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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

基于頻域的系泊載荷快速預(yù)報(bào)方法

李牧，田冠楠，李德斌，李鵬

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300451)

針對(duì)FPSO系泊載荷的快速預(yù)報(bào)問(wèn)題，將頻域求解方法與規(guī)范相結(jié)合，提出一種適用于單點(diǎn)系泊型FPSO系泊力的快速計(jì)算方法，利用編制不同裝載工況下的水動(dòng)力參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于線性插值方法，能夠快速獲得最大載荷及最大縱蕩。與時(shí)域計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，該方法具有良好的準(zhǔn)確度。

FPSO；快速預(yù)報(bào)；載荷；頻域分析

目前國(guó)內(nèi)所應(yīng)用的FPSO均采用單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，此種系泊系統(tǒng)可使得FPSO在海上作業(yè)時(shí)具備風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，使其受到最小的系泊力[1]。然而，惡劣的海洋環(huán)境使得系泊系統(tǒng)的安全性經(jīng)受考驗(yàn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究[2-4]。目前，針對(duì)系泊系統(tǒng)載荷的主要研究方法為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，也形成了較為成熟的系泊分析軟件，如Araine，OrcaFlex，Moses，AQWA等，應(yīng)用這些方法都取得了較好的仿真計(jì)算效果，并獲得驗(yàn)證[5-6]。但是，應(yīng)用數(shù)值仿真軟件對(duì)專業(yè)技術(shù)要求較高、且計(jì)算速度較慢，對(duì)于海上作業(yè)人員無(wú)法短時(shí)間獲取系泊系統(tǒng)載荷、位移等信息，在實(shí)際的快速預(yù)報(bào)中無(wú)法得到應(yīng)用。因此，考慮以作業(yè)于渤海地區(qū)的海洋石油112FPSO為研究對(duì)象，基于頻域求解方法與規(guī)范相結(jié)合，開發(fā)一種能夠進(jìn)行海上系泊載荷快速預(yù)報(bào)方法。

1 理論基礎(chǔ)

頻域求解方法描述浮體響應(yīng)的總體方程是解耦的，且分解為平均、低頻和波頻響應(yīng)。平均響應(yīng)通過(guò)環(huán)境荷載和系泊系統(tǒng)恢復(fù)力共同作用而達(dá)到的靜平衡狀態(tài)計(jì)算得到。波頻和低頻浮體運(yùn)動(dòng)可通過(guò)頻域方法計(jì)算并得到運(yùn)動(dòng)響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差，然后可以基于峰值響應(yīng)分布而求得諸如有義值和最大值等統(tǒng)計(jì)峰值，并將波頻和低頻響應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合以得到對(duì)應(yīng)于指定風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間的最大組合響應(yīng)。最后將最大相應(yīng)組合帶入FPSO系泊剛度曲線，取得系泊力極值。

使用頻域浮體動(dòng)力方法對(duì)具有風(fēng)向標(biāo)特性的浮體進(jìn)行性能分析時(shí)，浮體的浪向必須是固定的。在固定設(shè)計(jì)浪向上計(jì)算浮體系泊系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)，固定設(shè)計(jì)浪向應(yīng)在考慮平均的平衡浪向和低頻首搖運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上確定。

1.1 環(huán)境載荷

作用于FPSO上的環(huán)境載荷包括波浪載荷、風(fēng)載荷和流載荷。在系泊計(jì)算采用頻域計(jì)算波浪載荷主要考慮二階波浪平均漂移力，其中波浪漂移力采用譜方法進(jìn)行求解。

(1)

式中：QTF為二階平均漂移力傳遞函數(shù)；S(ω)為波浪譜，該海域應(yīng)用Jonswap譜[7]。

將風(fēng)視作均勻風(fēng)，不同入射角度對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)載荷系數(shù)，流載荷也作同樣處理。

1.2 最大位移

根據(jù)API規(guī)范規(guī)定[8]，采用頻域方法計(jì)算，最大位移為以下2式最大值。

Smax=SLFmax+SWFsig+Smean

(2)

Smax=SLFsig+SWFmax+Smean

(3)

式中：Smean為FPSO平均位移；SWFsig為波頻有義位移；SWFmax為波頻最大位移；SLFsig為低頻有義位移；SLFmax為低頻最大位移。

根據(jù)3 h內(nèi)Rayleigh分布，最大波頻位移、波頻有義位移、最大低頻位移、波頻有義位移為

SWFmax=3.72σWF

(4)

SWFsig=2σWF

(5)

SLFmax=3.06σLF

(6)

SLFsig=2σLF

(7)

其中標(biāo)準(zhǔn)差σWF、σLF采用譜方法求得，分別為

(8)

(9)

上式中低頻波浪漂移力譜密度為

(10)

1.3 快速預(yù)報(bào)數(shù)值方法

快速預(yù)報(bào)方法即能夠根據(jù)輸入數(shù)據(jù)快速對(duì)最大位移、最大系泊力進(jìn)行快速計(jì)算，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與載荷、位移的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)。所以針對(duì)上述一階力、二階力傳遞函數(shù)，基于勢(shì)流理論對(duì)不同吃水裝載下的FPSO進(jìn)行計(jì)算，獲得RAO及QTF。利用商用軟件獲得FPSO在不同吃水下的剛度，見(jiàn)圖1，編制成數(shù)據(jù)庫(kù)。在快速預(yù)報(bào)時(shí)，利用輸入值與數(shù)據(jù)庫(kù)線性插值，進(jìn)而獲得傳遞函數(shù)和剛度曲線。

圖1 不同吃水下系泊系統(tǒng)的剛度

2 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為作業(yè)于渤海海域的海洋石油112FPSO，其主尺度見(jiàn)表1，該條FPSO作業(yè)水深24.0 m，采用水下軟剛臂式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，系泊系統(tǒng)主要由塔架、剛性的Yoke結(jié)構(gòu)及錨鏈組成。

3 數(shù)值結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該算法的合理性，通過(guò)與目前較為認(rèn)可的OrcaFlex軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

表1 FPSO主要參數(shù)表

OrcaFlex軟件目前廣泛應(yīng)用系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該軟件能夠進(jìn)行考慮系泊系統(tǒng)與船體間全耦合的時(shí)域分析[9]，圖2為數(shù)值仿真模型。針對(duì)FPSO在滿載及壓載，不同環(huán)境條件下的工況進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比計(jì)算工況見(jiàn)表2。

圖2 海洋石油112FPSO數(shù)值仿真模型

表2 對(duì)比驗(yàn)證工況

分別采用頻域方法和全耦合的時(shí)域方法對(duì)以上4種工況進(jìn)行計(jì)算，獲得最大縱蕩值、最大系泊力等統(tǒng)計(jì)值。

圖3 頻域與時(shí)域計(jì)算值對(duì)比

滿載工況和壓載工況時(shí)域與頻域計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3，壓載工況由于裝載量較小，整體系泊剛度較小，因而最大縱蕩值較大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頻域計(jì)算值與時(shí)域計(jì)算值變化規(guī)律一致，隨著海洋環(huán)境的愈加惡劣，縱蕩值與系泊力值均有所增加。對(duì)比值存在一定誤差，但誤差范圍較小。滿載工況位移最大誤差為8.9%，系泊力的最大誤差為10.1%；壓載工況位移最大誤差為12.4%，滿載工況為7.9%。

4 結(jié)論

為了提高計(jì)算效率和船載軟件的可靠性，該快速預(yù)報(bào)方法沒(méi)有采用多個(gè)種子的時(shí)域分析方法，而是采用了譜分析的頻域計(jì)算分析方法，提高了計(jì)算及應(yīng)用效率。

該頻域計(jì)算值與時(shí)域計(jì)算對(duì)比值存在小范圍內(nèi)的誤差，通過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用，均在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該方法的合理性。

該方法已實(shí)現(xiàn)軟件化且成功應(yīng)用于海洋石油112FPSO，現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)輸入未來(lái)氣象環(huán)境條件，可以快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系泊受力及水平偏移情況。

[1] 梁修鋒,楊建民,李欣,等.FPSO甲板上浪的數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2007,22(2):229-236.

[2] 劉成義,唐友剛,李焱.水深對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO動(dòng)力響應(yīng)的影響[J].海洋工程，2016,34(1):25-32.

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[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.

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[9] 王文偉,孫麗萍.西非海域FPSO系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)及設(shè)計(jì)分析[J].船海工程，2014,43(6):126-131.

The Quick Forecasting Method of Mooring Load Based on Frequency Domain Analysis

LIMu,TIANGuan-nan,LIDe-bin,LIPeng

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

A quick forecasting method of the mooring loads was proposed for FPSO with single point mooring system. The method combined the frequency domain analysis with the rules’ requirements. It can get the maximum load and surge by using the hydrodynamic database for different loading based on linear interpolation. Compared with the results from the time domain calculation, it was shown that the method has high precision.

FPSO; quick forecast; load; frequency domain analysis

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0034-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.009

2016-09-14

修回日期：2016-10-09

李牧(1986—)，女，碩士，工程師

研究方向：浮體結(jié)構(gòu)