FPSO水動力特性及系泊系統載荷特性分析方法研究

趙　珂　羅　昆　李盈盈

（1.重慶交通大學航運與船舶工程學院，重慶　400074；2.中集船舶海洋工程設計研究院，上海　201206；3.中國航空工業集團公司成都飛機設計研究所，四川　成都　610041）

FPSO水動力特性及系泊系統載荷特性分析方法研究

趙珂1羅昆2李盈盈3

（1.重慶交通大學航運與船舶工程學院，重慶400074；2.中集船舶海洋工程設計研究院，上海201206；3.中國航空工業集團公司成都飛機設計研究所，四川成都610041）

為保證海上油氣生產儲油裝置FPSO能夠抵御百年一遇的惡劣海況，其水動力特性及系泊系統載荷特性的研究就顯得十分必要。基于此，利用ANSYS-AQWA的頻域模塊AQWA-LINE預報了FPSO水動力系數和運動響應，并采用模型做靜水衰減的數值實驗獲得了橫搖阻尼系數；利用時域模塊AQWA-DRIFT對FPSO船體和系泊系統進行耦合數值分析，計算了內轉塔單點系泊定位下FPSO運動性能和系泊纜的張力特性。最后采用論文中提出的分析方法，在最新統計數據下，評估了某FPSO能否抵御百年一遇海況。

FPSO；系泊系統；水動力特性；耦合數值分析

近年來，陸地資源日漸減少，海上油氣資源開發越來越受到各國關注，FPSO系統（Floating Production，Storage and Offloading System）是當今熱門的海上油氣處理設施，集油氣處理、儲油、卸油、發電、中控和生活為一體。FPSO通過單點系泊系統長期固定于海上進行作業，因此它既有油輪的特點又具有固定式平臺的功能［1］。它不像一般船舶那樣，在遇到惡劣風浪時可以避航。因此，正確地給定海洋環境條件以及準確地分析FPSO系泊系統載荷特性顯得十分重要。

在中國南海作業的“海洋石油115”號于2008年5月正式投產。海洋環境條件引起的載荷包括波浪載荷、風載荷及流載荷等，對浮體運動時歷的模擬和系泊系統的強度分析成為工程上重點關注的問題，因此需要發展完全耦合的水動力時域數值分析模型［2］。現階段，重現期為100年的環境參數要遠大于設計的條件極值，其單點系泊系統的強度能否保證FPSO抵御最新統計數據下百年一遇海況成為不容忽視的問題。

本文借助水動力軟件AQWA中頻域模塊AQWALINE，采用三維勢流理論，對“海洋石油115”號進行數值計算，得到各個頻率下的附加質量和阻尼系數，各個頻率和浪向下的一階、二階傳遞函數等水動力參數，建立頻域下的水動力參數數據庫，進而用于后續采用時域方法研究FPSO船體的水動力性能。采用模型靜水中自由衰減數值實驗的方法得到了橫搖阻尼系數。利用水動力軟件AQWA中時域模塊AQWA-DRIFT，對FPSO及其系泊系統進行耦合時域數值分析，模擬計算了在風浪流聯合作用下，內轉塔單點系泊定位的FPSO船體運動性能和各系泊線的受力情況，并根據《CCS海上移動平臺入級與建造規范》［3］對其系泊系統進行了強度校核。

1　理論模型與計算方法

1.1坐標系系統

為了便于描述船舶運動，引入右手坐標系O-XYZ，原點位于艉垂線與基線的交點，X軸平行于船體基線指向船艏，Y軸與X軸相垂直并指向左舷，Z軸豎直向上。

風浪流方向是根據風浪流方向角來確定的，風浪流方向角是指坐標系X軸正向逆時針旋轉到風浪流傳播方向所形成的夾角。其中，隨浪方向為0°，迎浪方向為180°。

1.2風載荷和流載荷計算方法

《CCS海上移動平臺入級與建造規范》中關于構件上的風載荷計算的公式為：

式（1）中，V為設計風速，m/s；S為平臺在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積m2；Ch為受風構件的高度系數；Cs為受風構件的形狀系數。

構件上的海流載荷計算公式如下：

式（2）中，CD為曳力系數；ρW為海水密度，kNs2/m4；V為設計海流流速，m/s；S為構件在與流速垂直平面上的投影面積，m2。

1.3二階波浪力

二階力［4］表達式為：

式（3）中，Pij為同相位的時域傳遞作用部分，Qij為不同相位的時域傳遞作用部分。當忽略了頻域的結果后可以得到：

紐曼近似條件為：

基于以上近似條件的式子可以寫為：

式（7）中，wi、wj為每一對波浪成分的頻率；ai、aj為波浪成分的幅值；εi、εj為輻射相位角。

2　計算模型

2.1FPSO主參數

本文計算的“海洋石油115”號具體參數和裝載工況見表1。本文利用AQWA軟件進行頻域和時域計算所使用的“海洋石油115”號濕表面網格模型見圖1。

表1　“海洋石油115”主參數T

2.2系泊纜索主參數及系泊纜索分布位置

“海洋石油115”號所使用系泊纜索為錨鏈和鋼芯鋼絲繩交替相接，錨泊系統具體參數見表2。圖2中給出“海洋石油115”號系泊系統各系泊纜分布位置及編號，系泊纜每3根為一組，每根錨鏈之間夾角為5°，系泊纜一共3組，各組之間夾角120°。

表2　系泊系統主參數

圖2　系泊纜索分布位置示意圖

圖3　靜水中橫搖運動自由衰減曲線

2.3橫搖阻尼修正系數

由于黏性和渦流等因素的影響，實際上船舶橫搖阻尼力矩具有明顯的非線性，而按勢流理論計算的行波阻尼只是其中的一部分。為了合理地預報船舶橫向運動，必須考慮橫搖阻尼的非線性，并對其進行等價線性化處理。

在計算中增加附加橫搖阻尼即可考慮橫搖阻尼的非線性，并且利用三維線性勢流理論解決時域問題。利用ANSYS-AQWA軟件對模型進行靜水衰減數值試驗［5］，使附加橫搖阻尼達到臨界阻尼的5%～10%，即可完善對橫搖阻尼非線性的考慮。圖3為靜水中橫搖運動自由衰減曲線，本文計算所填入的附加橫搖阻尼為臨界阻尼的5.23%。

2.4環境參數

近年來，中國南海極限海況環境參數要比設計初期極限海況環境參數惡劣，根據實際測得百年一遇海況參數設定計算工況。實際測得海況數據中有分別對應壓載狀態、中等裝載狀態、滿載狀態的百年一遇海況參數，由于FPSO作業時處于中等裝載狀態的工況比較多，因此選定中等裝載狀態作為主要計算目標，根據實際作業FPSO所經歷的海況條件設定了20種中等裝載狀態下的計算工況，見表3。

表3　中等裝載狀態下計算工況

3　計算結果

3.1頻域計算結果（RAO）

以中等裝載狀態為例，對FPSO進行頻域分析得到FPSO船體運動幅值響應、附加質量、附加阻尼等數據作為時域內船體/系泊系統耦合分析的準備數據，其中FPSO船體運動幅值響應結果見圖4～9。

圖4　縱蕩運動幅值響應

圖5　橫蕩運動幅值響應

圖6　垂蕩運動幅值響應

圖7　縱搖運動幅值響應

圖8　橫搖運動幅值響應

圖9　艏搖運動幅值響應

3.2風流載荷曲線

根據本文提出的公式，計算FPSO風力系數和流力系數，由于FPSO形狀比較規整，近似認為流作用力作用于重心位置，因此流力曲線中沒有流載荷力矩的項。如圖10、11所示為風力系數曲線和流力系數曲線。

圖10　風力系數曲線

圖11　流力系數曲線

3.3系泊系統強度校核

利用AQWA-DRIFT模塊對FPSO與系泊系統進行耦合時域分析，可以得到錨鏈張力隨時間變化曲線，圖12以工況17中第4根錨鏈為例給出錨鏈張力隨時間變化曲線。

錨鏈張力最大值取錨鏈張力時歷曲線中最大值，錨鏈張力許用值根據《CCS海上移動平臺入級與建造規范》中對錨纜安全系數的規定，取為2.0。鋼芯鋼絲繩最小破斷力為1 735t，因此許用張力值為867.5t，將錨鏈張力最大值與許用張力值相比較，實現從錨泊系統強度方面評估FPSO能否抵御百年一遇海況。

各工況下錨鏈張力最大值見表4。由表4計算結果可知：在中等裝載狀態下，計算工況中各錨鏈最大張力值均未超過許用值，因此在中等裝載狀態下，“海洋石油115”號能夠抵御現階段百年一遇海況。

圖12　錨鏈張力時歷曲線

4　結語

對于FPSO水動力特性及其系泊系統載荷特性的問題，提出了利用ANSYS-AQWA軟件進行頻域和時域分析的方法，該方法適用于各種海況下對FPSO與其系泊系統耦合時域數值分析。基于最新統計數據，計算得出“海洋石油115”號系泊系統能夠抵御百年一遇海況。本文提出了對模型進行靜水衰減數值試驗的方法來處理橫搖阻尼修正系數的問題，操作簡便，計算準確。

表4　各工況下錨鏈張力最大值　t

［1］魏躍峰.浮式鉆井生產儲油輪_FDPSO_水動力性能及概念設計研究［D］.上海：上海交通大學，2012.

［2］肖龍飛.FPSO水動力研究與進展［J］.海洋工程，2006 （11）：116-124.

［3］中國船級社.CCS海上平臺入級與建造規范［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］劉應中，黃慶玉.系泊系統動力分析的時域方法［J］.上海交通大學學報，1997（11）：7-12.

［5］馬山，段文洋，王冰，等.三體船在斜浪規則波中運動響應預報方法研究［J］.水動力學研究與進展A輯，2012（2）：224-230.

Research on the Analysis Method of FPSO Hydrodynamic Characteristics and Load Characteristics of Mooring Systems

Zhao Ke1Luo Kun2Li Yingying3
（1.School of Shipping and Naval Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074；
2.CIMC Ocean Engineering Design&Research Institute，Shanghai 201206；
3.Chengdu Aircraft Design and Research Institute，Aviation Industry Corporation of China，Chengdu Sichuan 610041）

To ensure the safety of FPSO working in the ocean under hundred-year extreme conditions，it is very necessary to research on the hydrodynamic characteristics and load characteristics of mooring system. Based on this，frequency domain program AQWA-LINE of software ANSYS-AQWA was used to forecast FPSO hydrodynamic coefficients and the response of motion.Roll damping coefficients were obtained by numerical simulations of decay test in still water.The time domain program AQWA-DRIFT was used to analyze the coupling effect of FPSO hull and mooring system.The motion performance of FPSO with single point mooring positioning and tension properties of mooring line were calculated.Finally，the analysis method proposed in this paper was used to evaluate whether the FPSO could resist the hundred-year extreme conditions based on the latest statistics.

FPSO；mooring system；hydrodynamic characteristics；coupled numerical analysis

TE975

A

1003-5168（2016）05-0041-06

2016-04-08

趙珂（1988-），女，碩士，助教，研究方向：結構物水動力特性，流固耦合。