鄒佳星，任慧龍，李陳峰

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)主要出現(xiàn)在7～11月，中心風(fēng)速主要集中在 55～75 m/s［1］。僅 2011～2013 年中國(guó)就有 11 起超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，中心風(fēng)速最高為65 m/s。惡劣的海況增加了浮式海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)的壓力和危險(xiǎn)性。現(xiàn)階段對(duì)于浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)的研究，多以選定的海洋環(huán)境作為計(jì)算條件，研究船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)而研究系泊纜索的受力和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。文獻(xiàn)［2］在百年一遇海況下采用時(shí)域非線性數(shù)值模擬了纜索的動(dòng)力響應(yīng);文獻(xiàn)［3］采用一種時(shí)域方法計(jì)算系泊纜索的拉力;文獻(xiàn)［4］提出纜索動(dòng)力分析的模型;文獻(xiàn)［5］將系泊纜索分為懸浮和拖底兩部分，采用三維準(zhǔn)靜態(tài)方法計(jì)算纜索張力;文獻(xiàn)［6］應(yīng)用AQWA軟件對(duì)某平臺(tái)的水動(dòng)力性能及極端工況的系泊性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算;文獻(xiàn)［7］采用時(shí)域耦合動(dòng)力分析方法，并指出合理選取系泊參數(shù)能有效控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜動(dòng)力效應(yīng)。在此研究基礎(chǔ)上，本文在已知系泊鋼纜靜強(qiáng)度的條件下評(píng)估船體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而確定FPSO系泊系統(tǒng)所能承受環(huán)境極值的范圍。首先采用準(zhǔn)靜態(tài)方法和頻域方法初步評(píng)估系泊系統(tǒng)所受外載荷，以確定海況等級(jí)的范圍，然后利用時(shí)域非線性方法分析系泊系統(tǒng)，在鋼纜安全系數(shù)符合規(guī)范要求的情況下，確定現(xiàn)有系泊系統(tǒng)強(qiáng)度下FPSO所能承受的臺(tái)風(fēng)等級(jí)。同時(shí)對(duì)服役期的浮式結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)進(jìn)行安全系數(shù)評(píng)估及計(jì)算時(shí)考慮系泊鋼纜剩余強(qiáng)度。

1 FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)強(qiáng)度

1.1 FPSO單點(diǎn)系泊模型

表1給出了FPSO的主尺度參數(shù)。依據(jù)型值表建立模型并劃分網(wǎng)格。

表1 FPSO主尺度Table 1 The principal dimensions of FPSO

文中FPSO采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。布置方式為3組9根錨鏈，每組之間的夾角為120°。由海底至船體系泊纜索的組成采用錨鏈-鋼纜-錨鏈-鋼纜的形式。系泊纜索參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 系泊纜索主要參數(shù)Table 2 Mooring line paramoters

依據(jù)型值表及系泊纜索資料，建立水動(dòng)力模型，如圖1。

圖1AQWA水動(dòng)力模型Fig.1 AQWA hydrodynamic model

表3 主要環(huán)境參數(shù)Table 3 Environment parameters

環(huán)境載荷采用API規(guī)范中百年一遇臺(tái)風(fēng)進(jìn)行計(jì)算，并分別對(duì)空載、壓載和滿載3種裝載狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。基于FPSO系泊鋼纜剩余強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，重新計(jì)算系泊系統(tǒng)能否抵御百年一遇臺(tái)風(fēng)。若不能抵御，則根據(jù)現(xiàn)有的系泊系統(tǒng)鋼纜強(qiáng)度給出所能抵御的臺(tái)風(fēng)等級(jí)及對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。

1.2 系泊鋼纜剩余強(qiáng)度

通常鋼纜的最小破斷力計(jì)算公式通常采用API規(guī)范所提及的公式［8］，但由于參數(shù)限制無(wú)法對(duì)螺旋式鋼纜進(jìn)行計(jì)算［9］。針對(duì)螺旋式鋼纜，可采用作者在文獻(xiàn)［10］中的計(jì)算方法，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算:

利用概率分布原理與式(1)，可對(duì)鋼纜進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算。

根據(jù)該FPSO系泊系統(tǒng)安全檢測(cè)報(bào)告，對(duì)系泊鋼纜進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算。鋼纜組成詳細(xì)信息及結(jié)構(gòu)如下。

纜繩結(jié)構(gòu):共由13層(除中心外)、540根纜絲組成，中心 1根纜絲(直徑 4.8 mm)+13層(直徑4.8 mm)，6 根、12 根、18根、24 根、30 根，假設(shè)分布在了a(1≤a≤130，整數(shù))根鋼絲上，鋼纜鋼絲的總數(shù)為541根，根據(jù)文獻(xiàn)［10］所述進(jìn)行計(jì)算，可得出130個(gè)斷點(diǎn)分布的鋼絲數(shù)范圍為［104，106］，計(jì)算得出的鋼纜剩余強(qiáng)度范圍為［11 133，11 197］。

1.3 系泊系統(tǒng)強(qiáng)度

根據(jù)表3提供的百年一遇環(huán)境載荷，分別在空載、壓載和滿載3種工況下進(jìn)行試算。計(jì)算結(jié)果顯示在當(dāng)前系泊纜索強(qiáng)度下，3種工況下均無(wú)法抵御百年一遇臺(tái)風(fēng)，結(jié)果列于表4。

表4 百年一遇海況計(jì)算結(jié)果Table 4 The result of 100-year return period calculation kN

參考該FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件，在系泊系統(tǒng)完整狀態(tài)(無(wú)鋼纜斷裂)百年一遇海況、3種裝載工況下，9根系泊纜索中受到拉力最大值和對(duì)應(yīng)安全系數(shù)見(jiàn)表5。對(duì)比文中計(jì)算結(jié)果可看出，文中計(jì)算結(jié)果較計(jì)算結(jié)果偏大，加之考慮系泊纜索的強(qiáng)度縮減，計(jì)算結(jié)果較設(shè)計(jì)文件有較大差別。3種裝載狀態(tài)下受力最大的鋼纜均斷裂。在系泊系統(tǒng)損壞狀態(tài)(單根鋼纜斷裂)百年一遇海況、3種裝載工況下，9根系泊纜索中受到拉力最大值和對(duì)應(yīng)安全系數(shù)見(jiàn)表6。由于鋼纜強(qiáng)度的衰減，從表6可看出，受力最大的鋼纜斷裂后，其余鋼纜受力急劇增大，最終導(dǎo)致系泊系統(tǒng)全部鋼纜斷裂。

表5 百年一遇海況計(jì)算結(jié)果(完整)Table 5 Results of 100-year return period calculation(intact)

表6 百年一遇海況計(jì)算結(jié)果(破損)Table 6 Results of 100-year return period calculation(damaged)

考慮軟件計(jì)算中誤差因素，對(duì)比設(shè)計(jì)文件結(jié)果和本文中計(jì)算結(jié)果可看出，對(duì)于服役若干年系泊纜索強(qiáng)度下降的系泊系統(tǒng)，其整體強(qiáng)度下降無(wú)法抵御百年一遇的海況。壓載及滿載兩種情況的計(jì)算結(jié)果表明船體在環(huán)境載荷的作用下已脫離原固定位置。因此，有必要對(duì)服役多年的系泊系統(tǒng)所受環(huán)境載荷的等級(jí)進(jìn)行重新分析，并評(píng)估系泊系統(tǒng)安全性。

2 系泊系統(tǒng)承受極限環(huán)境能力分析

對(duì)于現(xiàn)役的FPSO，由于系泊纜索極限強(qiáng)度的降低，系泊系統(tǒng)的定位能力也隨之降低。初步估計(jì)環(huán)境參數(shù)，然后利用AQWA建模在時(shí)域下對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行非線性耦合計(jì)算，評(píng)估在當(dāng)前強(qiáng)度下系泊系統(tǒng)所能承受的臺(tái)風(fēng)等級(jí)。

2.1 模型條件

在評(píng)估FPSO系泊系統(tǒng)所能承受的最大海況時(shí)，首先要確定FPSO的裝載狀態(tài)。通過(guò)表5列出的結(jié)果可知，百年一遇海況下FPSO在壓載和滿載兩種裝載工況下系泊纜索損壞嚴(yán)重，1#～9#鋼纜均由于所受系泊力過(guò)大，加之鋼纜強(qiáng)度降低，全部發(fā)生斷裂?？蛰d狀態(tài)下，受主環(huán)境力方向的三根鋼纜由于所受拉力值超過(guò)鋼纜載荷而斷裂。9#鋼纜所受拉力也臨近鋼纜破斷載荷，其余鋼纜受力較小。設(shè)計(jì)文件評(píng)估結(jié)果顯示，完整狀態(tài)下系泊系統(tǒng)空載時(shí)主受力方向的鋼纜拉力值最小。因此，采用空載狀態(tài)用作評(píng)估分析。

2.2 環(huán)境參數(shù)評(píng)估

利用準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算和頻域計(jì)算結(jié)合的方法評(píng)估風(fēng)速、波浪速度和流速，對(duì)比臺(tái)風(fēng)等級(jí)表，縮小系泊系統(tǒng)所能承受的臺(tái)風(fēng)等級(jí)范圍。

根據(jù)懸鏈線方程［11］可推導(dǎo)出:

式(2)、(3)中的參數(shù)可由相關(guān)教材中查得，這里不再贅述。由此可得到浮式結(jié)構(gòu)物水平受力。外力主要有風(fēng)浪流載荷組成，載荷初步評(píng)估可參用規(guī)范推薦方法。風(fēng)、流載荷考慮為定常量計(jì)算公式為［12］

式中:Fw為風(fēng)載荷，Cw為風(fēng)載荷系數(shù)，ρw為空氣密度，Vw為海平面10米處風(fēng)速，A為受風(fēng)面積，F(xiàn)c為流載荷，Cc為流載荷系數(shù)，ρc為海水密度，Vc為平局海流速度，LBP為船體垂線間長(zhǎng)，T為平均吃水。

對(duì)于浮體運(yùn)動(dòng)計(jì)算通常用時(shí)域法，但本文在計(jì)算過(guò)程中浮式結(jié)構(gòu)物只考慮運(yùn)動(dòng)的最后位置，不考慮運(yùn)動(dòng)過(guò)程，計(jì)算波浪載荷時(shí)可采用頻域法計(jì)算，利用DNV 規(guī)范的估算方法［14］:

2.3 系統(tǒng)承受最大海況評(píng)估

經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)境參數(shù)的評(píng)估計(jì)算，對(duì)比臺(tái)風(fēng)等級(jí)表［15］，對(duì)應(yīng)的海況等級(jí)為12～13級(jí)。在海況為12～13級(jí)條件下利用AQWA重新建模，通過(guò)時(shí)域動(dòng)態(tài)非線性耦合計(jì)算得知，12～13級(jí)下，系泊系統(tǒng)臨近破斷邊緣，因此降級(jí)海況等級(jí)，計(jì)算得到空載狀態(tài)下所能承受的海況等級(jí)為10～11級(jí)，9根鋼纜張力最大值結(jié)果列于表7，所受張力的時(shí)歷曲線見(jiàn)圖2。

表7 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 7 The results statistics

圖2 9根系泊纜索所受系泊力的時(shí)歷曲線Fig.2 The time history curves of nine mooring lines load

3 系泊鋼纜安全系數(shù)評(píng)定

整理計(jì)算結(jié)果顯示安全系數(shù)最小為1.33。根據(jù)API規(guī)范，完整狀態(tài)下采用動(dòng)態(tài)法計(jì)算的系泊系統(tǒng)安全系數(shù)為 1.67［8］。

根據(jù)表中計(jì)算的得到的安全系數(shù)可看出，1#～9#鋼纜大部分安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。5#鋼纜接近安全系數(shù)規(guī)定水平，6#至9#鋼纜安全系數(shù)略低于規(guī)范要求，但在系泊系統(tǒng)安全評(píng)估過(guò)程中，考慮了鋼纜強(qiáng)度的損失，減少了安全評(píng)估過(guò)程中帶來(lái)的誤差，因此其安全評(píng)估結(jié)果可視為安全，具有參考價(jià)值。

4 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果可總結(jié)以下結(jié)論:

1)服役期FPSO有必要對(duì)其鋼纜強(qiáng)度重新進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，通過(guò)對(duì)實(shí)際服役6年的鋼纜強(qiáng)度計(jì)算可看出在服役期間鋼纜強(qiáng)度損失較大。

2)經(jīng)過(guò)文中分析可知，服役多年的FPSO由于鋼纜強(qiáng)度損失，不足以抵御百年一遇臺(tái)風(fēng)。需重新對(duì)系泊系統(tǒng)的定位能力和安全性進(jìn)行重新評(píng)估。在相同的海況等級(jí)下，通過(guò)對(duì)FPSO 3種典型裝載工況的計(jì)算可看出，空載狀態(tài)是抵御臺(tái)風(fēng)的最佳裝載狀態(tài)。

3)已知系泊系統(tǒng)鋼纜強(qiáng)度的前提下可利用準(zhǔn)靜態(tài)法法和規(guī)范法相結(jié)合的方法，估算與環(huán)境載荷相關(guān)的參數(shù)，對(duì)比找出系泊系統(tǒng)可能承受的海況等級(jí)，然后利用時(shí)域非線性分析方法進(jìn)行校核。文中結(jié)果可分析出當(dāng)下系泊系統(tǒng)所能承受的海況等級(jí)，對(duì)FPSO應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)措施具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］陳宏力，趙利剛.近六十年來(lái)侵襲中國(guó)沿海的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)［C］//第27屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)災(zāi)害天氣研究與預(yù)報(bào)分會(huì)場(chǎng)論文集.北京，中國(guó)，2010.

［2］李輝，單鵬昊，任慧龍，等.時(shí)變風(fēng)中spar平臺(tái)系泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，41(2):36-40.LI Hui，SHAN Penghao，REN Huilong，et al.Dynamic coupling analysis of mooring systems for a Spar platform in time-varying wind［J］.Huazhong Univ.of Sci＆ Tech:Natural Science Edition，2013，41(2):36-40.

［3］NIE Mengxi，WANG Xusheng，WANG Xiaoming，et al.Time domain approach for computing the mooring force of a mooring system subject to wind，waves and currents［J］.Ts-inghua Science and Technology，2004，44(9):1214-1217.

［4］KREUZER E，WILKE U.Dynamics of mooring systems in ocean engineering［J］.Archive of Applied Mechanics，2003，73(3/4):270-281.

［5］WANG Lizhong，GUO Zhen，YUAN Feng.Quasi-static three-dimensional analysis of suction anchor mooring system［J］.Ocean Engineering，2010，37(13):1127-1138.

［6］陳鵬，馬駿，黃進(jìn)浩，等.基于AQWA的半潛式平臺(tái)水動(dòng)力分析及系泊性能計(jì)算分析［J］.船海工程，2013，42(3):44-47.CHEN PENG，MA Jun，HUANG Jinhao，et al.Hydrodynamic analysis and mooring system calculation for semi-submersible platform［J］.Ship ＆ Ocean Engineering，2013，42(3):44-47.

［7］陳鵬，馬駿，楊青松.深水半潛平臺(tái)張緊式系泊系統(tǒng)耦合動(dòng)力響應(yīng)研究［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39(1):65-69.CHEN Peng，MA Jun，YANG Qingsong.Coupled-dynamic response investigation of taut-wire mooring systems for deepwater semi-subermersible platform［J］.Journal of Dalian Maritime University，2013，39(1):65-69.

［8］American Petroleum Institute.API RP 2SK，design and analysis of stationkeeping systems for floating structures［S］.Washington:API Publishing Services，2005.

［9］American Petroleum Institute.API RP 2I，in-service inspection of mooring hardware for floating structures［S］.Washington:API Publishing Services，2008.

［10］REN Huilong，ZOU Jiaxing，LI Chenfeng，et al.Ocean engineering mooring rope residual strength and broken wires probability calculation［C］//32ndInternational Conference on Ocean， Offshore and ArcticEngineering.Nantes，F(xiàn)rance，2013.

［11］繆國(guó)平.撓性部件力學(xué)導(dǎo)論［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1995:35-40.

［12］Oil Companies International Marine Forum.Prediction of wind and current loads on VLCCs［M］.2nd Ed.London:Witerby ＆ Co.Ltd，1994.

［13］DET NORSKE VERITAS.DNV-RP-C20，Environmental conditions and environmental loads［S］.Norway:Det Norske Veritas，2011.

［14］ZHU Jianxun，SUN Liping，LIU Shengnan，et al.Time domain simulation of a one line failure for a DP-assisted mooring system［J］.Journal of Marine Science and Application，2014，13(3):321-326.

［15］LI Chenfeng，REN Huilong，XU Donghao，et al.Extreme values of environment parameters under super typhoon in South China Sea［C］//31st International Conference on O-cean，Offshore and Arctic Engineering.Rio de Janeiro，Brazil，2012.