陳勃任，唐友剛，黃 印，何 鑫

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

八角形FPSO串靠外輸系統(tǒng)耦合動力響應(yīng)分析

陳勃任，唐友剛，黃 印，何 鑫

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

針對100 m作業(yè)水深的八角形FPSO，提出采用穿梭油輪串靠的外輸方案，研究串靠外輸在南海的適用性。建立由八角形FPSO及其系泊系統(tǒng)、穿梭油輪及FPSO與穿梭油輪之間的系泊大纜等組成的浮式多體動力學(xué)模型，根據(jù)多浮體動力學(xué)理論進(jìn)行耦合時域模擬。在外輸海況條件下，分析了串靠連接的環(huán)境適應(yīng)性及研究大纜載荷的響應(yīng)特性，對連接大纜的長度、剛度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。研究表明，串靠外輸?shù)男问綄τ诎私荈PSO具有足夠的安全性和可靠性，系泊大纜受到明顯的沖擊張力，張力的幅值受大纜的長度和剛度影響較大。

串靠外輸；八角形FPSO；動力響應(yīng)；浮式多體系統(tǒng)； 穿梭游輪； 系泊大纜

Abstract: An offloading scheme by using tandem shuttle tanker is proposed for an octagonal FPSO in 100m working depth. The adaptability of the offloading scheme in the South China Sea is also studied in this paper. The floating multi-body dynamical model is set up which consists of octagonal FPSO and its mooring system, shuttle tanker and hawser which connects the FPSO and the shuttle tanker et al. The simulation is carried out based on the floating multi-body dynamical theory in time domain. In the sea condition of offloading, the environmental adaptability of the tandem offloading scheme and the response characteristics of the hawser are analyzed. The sensitivity of the key parameters, such as the length and stiffness of the hawser are investigated. It is shown that the scheme of tandem offloading has sufficient safety and reliability to the octagonal FPSO. The hawser is forced by the impact loads obviously, and the amplitude of the tension is mainly affected by the length and stiffness of the hawser.

Keywords: tandem offloading; octagonal FPSO; dynamic response; floating multi-body system; tanker; hawser

傳統(tǒng)的船型FPSO為保證其具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，通常采用轉(zhuǎn)塔形式的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)[1]，但是單點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其建造、安裝和維護(hù)成本昂貴。近年來，從經(jīng)濟(jì)性和適用性的角度出發(fā)，海洋工程界提出了一些新型的FPSO。由挪威的Sevan Marine公司設(shè)計的世界首座圓筒形FPSO——“Piranema Spirit”，于2007年在巴西投入使用，且無風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的圓筒形結(jié)構(gòu)形式允許穿梭油輪在更大范圍內(nèi)進(jìn)行外輸操作[2]；王天英針對渤海海域邊際油田提出了圓角倒棱臺型FPSO(IQFP-FPSO)，該結(jié)構(gòu)在淺水海域的水動力性能良好，且具有顯著的抗冰能力，對于渤海邊際油田的開發(fā)具有一定的優(yōu)勢[3]。趙志娟等人提出的多筒式FDPSO結(jié)構(gòu)，不僅具有干式儲油的優(yōu)點(diǎn)，而且降低了原油卸載過程對結(jié)構(gòu)運(yùn)動性能的影響[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對于船型FPSO串靠外輸也展開了一系列的研究。Morandini等人提出了FPSO串靠外輸過程中的設(shè)計狀態(tài)和安全準(zhǔn)則等[5]；Sun等根據(jù)最弱失效模式組理論對FPSO外輸中的斷纜可靠性進(jìn)行了計算，得出FPSO系泊系統(tǒng)和大纜的可靠性指標(biāo)，結(jié)果表明在雙纜的配置下外輸可靠性明顯提高[6]；Zhao等研究了與FPSO類似的FLNG串靠外輸系統(tǒng)的設(shè)計問題，結(jié)果表明外輸間距及FLNG與LNG船之間的連接方式都對外輸操作的安全性和穩(wěn)定性有顯著影響[7]。FPSO串靠外輸中會存在風(fēng)載荷與流載荷的遮蔽效應(yīng)：巴西圣保羅大學(xué)的Fucatu和Nishimoto對于海流的遮蔽效應(yīng)通過模型試驗進(jìn)行了研究，結(jié)果表明由于FPSO引起的遮蔽效應(yīng)，海流對于穿梭油輪的運(yùn)動有一定的影響[8]；對于風(fēng)載荷的影響，荷蘭學(xué)者Koop等[9]采用風(fēng)洞試驗和CFD模擬手段對串靠外輸中穿梭油輪所受的風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明由于FPSO的遮蔽效應(yīng)，穿梭油輪所受的風(fēng)力反而增大6%。

針對淺水小型油田和邊際油田的開發(fā)，范模[10]提出了八角形FPSO結(jié)構(gòu)形式，其各向環(huán)境力基本相同，更有利于采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)，相比于船形FPSO采用的單點(diǎn)系統(tǒng)，可以大大降低系泊系統(tǒng)的復(fù)雜性和造價。近年來的研究工作，主要集中在圓柱形或者八角形FPSO的外形、水動力和運(yùn)動響應(yīng)的研究，而對于此類結(jié)構(gòu)輸油方式和輸油過程的動力響應(yīng)研究較少。本文針對100 m作業(yè)水深的八角形FPSO，針對串輸方案，建立了八角形FPSO、大纜及油輪浮式多體系統(tǒng)耦合的分析模型，研究了不同大纜參數(shù)對于耦合系統(tǒng)的動力響應(yīng)的影響，揭示了串輸系統(tǒng)復(fù)雜的動力響應(yīng)特性。

1 外輸系統(tǒng)描述

在八角形FPSO主甲板的一邊上設(shè)置用于外輸連接的系泊大纜(hawser)和輸油軟管(hose)的接頭。大纜連接處允許其發(fā)生左右約90°的旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同的環(huán)境載荷方向。在穿梭油輪的尾部，輔以限位拖輪以保證外輸操作的安全進(jìn)行。在主外輸作業(yè)區(qū)的對稱位置設(shè)置副外輸作業(yè)區(qū)，以保證在反向的環(huán)境條件下外輸工作也能順利實施。八角形FPSO的串靠外輸系統(tǒng)的總體布置和連接局部布置如圖1所示。

圖1 八角形FPSO串靠外輸布置示意Fig. 1 Arrangement diagram of tandem offloading for octagonal FPSO

對八角形FPSO和穿梭油輪(tanker)在ANSYS中建模，并導(dǎo)出用于AQWA水動力分析的面元模型(panel model)。八角形FPSO的結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1，穿梭油輪的滿載排水量為44 430 t，壓載排水量為26 120 t。

八角形FPSO采用多點(diǎn)系泊的方式進(jìn)行定位。在100 m水深，采用3組系泊纜，每組5根的多點(diǎn)系泊方式，每組間隔120°，組內(nèi)每根系纜間隔3°。錨鏈的系泊預(yù)張力取150 t，相關(guān)錨鏈參數(shù)見表2。進(jìn)行外輸時，F(xiàn)PSO和穿梭油輪通過大纜連接，大纜的主要參數(shù)見表3。

表1 八角形FPSO主要參數(shù)Tab.1 Major parameters for octagonal FPSO

表2 FPSO錨鏈系泊參數(shù)(預(yù)張力150 t)Tab. 2 Chain parameters of FPSO mooring for 100 meter depth (pretension=150 t)

表3 大纜參數(shù)Tab. 3 Parameters of hawser

2 多浮體系統(tǒng)動力學(xué)分析方法

2.1動力學(xué)方程

時域分析中，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的運(yùn)動控制方程[11]：

式中：M表示浮體的質(zhì)量矩陣；A表示無限大頻率時的附加質(zhì)量矩陣近似值；D表示線性阻尼系數(shù)矩陣；K表示靜水回復(fù)剛度矩陣；分別表示一階和二階波浪載荷、流載荷與風(fēng)載荷；Fext表示系泊系統(tǒng)載荷、拖輪限位載荷、多體約束載荷等；hτ表示遲滯函數(shù)矩陣，是自由表面記憶效應(yīng)的體現(xiàn)，可以由式(2)計算得到：

其中，aω=Aω-A，bω=Bω，Aω和Bω分別表示附加質(zhì)量矩陣和輻射阻尼矩陣，由三維勢流理論計算得到。

對FPSO和穿梭油輪組成的一個多浮體系統(tǒng)進(jìn)行分析時，根據(jù)多剛體動力學(xué)系統(tǒng)的牛頓-歐拉方法，考慮浮體之間的連接形式進(jìn)而求解計算。在計算中，考慮了該外輸系統(tǒng)中拖輪拖力的方向是隨著穿梭油輪的位置改變而改變的，并非一個定常載荷。

連接FPSO和穿梭油輪的系泊大纜相當(dāng)于多浮體之間的約束形式，F(xiàn)PSO、穿梭油輪、大纜等組成的浮式多體系統(tǒng)在時域模擬過程中可按照多浮體動力學(xué)理論進(jìn)行計算。

2.2線性阻尼系數(shù)

對于系泊浮體在運(yùn)動過程中受到的黏性阻尼、系泊纜阻尼以及系纜與海底的摩擦阻尼等采用經(jīng)驗公式進(jìn)行估算。參考BV NR 493規(guī)范：對于多點(diǎn)系泊的浮體，橫蕩和縱蕩的線性阻尼系數(shù)取臨界阻尼的3%，艏搖線性阻尼取臨界阻尼的5%；對于外輸過程中的穿梭油輪，由于其限位系纜位于水面以上，需再乘以系數(shù)0.37作為修正[12]。

2.3環(huán)境載荷

八角形FPSO的風(fēng)載荷與流載荷根據(jù)CCS規(guī)范進(jìn)行計算[13]。對于風(fēng)載荷的計算，其形狀系數(shù)取1.0；對于流載荷的計算，海流拖曳力系數(shù)取1.0。由于八角形FPSO結(jié)構(gòu)近似于圓筒形，故忽略風(fēng)和流引起的艏搖力矩。

穿梭油輪的風(fēng)載荷與流載荷采用OCIMF給出的計算公式和系數(shù)進(jìn)行計算[14]。

根據(jù)三維勢流理論，采用源匯分布法求解出波浪的速度勢，再通過壓力積分求解波浪載荷。其中，波浪平均漂移力采用Newman近似法進(jìn)行計算。

3 設(shè)計安全準(zhǔn)則

FPSO串靠外輸中系泊大纜的強(qiáng)度準(zhǔn)則參考依據(jù)為BV NR 494[15]。大纜的設(shè)計載荷計算如下：

1)對于單大纜連接的串靠外輸(single line system)

2)對于雙大纜布置的串靠外輸(twin-line system, 見圖2)

其中，ThD表示大纜的設(shè)計張力，TD表示在系泊分析中等效為單纜繩的張力。

圖2 典型的雙大纜布置示意Fig. 2 Typical arrangement of double hawsers for offloading

大纜的強(qiáng)度準(zhǔn)則：

其中,SF表示安全系數(shù)，見表4；BS表示大纜的水中破斷強(qiáng)度，其計算如下：

其中,NWBS表示單腿式大纜的水中破斷強(qiáng)度；cN表示構(gòu)造系數(shù)。如圖3所示，對于單腿式大纜(single leg type)，取cN=1.0；對于雙腿式大纜(double leg or grommet type)，取cN=1.7。

圖3 大纜構(gòu)造示意Fig. 3 Structure of hawser

布置形式摩擦鏈等級Q3，QR3QR4大纜雙纜2．02．22．5單纜2．52．73．0

選取單腿式的大纜構(gòu)造形式，串靠外輸采用單大纜連接。根據(jù)上述大纜的安全系數(shù)的選取要求和強(qiáng)度準(zhǔn)則，可計算得到大纜的許用載荷為261.3 t。

4 數(shù)值模擬

通過AQWA-DRIFT模塊對FPSO的外輸系統(tǒng)的輸油過程進(jìn)行時域系泊分析。分析中，計算兩種典型的裝載工況：FPSO滿載-穿梭油輪壓載和FPSO壓載-穿梭油輪滿載。采用定常大小的力模擬穿梭油輪船尾限位拖輪的系柱拖力，取值20 t。時域分析模擬時長3小時，時間步長取0.2 s。計算中，F(xiàn)PSO和穿梭油輪的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)分別位于其中縱剖面、中橫剖面、靜水面的交點(diǎn)，未連接穿梭油輪和施加環(huán)境載荷時，F(xiàn)PSO局部坐標(biāo)系原點(diǎn)與全局坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，方向見圖4。

圖4 坐標(biāo)系與環(huán)境載荷方向Fig. 4 Coodinate system and environmental loads directions

確定兩個外輸操作環(huán)境條件如表5所示，取風(fēng)浪流同向(-135°)進(jìn)行計算分析。在FPSO滿載工況下，計算得到的兩浮體的縱蕩、橫蕩和艏搖時程曲線及對應(yīng)的大纜時程曲線如圖5所示。

表5 外輸環(huán)境條件Tab. 5 Environmental condition of offloading

圖5 外輸?shù)臅r域歷程曲線Fig. 5 Time-history curves for offloading

4.1適用性分析

對各工況下大纜設(shè)計載荷和結(jié)構(gòu)最小間距進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表6。

表6 計算結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab. 6 Statistical table of result

從表6可以看出，各裝載及海況下，大纜的載荷均在許用載荷261.3 t以內(nèi)。穿梭油輪與FPSO的最小間距在70 m以上。

由于八角形FPSO不具有類似于船型FPSO的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，因此需對不同的環(huán)境載荷方向下，外輸?shù)陌踩赃M(jìn)行驗證分析?，F(xiàn)考慮圖6所示三個不同的外輸位置，分析其對于外輸耦合系統(tǒng)的影響。計算海況取表6中的海況。

圖6 穿梭油輪與FPSO的三個不同相對位置Fig. 6 Three different relative positions of shuttle tanker and FPSO

針對三個不同的相對位置，計算得到大纜載荷與浮體間距，結(jié)果見表7。從表中可以看出，不同位置下，大纜載荷與浮體間距變化不大。大纜載荷均在許用載荷的范圍內(nèi)，穿梭油輪與FPSO的最小間距在72 m以上。說明串靠外輸形式對于不同的環(huán)境載荷方向具有較好的適應(yīng)性。研究中發(fā)現(xiàn)，相比于位置1，在位置2和位置3的模擬中，F(xiàn)PSO的艏搖運(yùn)動幅值有增大現(xiàn)象。分析其原因在于，大纜張力的作用線不再通過八角FPSO的中心，對FPSO產(chǎn)生艏搖力矩引起的。

表7 不同相對位置下分析結(jié)果統(tǒng)計Tab. 7 Results of different relative positions

為得出外輸操作的臨界環(huán)境條件，對海況等級進(jìn)行搜索計算。根據(jù)蒲氏風(fēng)級表中風(fēng)速與有義波高的對應(yīng)關(guān)系，確定表8中的6個計算海況，計算中采用JONSWAP模擬不規(guī)則波浪，譜峰周期取7.0 s，譜峰升高因子取2.0，風(fēng)浪流環(huán)境載荷同向。統(tǒng)計得出大纜張力與有義波高的關(guān)系見圖7，各海況下大纜的安全系數(shù)見表9。

表8 外輸搜索計算海況等級列表Tab. 8 Sea state levels of searching calculation for offloading

圖7 大纜張力與有義波高關(guān)系Fig. 7 Relationship between hawser tension and significant wave height

海況編號123456安全系數(shù)18．77．64．54．13．42．1

從圖7中可以看出，隨著有義波高的增大，大纜載荷迅速增加。大纜在7級海況下的安全系數(shù)為3.4，仍滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則；在8級海況下大纜安全系數(shù)為2.1，不滿足強(qiáng)度準(zhǔn)則。因此以4 m的有義波高為臨界海況條件，結(jié)合南海某海域各月份及年度的“波高-波向聯(lián)合分布”資料(圖8浪玫瑰圖所示)，對FPSO逐月的外輸時率進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表10。從三月份到九月份，每月外輸時率均在90%以上，氣象條件對FPSO外輸影響不大；從十月份到次年二月份，環(huán)境條件較為惡劣，每月外輸時率在90%以下，應(yīng)根據(jù)氣象條件合理安排FPSO的生產(chǎn)和外輸工作。

圖8 浪玫瑰圖(年)Fig. 8 Wave rose diagram (year)

月份123456789101112時率/(%)87．489．996．397．899．297．896．396．396．284．076．176．4

4.2大纜響應(yīng)特性分析

對圖5(c)所示的連接大纜的時程曲線做快速傅里葉變換，得到纜繩載荷的頻域特性曲線，見圖9。從圖中可以看出，纜繩的載荷主要出現(xiàn)在兩個頻率段：低頻部分，從0.02 rad/s到0.05 rad/s，這部分與主要受浮體的低頻運(yùn)動決定；波頻部分，從0.13 rad/s到0.22 rad/s。結(jié)合圖5中大纜張力的時程曲線，分析這部分主要受到?jīng)_擊張力的影響。當(dāng)穿梭油輪與FPSO出現(xiàn)反向運(yùn)動，大纜由松弛狀態(tài)突變?yōu)閺埦o狀態(tài)，此時大纜受到的瞬時沖擊張力的作用。大纜松弛-張緊時產(chǎn)生的沖擊張力容易引起纜繩的損傷，減小疲勞壽命[16]。

圖9 大纜載荷頻率成分分析Fig. 9 Frequency components of hawser tension analysis

4.3大纜參數(shù)敏感性分析

1)長度敏感性

外輸中大纜的長度對大纜的響應(yīng)特性有很大的影響。在此選取纜長從40 m到100 m、間隔10 m，共7個長度條件，對纜長的敏感性進(jìn)行分析。以外輸海況一為例，大纜張力結(jié)果如圖10所示。當(dāng)纜長增加時，其張力幅值明顯減小。原因在于：當(dāng)纜繩長度較短時，F(xiàn)PSO和穿梭油輪之間的約束剛度大，浮體相對運(yùn)動劇烈，大纜張力較大；反之，當(dāng)纜繩長度增加時，其張力較小。

2)剛度敏感性

在系泊大纜EA=43 000 kN大小的基礎(chǔ)上，分別減小20%、40%和增大20%、40%。變化之后的剛度值見表11。分析中，大纜長度仍取80 m長。計算結(jié)果表明：大纜剛度的減小，會使其張力時程曲線的“尖點(diǎn)”減少，即張力載荷更加趨于平穩(wěn)，大纜張力幅值也較小，見圖11。

圖10 大纜長度對張力幅值的影響Fig. 10 Length influence on tension amplitude of hawser

變化百分比/(%)-40-2002040剛度值/(N·m-1)3．23×1054．30×1055．38×1056．45×1057．53×105

圖11 大纜剛度對張力幅值的影響Fig. 11 Stiffness influence for tension amplitude of hawser

5 結(jié) 語

采用多浮體動力學(xué)方法，計算分析了八角形FPSO串靠外輸系統(tǒng)的耦合動力響應(yīng)，分析了外輸方案的適用性、大纜的響應(yīng)特性和參數(shù)敏感性，主要結(jié)論如下：

1)外輸過程中，如果環(huán)境載荷方向變化較大，穿梭油輪會繞導(dǎo)纜孔發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動，會對FPSO產(chǎn)生較大的艏搖力矩，加大FPSO的艏搖運(yùn)動。

2)比較不同海況外輸?shù)挠嬎憬Y(jié)果可知，對作業(yè)于水深100 m的FPSO，7級海況(有義波高4.0 m)為外輸臨界海況，大于7級海況需要停止外輸。

3)外輸系泊大纜的載荷中的幅值主要是穿梭油輪遠(yuǎn)離FPSO運(yùn)動時，纜繩由松弛突變?yōu)閺埦o時產(chǎn)生的沖擊載荷，雖然纜繩的平均載荷不大，但是沖擊載荷值可高出平均張力數(shù)倍，對于纜繩的安全影響很大。

4)大纜長度的增加可以使張力幅值減小，長度達(dá)到80 m以上時，張力值趨于穩(wěn)定；大纜的剛度越小，穿梭油輪與八角FPSO的連接柔性增強(qiáng)，故大纜張力幅值也越小。相比于大纜的剛度參數(shù)，浮式多體系統(tǒng)對長度參數(shù)更為敏感。

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Analysis of coupled dynamics response for octagonal FPSO in tandem offloading operation

CHEN Boren, TANG Yougang, HUANG Yin, HE Xin

(School of Civil Engineering, State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.003

1005-9865(2017)01-0021-10

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金項目(51279130)

陳勃任(1991-)，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要研究船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。E-mail: chenborentju@163.com

唐友剛。E-mail: tangyougang_td@163.com