易叢,王忠暢,李達(dá),白雪平,陳紀(jì)軍,鄭文濤

FPSO淺水流載荷實(shí)驗(yàn)分析

易叢1,王忠暢1,李達(dá)1,白雪平1,陳紀(jì)軍2,鄭文濤2

為了論證該預(yù)報流載荷的方法用于FPSO是否合適，采用風(fēng)洞模型試驗(yàn)方法，針對FPSO深、淺水中的流載荷進(jìn)行了預(yù)報，與OCIMF、API結(jié)果進(jìn)行對比，分析表明，OCIMF規(guī)范中統(tǒng)計分析對象為VLCC，與方形系數(shù)較大的FPSO船型間存在較大差異，彼此間流載荷也存在較大不同，特別是淺水區(qū)域。API規(guī)范中流力預(yù)報的方法適用于深水區(qū)域，對淺水區(qū)域流力存在預(yù)估值偏小的問題。

FPSO；流載荷；風(fēng)洞試驗(yàn)；淺水效應(yīng)

浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)(floating production storage and offloading system,FPSO)，同時具備生產(chǎn)、儲油、外輸?shù)榷喾N功能，具有很好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、海域適應(yīng)性,以及可重復(fù)利用性，成為當(dāng)今海洋油氣開發(fā)的主流方式[1]。

目前，在我國渤海服役的FPSO工作水深范圍在30 m以內(nèi)，屬于淺水。在對其錨泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，有必要對作用于船體的流載荷做出準(zhǔn)確評估。目前，常采用OCIMF規(guī)范中的流載荷系數(shù)或者API規(guī)范進(jìn)行預(yù)報?？紤]到OCIMF規(guī)范中統(tǒng)計分析對象為VLCC，其與方形系數(shù)較大的FPSO存在較大差異，尤其是在淺吃水工況下。因此，對其工程實(shí)用性及安全性，需進(jìn)行論證。而API規(guī)范中流載荷預(yù)報結(jié)果與FPSO模型試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的差異，國內(nèi)亦沒有相關(guān)文獻(xiàn)加以論述。

由于海流流速較小，對應(yīng)FPSO實(shí)船F(xiàn)r數(shù)較低。因水池拖曳存在興波干擾，故考慮采用疊模方法，針對FPSO深、淺水中的流載荷特性進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗(yàn)預(yù)報，并與OCIMF規(guī)范及API規(guī)范計算結(jié)果[2-3]進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生差異的原因及其淺水效應(yīng)。

1 模型試驗(yàn)方法

1.1 研究對象

研究對象為一艘15萬t級FPSO，模型縮尺比1∶180，見圖1。實(shí)船及模型主要參數(shù)參見表1。FPSO的吃水為14.5 m，研究水深包括100 m、30 m、18 m，對應(yīng)水深吃水比分別為6.9，2.1，1.2。其中，參考PIANC定義可知[4]：當(dāng)水深吃水比為6.9時，可認(rèn)為是無限水深工況。

名稱實(shí)船模型(1∶180)垂線間長/m282．01．5667型寬/m 51．00．2833型深/m 20．60．1144滿載吃水/m14．50．0806

1.2 試驗(yàn)方法

模型試驗(yàn)在中國船舶科學(xué)研究中心大型低速風(fēng)洞試驗(yàn)室中進(jìn)行。該風(fēng)洞為閉口單回流式低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段長8.5 m、高3 m、寬3 m。試驗(yàn)風(fēng)速3～93 m/s連續(xù)可調(diào)。

模型試驗(yàn)采用常溫常壓拘束模測試試驗(yàn)方法。模型按等縮尺比制作，采用重疊模設(shè)計，即模型關(guān)于水線面對稱，滿足幾何相似。船模流向角保持與實(shí)船情況相等，滿足運(yùn)動相似。海流繞船體水下部分流動的相似特征參數(shù)主要包括弗勞德數(shù)(Fr)和雷諾數(shù)(Re)。根據(jù)海平面流速以及水下部分尺度，可知該Fr較小，可以忽略自由液面對流載荷的影響，即動力相似可僅考慮Re相似。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，當(dāng)Re達(dá)到一臨界值時，模型流載荷量綱一的量系數(shù)不再隨Re變化，在此條件下認(rèn)為試驗(yàn)近似滿足動力相似準(zhǔn)則，測得的流載荷系數(shù)可外推到實(shí)船應(yīng)用。在正式測試前先進(jìn)行變風(fēng)速試吹風(fēng)試驗(yàn)，根據(jù)海洋風(fēng)環(huán)境模擬要求并綜合考慮模型、儀器設(shè)備的安全、數(shù)據(jù)有效性等選取適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)風(fēng)速。本試驗(yàn)中，試驗(yàn)Re為

式中：V為試驗(yàn)風(fēng)速；L為特征長度，取船模垂線間長1.566 7 m；υ為運(yùn)動粘性系數(shù)，取1.556×10-5m2/s(按試驗(yàn)期間風(fēng)洞現(xiàn)場平均溫度25 ℃計)。

根據(jù)變風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果，最終選取試驗(yàn)風(fēng)速約為23 m/s，對應(yīng)試驗(yàn)Re為2.3×106，當(dāng)試驗(yàn)風(fēng)速大于23 m/s時，模型流載荷量綱一的量系數(shù)保持穩(wěn)定值。

模型試驗(yàn)時，模型安裝在應(yīng)變天平接頭上，使應(yīng)變天平回轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)中心線重合；控制轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動則模型流向角相應(yīng)變化，試驗(yàn)風(fēng)向角0°～180°，間隔15°。

變水深模擬：在風(fēng)洞試驗(yàn)段搭建上、下平臺，用于模擬海底，模型水線面位于上下地板的中心。通過調(diào)整上、下地板的高度實(shí)現(xiàn)水深的模擬。典型工況試驗(yàn)照片見圖2。

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M淺水流場是成熟的技術(shù)。如前所述，風(fēng)洞試驗(yàn)本身就是忽略傅汝德數(shù)，忽略自由液面對流載荷的影響，即動力相似可僅考慮雷諾數(shù)相似，考慮粘性效應(yīng)，使試驗(yàn)中的流場和實(shí)際的流場一致。因此風(fēng)洞試驗(yàn)不僅能夠成功模擬深水中船舶周圍的流場，也能夠模擬淺水中船舶周圍流場變化復(fù)雜的情況，體現(xiàn)淺水中船舶形狀阻力增加的情況。

1.3 坐標(biāo)系與數(shù)據(jù)表達(dá)

為了數(shù)據(jù)表達(dá)的統(tǒng)一以及與OCIMF[2]結(jié)果進(jìn)行比較，本次流載荷試驗(yàn)采用坐標(biāo)系o-xyz與OCIMF中一致，見圖3。坐標(biāo)系原點(diǎn)o位于船體中縱剖面、中橫剖面(船體10站位置)以及水平面的交點(diǎn)，ox軸平行水平面指向船首，oz軸垂直水平面指向上方，oy軸根據(jù)右手法則確定。船體流載荷3個方向的力表示為：縱向力X沿ox軸方向，側(cè)向力Y沿oy軸方向，繞oz軸的力矩表示為N(偏航力矩)。定義ψ為流向角，其中：ψ=0°時船體順流，ψ=180°時船體逆流。

試驗(yàn)測得的力、力矩采用下列無因次化形式來表達(dá)。

(1)

式中：ρ為試驗(yàn)環(huán)境下的空氣密度，kg/m3；v為試驗(yàn)參考風(fēng)速，m/s；L為特征長度(取垂線間長)，m；T為吃水，m；Cx為x方向流力系數(shù)；X為x方向所受流力；Cy為y方向流力系數(shù)；Y為y方向所受流力；CN為Z方向所受力矩系數(shù)；N為z方向所受力矩。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

FPSO滿載時在深水及淺水(包括水深吃水比2.1和1.2兩個工況)中的模型試驗(yàn)結(jié)果與OCIMF規(guī)范計算結(jié)果比較見圖4～6。由系列圖可見：

1)縱向力系數(shù)CX。

(1)無限水深下，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與OCIMF規(guī)范趨勢大體一致，兩者主要差異為流向角90°附近工況。主要原因是：橫流時的縱向力系數(shù)大小取決于船體艏艉線型差異，一方面，由于FPSO比VLCC船型豐滿，方形系數(shù)較大，船體艏艉線型差異較小，整體上講，縱向力系數(shù)為小量；另一方面，可能是因?yàn)橐?guī)范值為統(tǒng)計平均結(jié)果。

(2)對于FPSO，當(dāng)水深吃水比為2.1時，縱向力系數(shù)隨流向角變化與深水中大體一致，差別主要體現(xiàn)為取得極值的流向角發(fā)生改變；風(fēng)向角在60°～90°時有限水深的試驗(yàn)值與OCIMF規(guī)范法結(jié)果方向反向，即出現(xiàn)了相位角的變化。這說明在淺水情況下，F(xiàn)PSO船型和OCIMF中油輪船型的區(qū)別導(dǎo)致流力方向的不同，船型對流力的影響較大。

(3)當(dāng)水深吃水比為1.2時，縱向力系數(shù)趨勢不再與深水及規(guī)范一致。風(fēng)向角在60°～90°時有限水深的試驗(yàn)值與OCIMF規(guī)范法結(jié)果方向反向，即出現(xiàn)了相位角的變化。在風(fēng)向角為45°時縱向系數(shù)還出現(xiàn)“奇異點(diǎn)”，和其他水深下成正弦變化的縱向力系數(shù)趨勢有明顯區(qū)別。這些現(xiàn)象充分體現(xiàn)了淺水FPSO船體周圍流動的復(fù)雜性及特殊性，有待進(jìn)一步的分析研究。

(4)整體上講， FPSO縱向力系數(shù)隨著水深減小而增加。

2)側(cè)向力系數(shù)CY。

(1)無限水深下，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與OCIMF規(guī)范趨勢一致，呈正弦變化；定量上，兩者存在較大差異： FPSO橫流時的側(cè)向力系數(shù)較規(guī)范結(jié)果增大。主要原因是由于FPSO與規(guī)范中的研究對象VLCC兩者間的船型差異(兩者B/T相差不大)所導(dǎo)致：相較于VLCC，F(xiàn)PSO方形系數(shù)較大，水下船型更為飽滿，橫向流動時在背流區(qū)將呈現(xiàn)更大的流動分離區(qū)域，由之導(dǎo)致形狀阻力增加(此時橫向摩擦阻力是小量)，使得橫向力系數(shù)增加。

(2)與無限水深工況不一致的是，當(dāng)水深較淺時，船身周圍三維流動顯著，Y向流場對船型敏感性減弱，F(xiàn)PSO船型和油輪船型傾向于得到接近的側(cè)向力系數(shù)。在船型、水深因素綜合作用下，F(xiàn)PSO試驗(yàn)的側(cè)向力系數(shù)增加，比OCIMF規(guī)范值略大。

(3)無論是OCIMF規(guī)范結(jié)果，還是風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，側(cè)向力系數(shù)隨水深減小而驟增，這主要是由于隨著水深減小，流場發(fā)生變化，船體周圍流速增加。

3)偏航力矩系數(shù)CN。

(1)無限水深下，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與OCIMF規(guī)范趨勢大體一致，差別主要體現(xiàn)為取得極值的流向角略有變化，原因是由于船型差異導(dǎo)致的壓心變化所導(dǎo)致。

(2)與側(cè)向力系數(shù)一致，無論是OCIMF規(guī)范，還是風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，偏航力矩系數(shù)隨水深減小而增加。與OCIMF規(guī)范取得極值點(diǎn)的流向角一致所不同的是，F(xiàn)PSO在系列水深吃水比下的流向角發(fā)生改變。

進(jìn)一步地，給出系列水深條件下FPSO吃水14.5 m時所受流載荷合力系數(shù)(Cx和Cy的合力)的試驗(yàn)值、OCIMF規(guī)范及API規(guī)范三者的比較，見圖7。

API流力計算公式適用于深水，各項(xiàng)系數(shù)和水深沒有函數(shù)關(guān)系。OCIMF流載荷取深水工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，對于流載荷合力系數(shù)峰值，OCIMF及API規(guī)范，相較于深水試驗(yàn)值偏小約35.1%及18.2%；特別地，基于API規(guī)范預(yù)報得到的流載荷合力系數(shù)僅為18 m水深試驗(yàn)值的1/3。因此，針對FPSO錨泊系統(tǒng)設(shè)計時，采用規(guī)范方法預(yù)報得到的流載荷系數(shù)需慎用。

4 結(jié)論

1)OCIMF是基于油輪線型給出流力的計算方法。FPSO船體較為肥大，與油輪存在差異。因此，盡管OCIMF流力預(yù)報值和本次風(fēng)洞試驗(yàn)流載荷體現(xiàn)了相同的“縱向力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)及偏航力矩系數(shù)隨水深減小顯著增大”的趨勢，但是OCIMF流力計算方法在應(yīng)用于FPSO流力預(yù)報時，存在局限性，特別在淺水區(qū)域，體現(xiàn)在：淺水中， FPSO典型工況下的縱向力系數(shù)與OCIMF規(guī)范結(jié)果相差較大，風(fēng)向角在60°～90°時有限水深

的試驗(yàn)值與OCIMF規(guī)范法結(jié)果方向反向，在風(fēng)向角為45°時縱向系數(shù)還出現(xiàn)“奇異點(diǎn)”。

2)API的流載荷預(yù)報方法是基于深水海域的流力預(yù)報。通過FPSO所受流載荷合力系數(shù)的試驗(yàn)值、API規(guī)范流力計算值的比較，基于API規(guī)范預(yù)報得到的流載荷合力系數(shù)僅為18 m水深試驗(yàn)值的1/3。因此，淺水中針對FPSO錨泊系統(tǒng)設(shè)計時，采用API規(guī)范方法預(yù)報得到的流載荷系數(shù)偏小，需慎用。

[1] 袁中立，李春.FPSO的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2005,31(6)：24-29.

[2] OCIMF. Prediction of wind and current loads on VLCCs[C]. Oil Companies International Marine Forum (OCIMF), Edition 2,1994.

[3] API rule. Design and analysis of stationkeeping systems for floating structures. RECOMMENDED PRACTICE 2SK 3rd ed. OCTOBER2005.

[4] 肖龍飛，楊建民，胡志強(qiáng).極淺水單點(diǎn)系泊FPSO低頻響應(yīng)分析[J].船舶力學(xué)，2010，14(4):372-378.

[5] 桂龍,唐友剛,秦堯,等.淺水FPSO限位作業(yè)系泊分析[J].海洋工程,2014,32(3):28-35.

(1.中海石油研究總院，北京 100027；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

Current Load Analysis of FPSO in Shallow Water Based on Model Test

YI Cong1, WANG Zhong-chang1, LI Da1, BAI Xue-ping1, CHENG Ji-jun2, ZHENG Wen-tao2

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China;2.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)

In order to evaluate whether the method is suitable for FPSO, the wind tunnel model test was conducted. The current load of FPSO in different water depth was measured and compared with data gotten by OCIMF and API calculation. The results indicated that the current force evaluate method based on OCIMF is not proper for FPSO as the difference between FPSO hull and oil tanker hull, especially in shallow water. It was also indicated that the current force evaluate method based on API rules is good for deep water but is too small for shallow water condition.

FPSO; current load; wind tunnel test; shallow water effect

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.035

2016-05-23

易叢(1982—)，女，碩士，高級工程師研究方向:浮托安裝、FPSO浮體性能等

P751

A

1671-7953(2017)01-0141-04

修回日期：2016-06-12