FPSO環境烈度因子應用分析

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(1.中國船級社 海工技術中心，北京 100007；2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001)

浮式生產儲油缷油裝置(FPSO)設計載荷的確定一直是FPSO設計的一個關鍵問題。FPSO在其壽命期間內通常需要定位于某一特定海域進行長期作業，其結構設計載荷具有很強的獨立性和特殊性。FPSO一般不具備自航功能，不便于進港避風抗臺。因此，在其服役期間內可能遭遇極端的環境載荷。

目前，FPSO的結構設計通常是依據各船級社的相關規范進行。為了使基于油船設計規范的FPSO規范更為可靠和滿足工程實際的需要，各船級社均致力于FPSO設計方法和衡準的研究，尤其是波浪載荷方面的研究[1]。為了考慮FPSO特定作業場地的波浪載荷特點，船級社規范中引入了環境烈度因子的概念，以調整基于油船設計規范的計算公式和方法，使之適用于FPSO的結構設計。

結合CCS新版FPSO規范，詳細分析研究環境烈度因子的計算方法，特別是其中的關鍵因素。采用文中所述方法對南海某FPSO進行環境烈度因子計算，驗證該方法的實用性。依據分析結果和船級社規范，對該FPSO的屈服強度和屈曲強度進行校核，說明FPSO環境烈度因子的實際應用。

1 環境烈度因子的概念

無論是經油船改造的還是新建的FPSO都與油船有較大區別。首先，油船基于規范的結構設計應用無限航區海況條件，通常為北大西洋海況；而FPSO往往在特定地點長期作業，使用特定作業場地的海況條件。其次，FPSO的設計標準與油船有較大不同，如油船設計使用25年重現期的極限波浪條件；而FPSO在預期作業場地需要使用100年重現期的極限波浪條件。另外，FPSO的系泊系統效應、動力放大效應等也是需要考慮的因素。為了合理反映FPSO在特定作業場地下的環境載荷對FPSO設計標準的影響，規范中通過引入一系列的環境烈度因子(ESF)來調整FPSO規范中的計算公式和方法，以使基于無限航區的油船規范適用于FPSO的結構設計。

以我國南海和渤海的典型FPSO和油船為樣本，分析研究環境烈度因子的計算方法，為FPSO規范的制定提供有用的技術參考。本文研究的環境烈度因子(β)根據波浪載荷和船舶運動的直接計算進行定義[2]，見式(1)。

(1)

式中：Ls——在特殊作業場地海況下的動載荷極值;

Lu——基于北大西洋無限航區海況條件下的動載荷極值，重現期為25年。

根據工程實踐經驗，FPSO設計時主要需計算14種動載荷分量的環境烈度因子，見表1。

表1 需計算環境烈度因子的動載荷分量

2 環境烈度因子的計算要素

計算環境烈度因子β的關鍵就是確定在特定作業場地下的動載荷極值Ls和北大西洋無限航區海況條件下的動載荷極值Lu。

在不考慮非線性情況下，采用基于三維線性勢流理論[3]的直接計算法計算各動載荷分量的幅頻響應函數，并采用基于波浪譜和海浪散布圖的長短期分析[4]計算FPSO的各動載荷分量的極值。計算軟件將采用中國船級社和哈爾濱工程大學聯合開發的三維線性運動與波浪載荷計算軟件COMPASS-WALCS-BASIC。

2.1 Ls的計算

2.1.1 幅頻響應函數計算

各動載荷分量(包括波浪載荷和運動)的幅頻響應計算，采用基于勢流理論的三維線性方法進行計算，采用面元法計算波浪的輻射問題，并求解六自由度運動響應、壓力響應、剖面載荷響應和速度加速度響應等，用于后續的長短期極值預報。

1)作業場地和裝載工況。針對每條FPSO的不同作業場地和裝載工況，都需要進行波浪載荷和運動的幅頻響應函數計算。作業場地取3種，預期作業場地，運輸航線和維修檢查場地。裝載工況取為滿載、壓載和空載3種典型的裝載工況。

2)浪向角。各動載荷分量的幅頻響應函數包含所有可能遇到的浪向角，選取浪向角范圍為0°～330°(迎浪為0°，向左舷轉動為正)，浪向間隔15°。在航行和解脫狀態時，認為各浪向出現的概率相同。在單點系泊狀態時，應根據具體海域和作業情況確定各個浪向角的發生概率。

3)波浪頻率。波浪頻率的范圍需根據各特定作業場地具體的波浪條件進行選取，推薦采用的范圍為0.2～1.8 rad/s，間隔步長選取為0.05 rad/s(0.2～1.8 rad/s基本可以包括所有可能的波浪自然頻率，但也可以根據具體作業海域的海況資料縮小范圍)。

4)航速。對于預期作業場地和維修檢查場地計算工況，采用零航速；對于運輸航線，比如，從造船廠到作業地點的航行，采用平均運輸航速。

根據上述條件，需要計算各樣本船在不同作業場地下，針對不同的裝載工況、航速、浪向角、波浪頻率的波浪載荷、運動、速度、加速度的單位波幅下的頻率響應函數。

5)水深。水深可選用不同作業區域的實際水深或平均水深。根據不同區域的水深的不同，采用有限水深和無限水深的波浪理論進行計算分析。

2.1.2 極值預報

極值預報有短期預報和長期預報兩種。文中根據選定的海況散布圖，進行不同回復期的長期預報；根據短期海況資料，進行相應的短期預報。

1)海浪譜。根據我國FPSO設計經驗，對于在中國渤海和南海作業的FPSO，其海浪譜選取為Jonswaps譜。

2)波浪擴散函數。實際海洋環境中的波浪來自不同的方向，為短峰波形式。為了體現波浪按不同方向的擴散，在波浪譜中需要引入擴散函數f(θ)，比較常用的波浪擴散函數有

文中選用前者。

3)海況條件。根據樣本船特定作業場地的海況統計資料，確定長期海況的波浪散布圖或短期海況條件。海況資料的準確性將直接影響計算結果準確的性，務必對海況資料進行分析和篩選。

2.2 Lu的計算

Lu為動載荷分量在無限航區海況條件下的極值響應，其計算過程與Ls計算過程相似，通過基于波浪譜和波浪散布圖的長期預報方法得到。

1)水深。針對無限航區海域，采用無限水深。因此，根據上述條件，需要計算各樣本船在無限航區下，針對不同的裝載工況、浪向角、波浪頻率計算波浪載荷、運動、速度、加速度在單位波幅下的頻率響應函數。

2)海浪譜。對于Lu對應的無限航區或開放海域，推薦使用雙參數PM譜，文中采用ISSC推薦的雙參數PM譜。

3)海況散布圖。對于無限航區，采用IACS 推薦的NO.34北大西洋波浪散布圖，根據上述方法計算得到的Ls和Lu，即可計算得到各個動載荷分量的EFS(β)。

3 首向分析

目前，在我國南海和渤海作業的FPSO主要采用單點系泊的定位方式。采用此種系泊方式的FPSO就具有了風標效應；故在對其進行波浪載荷和運動預報時，應根據具體海域和作業情況確定各個浪向角的發生概率，即對其進行首向分析。

3.1 確定性首向分析

當風力、流力和二階波浪漂移力迫使系泊浮體發生漂移運動時，系泊浮體的運動會使系泊錨鏈產生回復力，阻止其漂移運動。同時，風、浪、流力又是系泊浮體姿態的函數，其大小隨著系泊浮體姿態的變化而變化。在這種慢漂運動的某一時刻，作用于系泊浮體上的回復力和風、浪、流力達到平衡，此時，系泊浮體將在該時刻的平衡位置搖蕩。對系泊浮體平衡位置的分析就是對其進行首向分析。為此，通過靜力平衡的方法，建立相應的平衡方程并求解。參考浮式結構物的運動方程，忽略其波動性，只計及其靜力項，則得到首向分析方程，如式(2)。所謂首向分析的確定性方法，是指在已知確定的環境條件(風速風向、流速流向、波幅頻率等)時，求解系泊浮體姿態的方法。

(c+k)η=fw(η)+fc(η)+fsd(η)

(2)

上述方程是一個隱式方程，對其求解需要用位移增量迭代進行，直到方程平衡為止。

3.2 不確定性首向分析

在FPSO系泊的某確定海域，其環境條件(風、浪、流)隨時間是緩變的，FPSO在不同時刻的姿態不同。從統計學角度看，FPSO的姿態將有一定的概率性。利用概率論與數理統計原理，預報FPSO姿態在某一確定海域的可能值，對FPSO系泊系統的設計有指導意義。不確定性首向分析就是用概率統計原理對FPSO姿態的預報。在進行不確定性首向分析前，需要對可能出現的每種環境條件進行確定性首向分析。得到可能的環境條件下姿態后，按照各環境條件出現的概率，進行加權平均，則會得到FPSO在某確定海域的最可能姿態，見式(3)。

(3)

ηi,j,k,m——確定環境條件下通過確定性首向分析法得到的FPSO姿態。

由上述可知，進行不確定性首向分析時需要知道每種環境條件在該海域出現的概率。

4 環境烈度因子的計算方法

4.1 浪向概率分析方法

在進行FPSO的RAO計算時，發現各載荷分量和運動對浪向角比較敏感，例如,迎浪時垂向彎矩比較大，而斜浪和橫浪時，垂向彎矩比較小，不同浪下各載荷分量和運動的概率分布密度不同。在對載荷和運動進行長短期極值預報時，需要將各浪向下的載荷或運動分布模型進行組合，因此，浪向概率會直接影響特定海域載荷極值的預報。

應用相關的首向分析方法，確定FPSO在特定海域的首向概率，并用該概率組合載荷或運動的長期概率分布，再進行極值預報是比較合理的。考慮FPSO在解脫狀態或風標效應失效時，各浪向概率會發生變化。對此可按照浪向等概率進行極值預報。由于海洋環境變化莫測，保守起見，建議分別進行首向分析后的極值預報和浪向等概率極值預報，將兩者預報中的較大值作為環境烈度因子的計算值，確定環境烈度因子。

4.2 長短期預報結合方法

由于FPSO長期錨泊于某特定海域，不可避免地會遭遇短期極限海況[5]。對于存在短期極值海況的海域，單純應用長期預報進行極值預報是不合理的，應考慮其短期預報結果。由于短期海況的不確定性，預報的極值有時會比長期預報值偏大，有時又比長期預報極值偏小。由于長期預報是短期預報的加權組合模型，對于海況的不確定性，相對于短期預報比較合理。但在某特定時刻，短期預報相對長期預報比較合理。建議對可能出現的極端短期海況，進行短期預報，并和上述浪向概率分析法的長期預報結果進行比較，取大者計算環境烈度因子。

應該說明的是，所建議的兩種環境烈度因子確定方法是有先后順序的，但兩者的計算結果并列，應根據實際情況選取。

5 環境烈度因子的應用

環境烈度因子的一個重要應用是調整油船規范中主要載荷和運動的規范值，以使其比較合理地適用于FPSO的設計。下面以某載重量15萬t的FPSO為例，說明環境烈度在FPSO結構強度評估中的應用。

應用上述環境烈度因子的計算方法計算在特定海域作業的FPSO不同動載荷分量的環境烈度因子，以修正油船規范中不同動載荷分量包絡值的計算公式。以垂向波浪彎矩為例，在油船規范中[6]，其表達式如下。

Mwv-hog=fprob0.19fwv-vCwvL2BCb

Mwv-sag=-fprob0.11fwv-vCwvL2B(Cb+0.7)

(4)

經環境烈度因子修正后的FPSO規范中的計算公式為

Mwv-hog=fprobβVBM0.19fwv-vCwvL2BCb

Mwv-sag=-fprobβVBM0.11fwv-vCwvL2B(Cb+0.7)

(5)

式中：βVBM——垂向波浪彎矩的環境烈度因子;

L，B——船長和船寬。

其他參數見文獻[2]。類似于上述的垂向波浪彎矩，其他的動載荷分量同樣可以經環境烈度因子的修正后，使之適用于FPSO的規范構件尺寸確定和強度校核。

6 計算實例

6.1 ESF計算實例

應用上述環境烈度因子計算方法，計算某載重量15萬t FPSO在南海某海域的環境烈度因子。分長峰波和短峰波兩情況。將計算得到的環境烈度因子值應用于FPSO的強度評估。對于外部水壓力的環境烈度因子，計算每間隔0.15L船長處水線、舭部和底部的外部水壓力環境烈度因子值，見表2。(表2中結果中只給出了船中處的計算值)。

表2 載重量15萬t FPSO環境烈度因子計算結果

6.2 ESF應用實例

應用上述環境烈度因子計算結果，修正油船規范中垂向彎矩和垂向剪力的大小。應用CCS油船直接計算指南[7]建立該FPSO的有限元模型，分別加載用環境烈度因子修正后的主導載荷為垂向彎矩和垂向剪力下的動載荷(舷外動壓力、艙室慣性力等)、靜載荷和相應的邊界條件，對其進行準靜態結構計算。評估其特定板格單元的屈服和屈曲強度，見表3～6。

上述計算結果顯示：使用環境烈度因子后，以垂向剪力和垂向波浪彎矩為控制載荷的計算工況的米塞斯應力和剪切應力均有了一定程度的提高，并且導致某些結構構件的屈服強度校核結果不合格；考慮環境烈度因子后的屈曲安全因子值小于不考慮環境烈度因子的屈曲安全因子，但計算結果仍在合格范圍內。上述計算結果表明：該海域的波浪環境條件要惡劣于無線航區的環境條件。在進行FPSO的結構設計和強度評估時，必須考慮使用環境烈度因子修正油船規范強度評估的主導載荷，以考慮特定海域實際環境條件，使評估結果更符合實際情況、更準確。

表5 以垂向彎矩為控制載荷的屈曲安全因子校核結果

表6 以垂向剪力為控制載荷的屈曲安全因子校核結果

7 結論

1)計算我國南海海域的環境烈度因子時，采用長期預報的計算結果有時與短期預報結果相差較大；建議采用長/短期預報相結合的方法。

2)單點系泊的FPSO，其考慮首相分析的環境烈度因子計算值與基于等浪向概率的計算結果有時相差較大。出于設計安全的考慮，應將基于不同方法的計算值的大者作為設計值使用。

3)應用環境烈度因子后，合理地考慮了FPSO作業場地環境的實際情況，結構設計評估的結果更為準確。

4)FPSO的立管系統、系泊系統對環境烈度因子計算結果均具有一定程度的影響，建議在后續的研究工作中合理考慮其影響，以使計算結果更為準確。

環境數據的準確性是FPSO環境烈度因子計算和應用的前提，未來應對我國南海和渤海的環境資料數據進行更為深入的收集、分析和研究，形成系統準確的數據庫和環境載荷預報理論方法，用于指導我國海域的FPSO設計。

[1] 趙春田，王艷芳.用動力載荷因子法進行FPSO船體強度的設計和評估[J].中國造船，2002，43(S):132-143.

[2] 中國船級社.浮式裝置入級規范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[3] 戴仰山，沈進威，宋競正.船舶波浪載荷[M].北京:國防工業出版社，2007.

[4] 戴遺山，段文洋.船舶在波浪中運動的勢流理論[M].北京:國防工業出版社，2007.

[5] 魏躍峰，楊建民，陳 剛.FPSO運動實測數據統計研究[J].海洋工程，2011，29(3):96-101.

[6] 中國船級社.鋼質海船入級規范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[7] 中國船級社.油船直接計算指南[M].北京：人民交通出版社，2003.