xiàn)PSO 本身只是一種裝載工況，其本身特點基本不會對運動產(chǎn)生影響，這也是干拖方案與濕拖方案的不同之處。

3 與濕拖運動性能對比

對于FPSO 的運輸，除了上述的干拖方案，還可以采用濕拖方案，即FPSO 平臺直接下水并通過多個拖輪牽引進行拖航。干拖方案應(yīng)用較早、技術(shù)相對成熟，而濕拖方案流程更簡單，在工程上兩者各具優(yōu)勢。2 種方案在運動特性上存在的差別主要源于濕表面形狀的不同：干拖方案中主要為駁船船型，濕拖方案中則為平臺自身。為了研究2種不同拖航方案的適用性，該文針對同一個圓筒形FPSO，將2 種方案中的FPSO 運動性能進行了對比。

濕拖方案中FPSO 運動性能的計算是通過商業(yè)軟件ANSYS-AQWA 進行的，完成圓筒形FPSO 數(shù)值模型的建立后，在與干拖方案相同參數(shù)的計算工況下進行了時域模擬，并統(tǒng)計了各浪向下運動響應(yīng)及加速度的極值。將干拖方案中FPSO 的運動響應(yīng)與濕拖方案的計算結(jié)果進行對比，部分對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 2 種拖航方案的運動響應(yīng)對比

在垂蕩運動極值的對比結(jié)果中，濕拖工況下各浪向垂蕩運動極值近似相等，這是因為圓筒形船體是對稱的，所以垂蕩運動大小與浪向無關(guān)；干拖工況大部分浪向下的垂蕩運動極值低于濕拖工況，只是在接近90°浪向的小部分區(qū)間內(nèi)會超過濕拖工況。對于縱搖與橫搖運動極值的計算結(jié)果，濕拖工況下的圓筒形FPSO 由于相對于X軸和Y軸皆對稱，因此橫搖運動結(jié)果與縱搖類似，只是最大值出現(xiàn)的浪向相差90°；而干拖工況下，由于駁船在縱向上的尺度較大，因此縱搖運動在各浪向下的運動極值均小于濕拖工況且差距顯著。

2 種拖航方案船體加速度對比如圖5 所示。圖5 中的水平加速度同樣是FPSO 重心處沿X 軸加速度與沿Y 軸加速度的合加速度。可以看到，由于圓筒形FPSO 的對稱性，因此濕拖工況下水平加速度與垂向加速度極值大小均與浪向無關(guān)；而在干拖工況中，水平加速度與垂向加速度均在90°浪向（橫浪）下出現(xiàn)最大值。對比可以發(fā)現(xiàn)，在絕大部分浪向下，干拖工況的水平加速度遠小于濕拖工況，僅在橫浪周圍的小范圍區(qū)間內(nèi)略微超過濕拖工況；而干拖工況的垂向加速度超過濕拖工況的浪向區(qū)間較大，且在橫浪下更是顯著大于濕拖工況。

圖5 2 種拖航方案船體加速度對比

綜上所述，干拖工況下FPSO 的運動性能在大部分情況下優(yōu)于濕拖工況，從運動性能方面考慮，該文建議圓筒形FPSO 的拖航使用干拖方案，但在干拖中需要根據(jù)環(huán)境因素進行合理規(guī)劃，盡量避免出現(xiàn)橫浪工況。

4 結(jié)論

該文首先對某圓筒形FPSO 在干拖過程中的運動響應(yīng)進行了模擬計算，并根據(jù)計算結(jié)果研究了其運動特性；其次對比了干拖、濕拖2 種拖航方案下該FPSO 的運動性能。經(jīng)過上述研究，可以得出如下結(jié)論：1）FPSO 干拖過程中的垂蕩運動與橫搖運動極值均出現(xiàn)在橫浪工況。2）FPSO干拖過程中的運動響應(yīng)對波浪譜峰周期的變化比較敏感，而運動加速度對譜峰周期的敏感性較低。3）FPSO 干拖方案的運動性能比濕拖方案更優(yōu)，但拖航過程中應(yīng)避免出現(xiàn)橫浪工況。