極端海況下FPSO系泊系統安全性評估與分析

鄒佳星，任慧龍，李陳峰

(哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

超強臺風主要出現在7～11月，中心風速主要集中在 55～75 m/s［1］。僅 2011～2013 年中國就有 11 起超強臺風，中心風速最高為65 m/s。惡劣的海況增加了浮式海洋平臺系泊系統的壓力和危險性。現階段對于浮式結構物系泊系統的研究，多以選定的海洋環境作為計算條件，研究船體運動進而研究系泊纜索的受力和運動問題。文獻［2］在百年一遇海況下采用時域非線性數值模擬了纜索的動力響應;文獻［3］采用一種時域方法計算系泊纜索的拉力;文獻［4］提出纜索動力分析的模型;文獻［5］將系泊纜索分為懸浮和拖底兩部分，采用三維準靜態方法計算纜索張力;文獻［6］應用AQWA軟件對某平臺的水動力性能及極端工況的系泊性能進行了數值計算;文獻［7］采用時域耦合動力分析方法，并指出合理選取系泊參數能有效控制系統的運動響應和系泊纜動力效應。在此研究基礎上，本文在已知系泊鋼纜靜強度的條件下評估船體運動，進而確定FPSO系泊系統所能承受環境極值的范圍。首先采用準靜態方法和頻域方法初步評估系泊系統所受外載荷，以確定海況等級的范圍，然后利用時域非線性方法分析系泊系統，在鋼纜安全系數符合規范要求的情況下，確定現有系泊系統強度下FPSO所能承受的臺風等級。同時對服役期的浮式結構物系泊系統進行安全系數評估及計算時考慮系泊鋼纜剩余強度。

1 FPSO單點系泊系統強度

1.1 FPSO單點系泊模型

表1給出了FPSO的主尺度參數。依據型值表建立模型并劃分網格。

表1 FPSO主尺度Table 1 The principal dimensions of FPSO

文中FPSO采用內轉塔式單點系泊系統。布置方式為3組9根錨鏈，每組之間的夾角為120°。由海底至船體系泊纜索的組成采用錨鏈-鋼纜-錨鏈-鋼纜的形式。系泊纜索參數見表2。

表2 系泊纜索主要參數Table 2 Mooring line paramoters

依據型值表及系泊纜索資料，建立水動力模型，如圖1。

圖1AQWA水動力模型Fig.1 AQWA hydrodynamic model

表3 主要環境參數Table 3 Environment parameters

環境載荷采用API規范中百年一遇臺風進行計算，并分別對空載、壓載和滿載3種裝載狀態進行計算。基于FPSO系泊鋼纜剩余強度的計算結果，重新計算系泊系統能否抵御百年一遇臺風。若不能抵御，則根據現有的系泊系統鋼纜強度給出所能抵御的臺風等級及對應的安全系數。

1.2 系泊鋼纜剩余強度

通常鋼纜的最小破斷力計算公式通常采用API規范所提及的公式［8］，但由于參數限制無法對螺旋式鋼纜進行計算［9］。針對螺旋式鋼纜，可采用作者在文獻［10］中的計算方法，對其結構進行簡化，進而進行強度計算:

利用概率分布原理與式(1)，可對鋼纜進行剩余強度計算。

根據該FPSO系泊系統安全檢測報告，對系泊鋼纜進行剩余強度計算。鋼纜組成詳細信息及結構如下。

纜繩結構:共由13層(除中心外)、540根纜絲組成，中心 1根纜絲(直徑 4.8 mm)+13層(直徑4.8 mm)，6 根、12 根、18根、24 根、30 根，假設分布在了a(1≤a≤130，整數)根鋼絲上，鋼纜鋼絲的總數為541根，根據文獻［10］所述進行計算，可得出130個斷點分布的鋼絲數范圍為［104，106］，計算得出的鋼纜剩余強度范圍為［11 133，11 197］。

1.3 系泊系統強度

根據表3提供的百年一遇環境載荷，分別在空載、壓載和滿載3種工況下進行試算。計算結果顯示在當前系泊纜索強度下，3種工況下均無法抵御百年一遇臺風，結果列于表4。

表4 百年一遇海況計算結果Table 4 The result of 100-year return period calculation kN

參考該FPSO系泊系統設計文件，在系泊系統完整狀態(無鋼纜斷裂)百年一遇海況、3種裝載工況下，9根系泊纜索中受到拉力最大值和對應安全系數見表5。對比文中計算結果可看出，文中計算結果較計算結果偏大，加之考慮系泊纜索的強度縮減，計算結果較設計文件有較大差別。3種裝載狀態下受力最大的鋼纜均斷裂。在系泊系統損壞狀態(單根鋼纜斷裂)百年一遇海況、3種裝載工況下，9根系泊纜索中受到拉力最大值和對應安全系數見表6。由于鋼纜強度的衰減，從表6可看出，受力最大的鋼纜斷裂后，其余鋼纜受力急劇增大，最終導致系泊系統全部鋼纜斷裂。

表5 百年一遇海況計算結果(完整)Table 5 Results of 100-year return period calculation(intact)

表6 百年一遇海況計算結果(破損)Table 6 Results of 100-year return period calculation(damaged)

考慮軟件計算中誤差因素，對比設計文件結果和本文中計算結果可看出，對于服役若干年系泊纜索強度下降的系泊系統，其整體強度下降無法抵御百年一遇的海況。壓載及滿載兩種情況的計算結果表明船體在環境載荷的作用下已脫離原固定位置。因此，有必要對服役多年的系泊系統所受環境載荷的等級進行重新分析，并評估系泊系統安全性。

2 系泊系統承受極限環境能力分析

對于現役的FPSO，由于系泊纜索極限強度的降低，系泊系統的定位能力也隨之降低。初步估計環境參數，然后利用AQWA建模在時域下對系泊系統進行非線性耦合計算，評估在當前強度下系泊系統所能承受的臺風等級。

2.1 模型條件

在評估FPSO系泊系統所能承受的最大海況時，首先要確定FPSO的裝載狀態。通過表5列出的結果可知，百年一遇海況下FPSO在壓載和滿載兩種裝載工況下系泊纜索損壞嚴重，1#～9#鋼纜均由于所受系泊力過大，加之鋼纜強度降低，全部發生斷裂。空載狀態下，受主環境力方向的三根鋼纜由于所受拉力值超過鋼纜載荷而斷裂。9#鋼纜所受拉力也臨近鋼纜破斷載荷，其余鋼纜受力較小。設計文件評估結果顯示，完整狀態下系泊系統空載時主受力方向的鋼纜拉力值最小。因此，采用空載狀態用作評估分析。

2.2 環境參數評估

利用準靜態計算和頻域計算結合的方法評估風速、波浪速度和流速，對比臺風等級表，縮小系泊系統所能承受的臺風等級范圍。

根據懸鏈線方程［11］可推導出:

式(2)、(3)中的參數可由相關教材中查得，這里不再贅述。由此可得到浮式結構物水平受力。外力主要有風浪流載荷組成，載荷初步評估可參用規范推薦方法。風、流載荷考慮為定常量計算公式為［12］

式中:Fw為風載荷，Cw為風載荷系數，ρw為空氣密度，Vw為海平面10米處風速，A為受風面積，Fc為流載荷，Cc為流載荷系數，ρc為海水密度，Vc為平局海流速度，LBP為船體垂線間長，T為平均吃水。

對于浮體運動計算通常用時域法，但本文在計算過程中浮式結構物只考慮運動的最后位置，不考慮運動過程，計算波浪載荷時可采用頻域法計算，利用DNV 規范的估算方法［14］:

2.3 系統承受最大海況評估

經過對環境參數的評估計算，對比臺風等級表［15］，對應的海況等級為12～13級。在海況為12～13級條件下利用AQWA重新建模，通過時域動態非線性耦合計算得知，12～13級下，系泊系統臨近破斷邊緣，因此降級海況等級，計算得到空載狀態下所能承受的海況等級為10～11級，9根鋼纜張力最大值結果列于表7，所受張力的時歷曲線見圖2。

表7 計算結果統計Table 7 The results statistics

圖2 9根系泊纜索所受系泊力的時歷曲線Fig.2 The time history curves of nine mooring lines load

3 系泊鋼纜安全系數評定

整理計算結果顯示安全系數最小為1.33。根據API規范，完整狀態下采用動態法計算的系泊系統安全系數為 1.67［8］。

根據表中計算的得到的安全系數可看出，1#～9#鋼纜大部分安全系數均滿足規范要求。5#鋼纜接近安全系數規定水平，6#至9#鋼纜安全系數略低于規范要求，但在系泊系統安全評估過程中，考慮了鋼纜強度的損失，減少了安全評估過程中帶來的誤差，因此其安全評估結果可視為安全，具有參考價值。

4 結論

從計算結果可總結以下結論:

1)服役期FPSO有必要對其鋼纜強度重新進行強度評估，通過對實際服役6年的鋼纜強度計算可看出在服役期間鋼纜強度損失較大。

2)經過文中分析可知，服役多年的FPSO由于鋼纜強度損失，不足以抵御百年一遇臺風。需重新對系泊系統的定位能力和安全性進行重新評估。在相同的海況等級下，通過對FPSO 3種典型裝載工況的計算可看出，空載狀態是抵御臺風的最佳裝載狀態。

3)已知系泊系統鋼纜強度的前提下可利用準靜態法法和規范法相結合的方法，估算與環境載荷相關的參數，對比找出系泊系統可能承受的海況等級，然后利用時域非線性分析方法進行校核。文中結果可分析出當下系泊系統所能承受的海況等級，對FPSO應對臺風措施具有一定的指導意義。

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