環境條件對南海FPSO結構設計的挑戰

錢 笠 君

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

南海作業的FPSO（浮式生產儲油卸油裝置）由于其處于臺風高發海域，海況十分惡劣，船體所遭受的載荷遠高于常規船舶，且作業水深較深，業主基于考慮，一般都采用內轉塔式單點系泊系統。選取某一南海作業的15萬噸級雙殼雙底FPSO為研究對象，其船長≈260m；船寬≈50m；型深≈27m；吃水≈18m；方形系數≈0.91。其環境載荷特點對于南海作業的FPSO而言具有一定的參考性。

主要研究風標效應對于目標研究FPSO載荷的影響，比較100a一遇與500a一遇、考慮敏感性與不考慮敏感性情況下的載荷差異，總結此FPSO總縱強度載荷與局部強度載荷的變化特點，進而討論載荷差異對結構構件尺寸造成的影響。

1 浪向角分析

該FPSO采用的是內轉塔式單點系泊，此類系泊形式的FPSO的特點是FPSO的朝向并不是如同多點系泊一樣是固定的，而是如同風標在風中的運動一樣隨著風、浪、流合力方向的變化而不斷繞著內轉塔在變化的，將其稱為風標效應。

該FPSO結構設計考慮船體結構時需要考慮FPSO在迎浪、斜浪及橫浪等幾種不同海況下所遭受的載荷，由于只有短期海況數據，結合FPSO所具有的風標效應的特點，就決定了FPSO在迎浪、斜浪、及橫浪幾種不同海況下進行短期預報時所使用的波高不同，需要考察FPSO在風、浪、流共同作用下船體與浪向之間夾角與波高的關系，從而確定船體在不同海況下所受的載荷及性能，并作為設計參數參與結構設計。

對于該FPSO的運動特點可作以下簡化：對于任意一組確定的風、浪、流的組合，由經典力學可知必將有確定的合力，FPSO的朝向與這一合力的方向將趨于一致，所以FPSO的朝向可以確定，此時浪向與FPSO之間的夾角也可以確定（見圖1）。以這種方式將潛在的風浪流組合進行計算就可以得出若干組風、浪、流組合及其對應的浪向角，從中提取出波高與浪向角，以浪向角為x軸，波高為y軸，將計算所得的點投影到x-y坐標軸上，可以得到若干個離散點組成的散點圖，但是如果散點足夠多的話就可以將這些散點最外延的點擬合成連續的曲線，或者最終可以得出完全覆蓋這些散點的包絡線，后者可以快捷地得到浪高與浪向角之間的關系（見圖2）。其中每一點不僅代表FPSO在該迎浪角下所遭遇的波高，還可以通過該點找到該波浪的周期與其相對應的風和流的信息。

圖1 風標效應

圖2 迎浪角分析

如何確定或得到這些風、浪、流的組合，主要的兩種方法是：根據實際海況數據或推薦公式確定風浪流關系。由于缺乏具體海域的海況數據，計算采用法國船級社基于經驗公式的推薦做法，其主要思路是：在獲得作業海域的風、浪、流的主極值的情況下，根據推薦做法將組合分為3大情況：風主控、浪主控及流主控，每個情況下對于風向、浪向及流向做不同的組合，除主控因素外其余因素按其方向之間的差值進行相應的折減，從而得到若干組風、浪、流組合（見表1）。

表1 風浪流組合方法

其中，V-H——風向和浪向的夾角；C-H——流向與浪向的夾角。

風、浪、流組合的折減系數見表2。

表2 風浪流折減系數

折減系數的意義是通過經驗數據來考慮風、浪、流之間的關系。從計算方法上也可以看出，當風、浪兩者之間夾角越小，則相應的折減系數越小。折減系數可以描述“大風大浪”之間密切關系，如在臺風狀態之下風和浪是基本同向的；而且也能說明在風小時，有事波浪來向與風向不同這一實際情況；而在南海，流相對于風浪而言是相對離散的，故表1中之所以流向與浪向偏離巨大，主要是由于南海特殊而復雜的水文情況所導致的。對于波浪周期，在實際情況中是與波高成一定關系的，在對波高進行折減的同時對于波浪周期進行調整（采用內插法、經驗公式等），本文中采用經驗公式根據波高推導波浪周期。

通過上述風、浪、流的組合方法，結合作業海域特定的100a一遇及500a一遇的風、浪、流數據，運用BV Ariane及HydroSTAR程序得到若干組（浪高，浪向角）散點，為了計算波浪載荷，設計一條包絡線以覆蓋住所有離散點，而這一包絡線便可認為是這些海況下浪高與浪向角的關系（見表3、圖3、4）。

需要特別注意的是，對于不同船型，不同的作業地點，這種關系是不同的，因為受風面積、船體方形系數、船舶的主尺度、單點的位置以及該海域所特有的風、浪、流之間的組合方式都會影響這種關系。

表3 迎浪角與波高之間的關系

圖3 100a一遇迎浪角分析結果

圖4 500a一遇迎浪角分析結果

風、浪、流在現實中是客觀存在的，并不受FPSO浮體的影響，但是特定區域風、浪、流的情況卻直接決定了浮體的朝向，因為浮體是可以以內轉塔為中心在海中轉動的，圖2～4表示了FPSO在各個迎浪角下可能遭遇到的最大波高。在波浪波高較大的情況下，風力也較大，且來向基本一致，而流雖然與風浪的關系較離散，但對于船體影響較小，所以不管浪向一開始是來自哪個方向，最后在合力的作用下，FPSO會以內轉塔為中心轉動到迎浪的狀態下，這樣就說明了，對于FPSO而言，迎浪狀態出現的最大波高要大于斜浪及橫浪狀態下最大波高。

在工程實踐中，較為真實的浪向角分析對于優化結構重量起到了至關重要的作用。盡可能獲取作業海域的相關風、浪、流信息，以生成圖2及表2，由于是基于真實海況，所以其準確度及真實度是最高的。但是現實情況是缺乏當地的環境資料，只能借助于經驗公式，生成圖3、4及表3。由于經驗公式的組合方法是針對某一類型（如亞熱帶海域、赤道海域、赤道風暴海域等），這種方法較為保守，但是對于結構重量的控制還是具有很大的作用。

2 波浪載荷計算

對于結構設計所需要的主要波浪參數為：1) 垂向波浪彎矩；2) 垂向波浪剪力；3) 水平波浪彎矩；4) 相對波面升高。選取計算滿載、壓載兩種關鍵工況。除了加速度最大值出現在壓載工況外，其他載荷最大值都出現在滿載工況。對于波浪周期敏感性進行相關研究，除了要考慮（Hs，Tp）這一個波譜外，還需考慮（Hs,Tp-ΔTp）及(Hs,Tp+ΔTp)等若干組波譜。

通過計算100a一遇與500a一遇、考慮敏感性與不考慮敏感性4種海況下4種裝載下的載荷，截取其最大值可以得到其載荷曲線沿船長分布。選取典型的垂向波浪彎矩與水平波浪彎矩比較（見圖 5、6），對于垂向波浪彎矩、垂向波浪剪力而言，該FPSO對于波浪周期的敏感度較小；而對于水平彎矩、迎浪波面相對升高而言，該FPSO對于波浪周期表現出很強的敏感性，其中在100a一遇的海況下考慮敏感性所得的極值甚至要大于500a一遇的海況下不考慮敏感性所得的極值。僅就水平彎矩分析其原因：圖6為水平彎矩在斜浪及橫浪情況下的RAO（由于水平彎矩在斜浪及橫浪達到最大，故而只討論這部分RAO）及100a一遇、500a一遇波譜的譜峰周期，從中可以看出斜浪及橫浪海況下水平彎矩RAO的固有周期大致在6～11s，遠離100a一遇及500a一遇波譜的譜峰周期，當譜峰周期減小時，波譜都將向左即水平彎矩的固有周期方向移動（見圖7），這樣兩者所疊加形成的響應譜將增大，最終的結果是500a一遇進行15%的周期敏感性分析導致水平彎矩增大21%，100a一遇增大19%。

圖5 波浪垂向彎矩比較

圖6 波浪水平彎矩比較

圖7 水平彎矩敏感性示意

3 結構設計

通過上述方法可以獲得100a一遇及500a一遇相對應的主要波浪載荷（見表4），而其他載荷都是一致的。FPSO結構是以滿足這些主要波浪載荷參數為目標而進行設計的。

表4 主要波浪載荷參數

環境條件由100a一遇提高到500a一遇而導致環境載荷對于FPSO結構設計的影響主要體現在以下幾方面：

3.1 總縱強度

FPSO總縱強度設計垂向波浪彎矩增大，從而導致貨艙區縱向構件（特別是主甲板結構）尺寸要求提高：最小剖面模數要求由50m3增加到62m3；總縱強度垂向波浪剪力增大，從而大大提高了貨艙區兩端及貨油艙橫艙壁所在區域的外板、縱艙壁構件尺寸的要求；由于波浪垂向彎矩和剪力都顯著增大，還導致貨艙區底部結構、縱艙壁結構構件尺寸因屈曲強度的要求增大（見圖8）。

3.2 貨艙區艙段局部強度

設計水平波浪彎矩有較大幅度增加，導致貨艙區外板結構構件屈曲強度的要求顯著增加；設計波面相對升高大幅增大，提高了橫向構件的局部強度要求，導致橫向結構構件尺寸顯著增大，局部剖面模數提高20%（見圖9）。

圖8 船底板屈曲強度

圖9 橫艙壁屈服強度

3.3 艏艉部結構

設計波面相對升高大幅增大，提高了艏艉部外板結構的局部強度要求，導致外板結構（主要是外板強肋骨和縱桁）尺寸有顯著增大；構件剖面模數增加30%；同時也提高了艏艉部露天甲板的設計載荷要求，導致上述露天甲板結構尺寸明顯增大。

3.4 特殊結構

船體梁變形和上部模塊重心處的加速度都有所增加，導致上部模塊支墩處支反力增大，從而增大了模塊支墩及甲板下加強結構的構件尺寸要求；單點系泊載荷顯著增大了超過50%，大大提高了轉塔艙所在區域局部結構的構件尺寸要求；基于 500a一遇環境條件下的運動加速度值增大，導致火炬塔、外輸設備、甲板克令等慣性力增大，從而提高了上述特殊結構局部強度要求，增大了局部結構尺寸。

3.5 鋼料增加

粗略估算，由于設計環境條件標準從100a一遇提高到500a一遇，并計入考慮敏感性分析的影響，導致全船結構鋼料重量增加約10%（≈2500t）。

4 結 語

對南海某FPSO的載荷做了簡要的闡述，以及這些載荷對于結構設計的影響。由于南海FPSO工藝模塊較輕，而海況較惡劣，最大靜水彎矩與100a一遇垂向波浪彎矩的比值在1:1.4左右，所以波浪載荷對于FPSO船體結構影響是顯著的。而垂向波浪彎矩100a一遇與500a一遇的比值在1:1.15左右，概率水平的提高直接導致了載荷的加大。此外，由于技術的進步，對于結構的考慮越來越細致，FPSO結構設計已由原先的總強度主導設計轉向局部載荷主導設計：甲板處的總縱強度利用率只有85%而極限強度利用率只有92%，很多區域都是由于如橫浪下相對波面升高，橫向加速度、水平彎矩等橫浪引起載荷而加強。可以看出浪向角分析與波浪載荷預報對于整個結構設計的重要性，浪向角分析至少使橫向波高降低50%，這意味著由橫浪而引起的載荷減小50%，對于結構設計的合理性這是至關重要的。而從迎浪角分析的結構可以看出只要風、浪、流三者是相匹配的，即處于同一概率水平之下，則其結果是相對相似的。此外在處理對波浪周期較為敏感的載荷時，不同的分析思路對于不同的載荷影響是不同的。隨著研究的不斷深入、規范的不斷完善，載荷預報在結構設計中將會扮演越來越重要的角色，將是面對環境條件所帶來的設計挑戰時的關鍵所在。

[1] THE SOCIETY OF NAVAL ARCHITECTS AND MARINE ENGINEERS Principles of Naval Architecture 2nd Ed. Nov. 1989.

[2] BUREAU VERITAS Classification of Mooring Systems for Permnent Offshore Units. April 2012.

[3] 趙耕賢，胡志強，顧永寧. FPSO的船體波浪載荷預報[G]. FPSO設計文集，2003.

[4] 王 璞. FPSO結構設計技術的進展[J]. 船舶，2014（3）：1-8.

[5] 劉元丹，劉敬喜，譚安全. 單點系泊FPSO風浪流載荷下運動及其系泊力研究[J]. 船海工程，2011（6）：146-149.

[6] 江建協，何延平，王慶豐. 30萬t FPSO波浪誘導載荷研究[J]. 船舶工程，2006（3）：51-53.

[7] 余小川，謝永和，李潤培，等. 水深對超大型FPSO運動響應與波浪載荷的影響[J]. 上海交通大學學報，2005（5）：674-677.