水深對軟剛臂單點系泊FPSO動力響應(yīng)的影響

劉成義，唐友剛，李 焱

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

水深對軟剛臂單點系泊FPSO動力響應(yīng)的影響

劉成義1,2，唐友剛1,2，李 焱1,2

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

系泊系統(tǒng)的定位能力是淺水油田作業(yè)的軟剛臂式單點系泊FPSO安全作業(yè)的重要保障,為研究不同水深/吃水比下單點系泊系統(tǒng)的受力性能，針對一艘16萬噸級軟剛臂單點系泊FPSO，在線性三維勢流理論的基礎(chǔ)上，基于多體動力學(xué)方法，建立FPSO-系泊腿-軟剛臂的耦合模型，采用Newman近似法和Pinkster近似法分析了FPSO所受二階波浪力，在時域內(nèi)計算了不同水深/吃水比對系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)性能的影響。結(jié)果表明，隨著水深/吃水比的增加，Newman近似法計算得到二階波浪力先增大后減小，引起單點系泊系統(tǒng)載荷先增大后減小；而Pinkster近似法計算得到的二階波浪力逐漸減下，引起單點載荷逐漸減下。在淺水條件下，Pinkster近似法具有較好的適用性，Newman近似法嚴(yán)重低估了FPSO所受的二階波浪力；在深水條件下，Newman近似法能滿足工程計算的要求；適用兩種方法的臨界水深/吃水比為1.64。

多體動力學(xué)；軟剛臂系泊系統(tǒng)；Newman/Pinkster近似法；二階波浪力；動力響應(yīng)性能；水深/吃水比

Abstract:With the increasing operation life of FPSO and mooring systems,there have been some accidents,which have a great impact on safety in production in oil field.More attentions have been paid to the safety of the Soft Yoke Mooring Systems(SYMS).Dynamic response capability of the SYMS under different WD/T(Ratio of Water depth and FPSO Draft) was analyzed based on multi-body dynamic method.The multi-body coupling model including SYMS and FPSO was established and the hydrodynamic parameter of each body was calculated with linear 3-D potential theory.Second-order wave drift force was calculated by Newman approximation and Pinkster approximation,and the forces on the SYMS under different WD/T were analyzed afterward.A comparison of results using different approximation methods was carried out.With the Newman approximation,the second-order wave force increases first and decrease afterwards with the increase of WD/T,leading to the forces on the SYMS changing synchronously; with the Pinkster approximation,the second-order wave force continually decreases with the increase of WD/T,leading to the forces on the SYMS changing synchronously.It is concluded that Pinkster approximation has a good applicability in shallow water while Newman approximation can meet the requirements of engineering calculations in deep water; and the threshold of WD/T is 1.64.

Keywords:multi-body method; soft yoke mooring system; Newman/Pinkster approximation; second-order wave drift force; dynamic response; ratio of water depth and draft

對于淺水油田作業(yè)的軟剛臂式單點系泊FPSO，其系泊系統(tǒng)的定位能力是FPSO安全作業(yè)的重要保障。在淺水條件下，水深變化將會極大地影響FPSO所受的二階波浪力，進(jìn)而對系泊系統(tǒng)的載荷產(chǎn)生影響。

FPSO所受二階波浪力主要包括平均漂移力、二階慢漂波浪力及二階和頻波浪力，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對FPSO所受二階波浪力受水深的影響做了大量地研究。

在二階波浪力的計算方法上，Guilaume等[1]對二階低頻載荷的計算方法進(jìn)行總結(jié)，指出目前計算二階波浪載荷傳遞函數(shù)(QTF)矩陣的主要方法有：全QTF法、忽略自由表面積分的全QTF法、Pinkster近似法以及Newman近似法四種。QTF矩陣主對角線元素為平均漂移力的傳遞函數(shù)，主要計算方法為近場法、遠(yuǎn)場法兩種；非主對角線元素為二階差頻波浪載荷傳遞函數(shù)，完整的數(shù)值計算將耗費大量的時間及計算資源，通常通過Newman近似或Pinkster近似法求解。也有學(xué)者對以上計算方法進(jìn)行了改進(jìn)，Chen等[2]將遠(yuǎn)場法與近場的壓力積分法相結(jié)合，提出了計算平均漂移力的中場法；Cong等[3]基于高階邊界元和自適應(yīng)的單元積分法，提出了一種新的低頻慢漂力的計算方法；但這些改進(jìn)算法應(yīng)用并不廣泛。目前，二階波浪力的計算仍然以Newman近似法和Pinkster近似法為主。

關(guān)于水深變化對FPSO所受二階波浪力的影響，陳憶寧等[4]在不考慮系泊系統(tǒng)的情況下，以一艘16萬噸級的FPSO為對象，分別采用Newman近似法和全QTF方法計算不同水深下FPSO所受的二階波浪力，結(jié)果表明，Newman近似法在深水條件下具有較好的適用性。Naciri等[5]采用有限元方法對淺水 LNG 船水動力特性進(jìn)行分析，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，認(rèn)為對于淺水中船形海洋結(jié)構(gòu)物所受二階波浪力，Pinkster 近似法可以滿足計算和研究的要求。李欣等[6]分別采用Pinkster近似法和實驗的方法，研究淺水條件下不同水深對FPSO所受二階波浪力的影響，結(jié)論認(rèn)為二階波浪力/力矩隨水深的增大而減小。Fonseca和Pessoa等[7-8]用數(shù)值和實驗方法研究了雙色波作用下固定浮體上所受的一階波浪力、平均漂移力以及二階差頻波浪力隨水深變化的規(guī)律，認(rèn)為隨水深的減小，波浪二階力明顯增大，一階力略有增大，且淺水中二階波浪力的計算較之于深水中更為重要。Xiao等[9]以軟剛臂單點系泊方式定位于淺水油田的16萬噸級FPSO為對象，通過實驗研究不同水深下的低頻縱蕩運動和系泊力，結(jié)論認(rèn)為：低頻縱蕩運動和系泊力隨著水深的減小大大增加，在水深吃水比較小時，力的增加非常劇烈。

可見，目前大部分研究將FPSO視作固定的海洋結(jié)構(gòu)物，研究水深變化對其所受二階波浪力的影響，并未考慮FPSO在實際系泊狀態(tài)下的動態(tài)效應(yīng)；亦未考慮水深變化對軟剛臂單點系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)性能的影響。為研究水深變化對軟剛臂式單點系泊FPSO系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)性能的影響，本文基于多體動力學(xué)的方法，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法考慮二階波浪載荷，在時域內(nèi)計算了不同水深/吃水比(WD/T)下單點系泊系統(tǒng)載荷，得到系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T的變化規(guī)律，并對比兩種方法的計算結(jié)果，分析產(chǎn)生這種差別的原因；考慮到Newman近似法在深水條件下具有很好的適用性，而Pinkster近似法對淺水條件下的二階波浪載荷具有更高的模擬精度，并進(jìn)一步給出了適合用Pinkster近似法計算和Newman近似法計算的臨界WD/T值，為工程實際提供參考。

1 多體耦合計算模型

1.1FPSO及系泊系統(tǒng)主尺度參數(shù)

FPSO所在海域水深為17.83 m，其主要參數(shù)如表1所示。軟剛臂系泊系統(tǒng)(soft yoke mooring system，SYMS)由軟剛臂及兩側(cè)系泊腿組成，主尺度參數(shù)以及軟剛臂結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系、系泊腿結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系如圖1所示，其中軟剛臂與壓載艙總重量為1 850 t，單個系泊腿重量為75 t。

1.2全耦合有限元模型的建立

對于軟剛臂單點系泊系統(tǒng)，傳統(tǒng)的計算方法通常將單點簡化為約束縱蕩運動的非線性剛度彈簧，研究FPSO的運動響應(yīng)或者單點的受力，這種方法很難模擬系泊機(jī)構(gòu)的實際運動特性。對此，許多學(xué)者基于多體動力學(xué)方法，對軟剛臂式單點系泊FPSO進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究。Wang[10]等以淺水軟剛臂系泊的FPSO為研究對象，采用多體方法模擬水下軟剛臂系泊實際結(jié)構(gòu)和FPSO的耦合作用，對FPSO的運動和動力響應(yīng)進(jìn)行研究；Guo等[11]通過時域內(nèi)的數(shù)值模擬和模型試驗，研究了非線性海洋環(huán)境下淺水FPSO運動響應(yīng)特性，并進(jìn)行甲板上浪分析；Phadke等[12]基于多體方法，對軟剛臂單點系泊的“蓬勃號”FPSO系泊系統(tǒng)的安裝進(jìn)行數(shù)值分析，得到較為合理的結(jié)果。這些研究很好地證明了多體方法的適用性，文中對FPSO系泊系統(tǒng)的建模，也是基于多體方法進(jìn)行的。

采用ANSYS建立全船及系泊剛架的有限元模型，導(dǎo)入AQWA中進(jìn)行水動力及時域響應(yīng)計算。考慮到船艏尾的形狀較為復(fù)雜，定義船艏尾的網(wǎng)格密度為2 m，船中的網(wǎng)格密度為3 m。

FPSO及系泊剛架的有限元模型如圖2所示，模型的單元總數(shù)為8 063。多體耦合模型中包含四部分結(jié)構(gòu)：FPSO及船艏系泊剛架通過剛性連接組成第一部分結(jié)構(gòu)；兩側(cè)系泊腿為兩個結(jié)構(gòu)，上端與船艏系泊剛架通過雙軸鉸連接，釋放橫搖、縱搖兩個自由度的約束；下端與軟剛臂通過三軸鉸連接，釋放3個轉(zhuǎn)動自由度的約束；包含壓載艙的軟剛臂為第四部分結(jié)構(gòu)，軟剛臂與塔架系泊點處釋放3個轉(zhuǎn)動自由度的約束。

表1 FPSO主要參數(shù)Tab.1 Main particulars of FPSO vessel

圖1 軟剛臂及系泊腿的主要尺度Fig.1 Main dimensions of the yoke and pendent

圖2 軟剛臂單點系泊FPSO全耦合有限元模型Fig.2 Completely-coupled model of the FPSO and SYMS

2 計算理論

2.1多體耦合時域運動方程

綜合考慮波浪、風(fēng)、流載荷以及單點系泊系統(tǒng)的回復(fù)力的聯(lián)合作用，軟鋼臂式單點系泊FPSO在時域內(nèi)的運動方程為[13]：

其中，M為FPSO質(zhì)量矩陣，通過FPSO質(zhì)量以及各回轉(zhuǎn)半徑求得；A()為最大計算頻率對應(yīng)的附連水質(zhì)量矩陣，r(t)為輻射阻尼的脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣，附連水質(zhì)量、輻射阻尼系數(shù)均采用三維勢流理論應(yīng)用源匯分布法計算得到；D為FPSO慢漂阻尼矩陣，對于文中軟剛臂式單點系泊FPSO，縱蕩、橫蕩和艏搖自由度低頻漂移阻尼參照BV規(guī)范中的公式進(jìn)行計算；K為FPSO靜水回復(fù)力剛度矩陣，根據(jù)FPSO水動力性能求得；F(1,2)(t)為一階、二階波浪載荷；Fw(t)為風(fēng)載荷，F(xiàn)c(t)為流載荷，風(fēng)、流載荷參照OCIMF規(guī)范進(jìn)行計算；FSPM(t)為單點系泊系統(tǒng)提供的回復(fù)力。

A字型剛臂結(jié)構(gòu)是在系泊單點、兩側(cè)系泊腿拉力下保持平衡，其受力形式較為簡單，此處不列出結(jié)構(gòu)動力方程。

兩側(cè)系泊腿作為FPSO與A字型剛臂的連接桿，其時域運動方程：

式中：mp為系泊腿質(zhì)量矩陣，Kp為考慮結(jié)構(gòu)之間相互影響的12×12的全耦合剛度矩陣。

2.2波浪載荷計算

選用JONSWAP譜模擬不規(guī)則海浪，根據(jù)譜峰因子取為1.8。基于選定的波浪譜，通過傅里葉變換可以得到時域內(nèi)的隨機(jī)波面升高，進(jìn)而可通過卷積積分的方式生成一階、二階波浪載荷的時域歷程。在不規(guī)則波浪作用下，作用在結(jié)構(gòu)物上的瞬時波浪力可以寫為：

基于Newman近似法可得：

基于Pinkster近似法可得：

2.3動力響應(yīng)計算結(jié)果

動力響應(yīng)計算方法：在多體系泊分析模塊AQWA-DRIFT中，基于多剛體動力學(xué)方法，根據(jù)FPSO、軟剛臂以及系泊腿的時域運動方程，分別建立兩側(cè)系泊腿及軟剛臂的振動方程，在時域內(nèi)通過連接點處的載荷傳遞實現(xiàn)耦合，建立多體的時域耦合方程，進(jìn)行迭代計算。由于計算中計入了系統(tǒng)內(nèi)包括慢漂阻尼、非線性風(fēng)流載荷等在內(nèi)的非線性項，采用數(shù)值解法求解非線性多體耦合振動方程組，因此，該方法可模擬實際環(huán)境工況下FPSO的運動響應(yīng)及單點系統(tǒng)的受力。

系泊系統(tǒng)的動力響應(yīng)計算所選取兩種典型的海洋環(huán)境工況如表2所示，分別考慮了風(fēng)、浪、流同向與不同向兩種工況，計算水深為17.8 m。

根據(jù)表2給出的工況，采用多體動力學(xué)方法進(jìn)行FPSO及單點系泊系統(tǒng)的耦合動力分析，模擬軟剛臂單點系泊機(jī)構(gòu)的具體連接形式，考慮軟剛臂及系泊腿加速度慣性力項對FPSO運動響應(yīng)及單點系統(tǒng)載荷的影響，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法模擬FPSO所受的二階波浪力，計算塔架系泊點處軟剛臂結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下三個方向的載荷Fx、Fy、Fz以及系泊腿的軸向載荷Pt，在時域內(nèi)統(tǒng)計各載荷的最大值，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)動力響應(yīng)計算結(jié)果看出，在工況1中，風(fēng)、浪、流同向，由于系泊系統(tǒng)具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，單點y方向載荷較小，接近于0，可以忽略不計， Pinkster近似法的計算結(jié)果略大于Newman近似法的計算結(jié)果；原因在于FPSO迎浪條件下受力面積較小，低頻二階力作用不明顯。在工況2中，風(fēng)、浪、流不同向，F(xiàn)PSO與波浪有夾角，單點各方向載荷皆不為0，且Pinkster近似法的計算結(jié)果遠(yuǎn)大于Newman近似法的計算結(jié)果；原因在于，F(xiàn)PSO此時與波浪方向有一定的夾角，二階力作用范圍大，淺水波浪力的二階非線性效應(yīng)明顯，Newman近似法嚴(yán)重低估了波浪二階力的作用，造成其計算結(jié)果遠(yuǎn)小于Pinkster近似法的計算結(jié)果。

表2 海洋環(huán)境條件Tab.2 Environment conditions

表3 塔架系泊點載荷及系泊腿軸力最大值Tab.3 Maximum dynamic response of the SYMS

注：單點載荷(Fx、Fy、Fz)皆為軟剛臂結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下載荷結(jié)果。

3 不同WD/T動力響應(yīng)分析

在水深的敏感性分析中，F(xiàn)PSO吃水(T)為14.5 m，以該海域?qū)嶋H水深(WD)17.8 m為基準(zhǔn)，每次增加3 m，選取五個水深作為淺水海況，并額外選取了50 m、75 m、100 m三個水深作為深水海況，所選取的水深為17.8、20.8、23.8、26.8、29.8、50、75、100 m，對應(yīng)的WD/T依次為1.23、1.43、1.64、1.85、 2.06、3.45、5.17、6.90。分別采用Newman近似法和Pinkster近似法計算軟剛臂單點系泊系統(tǒng)載荷，分析系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T變化的規(guī)律，并對比兩種方法的計算結(jié)果。

此外，由于Newman近似法與Pinkster近似法的根本差別在于二階波浪力的計算方法不同，為分析單點系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T的變化規(guī)律產(chǎn)生的原因，文中對兩種近似方法下FPSO所受二階波浪力隨WD/T的變化規(guī)律進(jìn)行了對比分析。

3.1工況1系泊系統(tǒng)受力結(jié)果

對于風(fēng)、流、浪同向的工況1，軟剛臂單點系泊系統(tǒng)具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，F(xiàn)PSO僅受到縱蕩方向的載荷，單點系泊系統(tǒng)受力主要包括單點載荷Fx、Fz和系泊腿軸向載荷Pt。根據(jù)2.3節(jié)動力響應(yīng)分析方法，進(jìn)行不同WD/T條件下時域計算，統(tǒng)計單點系泊系統(tǒng)載荷最大值，計算結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)計算結(jié)果，在風(fēng)、浪、流同向條件下，可得出如下結(jié)論：

1)采用Newman近似法計算時，隨WD/T的增加，單點x方向的載荷Fx先減小后增大，到深水區(qū)域后增大趨勢平緩；單點z方向的載荷Fz和系泊腿軸力Pt均逐漸增加，但變化不大。

2)采用Pinkster近似法計算時，隨著WD/T的增加，單點x、z方向載荷Fx、Fz和系泊腿軸力Pt呈現(xiàn)相同的規(guī)律，在淺水區(qū)域逐漸減小，深水區(qū)域趨于平緩；且Pt變化明顯，F(xiàn)x、Fz變化不大。

3)對比兩種方法下系泊系統(tǒng)載荷的計算結(jié)果，可以看出：在淺水區(qū)域，采用Pinkster近似法計算得到的單點系泊系統(tǒng)載荷大于Newman近似法所得到的結(jié)果；深水區(qū)域，Pinkster近似法得到的結(jié)果反而小于Newman近似法；其臨界水深吃水比為1.64，因此，認(rèn)為在WD/T≥1.64時，Newman近似法可滿足工程計算的要求。

圖3 工況1系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T變化曲線Fig.3 Forces of SYMS vs.WD/T in Condition 1

圖4 工況1中FPSO縱蕩漂移力隨WD/T變化曲線Fig.4 Wave drift forces of FPSO in surge direction vs.WD/T in Condition 1

3.2工況1漂移力計算結(jié)果分析

對于風(fēng)、浪、流同向的工況1，圖4給出兩種方法下FPSO所受二階波浪漂移力隨WD/T增加而變化的規(guī)律。

隨著WD/T增加，Newman近似法計算得到的FPSO漂移力先增大后減小，到深水區(qū)域又有微弱的增大趨勢，與單點x方向的載荷呈現(xiàn)相互對應(yīng)的規(guī)律；Pinkster近似法計算得到的FPSO漂移力先減小后逐漸趨于平穩(wěn)，與單點系泊系統(tǒng)載荷的變化趨勢呈現(xiàn)較好的對應(yīng)規(guī)律；可見，單點系泊系統(tǒng)載荷Fx、Fz、Pt隨WD/T增加而變化的情況直接受到FPSO所受的漂移力的影響。

3.3工況2系泊系統(tǒng)受力結(jié)果

對于風(fēng)、浪、流不同向的工況2，在軟剛臂結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系下，單點系泊系統(tǒng)載荷包括Fx、Fy、Fz以及系泊腿軸向載荷Pt，統(tǒng)計不同 下各系泊系統(tǒng)載荷最大值，結(jié)果如圖5所示。由結(jié)果可知：

1)采用Newman近似法計算時，隨著WD/T增加，單點系泊系統(tǒng)各載荷括Fx、Fy、Fz都先增大后減小，在深水區(qū)域趨于平緩，在WD/T=2.06(水深29.8 m)處出現(xiàn)峰值。

2)采用Pinkster近似法計算，WD/T介于1.23～1.64(水深17.8～23.8 m)之間時，隨WD/T增加，系泊系統(tǒng)各項載荷逐漸減小；WD/T介于1.64～2.05(水深23.8～29.8 m)之間時，隨WD/T增加，系泊系統(tǒng)各項載荷逐漸增大；在WD/T大于2.06后(水深大于29.8 m)，隨WD/T增加，系泊系統(tǒng)各項載荷逐漸減小，在深水區(qū)域趨于平緩。

圖5 工況2系泊系統(tǒng)載荷最大值隨WD/T變化曲線Fig.5 Forces of SYSM vs.WD/T in Condition 2

3)對比Pinkster近似法和Newman近似法下計算得到的單點載荷結(jié)果，可以看出：①在各個WD/T條件下，Pinkster近似法的計算結(jié)果均大于Newman近似法計算結(jié)果；②在極淺水區(qū)域，WD/T介于1.23～1.64之間時，隨著WD/T的增加，Pinkster近似法計算時系泊系統(tǒng)各項載荷逐漸減小，而Newman近似法計算得到的各項載荷逐漸增加，二者呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，且Pinkster近似法計算結(jié)果遠(yuǎn)大于Newman近似法的計算結(jié)果；③ 超過1.64(水深23.8 m)后，隨著WD/T的增加，兩種方法計算得到的系泊系統(tǒng)載荷都呈現(xiàn)先增大后減小變化規(guī)律，到深水區(qū)域后趨于平緩，都在WD/T(水深29.8 m)處出現(xiàn)峰值； Pinkster近似法計算得到的載荷略大于Newman近似法計算結(jié)果。

4)在WD/T≥1.64時，Newman近似法和Pinkster近似法計算的結(jié)果隨水深的變化規(guī)律一致，且二者之間差別不大，可以認(rèn)為Newman近似法滿足工程實際的計算要求。

3.4工況2漂移力計算結(jié)果分析

對于風(fēng)、浪、流不同向的工況2，圖6給出不同方法下WD/T改變時FPSO在橫蕩、縱蕩自由度所受漂移力，圖7給出FPSO所受艏搖自由度漂移力矩。根據(jù)漂移力計算結(jié)果可知：

1)采用Newman近似法計算時，隨WD/T的增加，F(xiàn)PSO所受的二階波浪力變化規(guī)律為：在縱蕩方向上，漂移力變化較小，從淺水區(qū)域到深水區(qū)域略有增大；橫蕩方向上，漂移力先減小后逐漸趨于平緩；艏搖方向上，漂移力先增大后減小，在深水區(qū)趨于平緩。對比系泊系統(tǒng)載荷與FPSO所受二階波浪力隨WD/T的變化規(guī)律可知，在Newman近似法條件下，系泊系統(tǒng)載荷與艏搖方向漂移力的變化規(guī)律一致。

2)采用Pinkster近似法計算FPSO二階差頻力時，隨WD/T的增加，F(xiàn)PSO所受的漂移力變化規(guī)律為：在縱蕩方向上，漂移力逐漸減小后趨于平緩，整體變化較小；橫蕩方向上，當(dāng)WD/T≤2.06時，漂移力先減小后增大，隨后漂移力逐漸減小并趨于平緩；艏搖方向上，漂移力先減小后趨于平緩，在淺水區(qū)域內(nèi)，艏搖漂移力矩接近一階艏搖波浪力矩。可見，在Pinkster近似法條件下，單點系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T增加而變化的規(guī)律與FPSO橫蕩、縱蕩、艏搖方向度所受漂移力變化的規(guī)律都有很好的一致性。

3)對比兩種近似法下漂移力計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)FPSO橫蕩方向漂移力差別不大，在淺水區(qū)域，Pinkster近似法載荷計算結(jié)果較大；在深水區(qū)域，Newman近似法的載荷計算結(jié)果較大。

綜上所述，在風(fēng)、浪、流不同向條件下，軟剛臂單點系泊系統(tǒng)載荷的變化規(guī)律主要由FPSO艏搖方向所受的漂移力矩決定。

圖6 工況2FPSO漂移力隨WD/T變化曲線Fig.6 Wave drift forces of FPSO vs.WD/T in Condition 2

圖7 工況2FPSO艏搖漂移力隨WD/T變化曲線Fig.7 Wave drift forces of FPSO in yaw direction vs.WD/T in Condition 2

4 結(jié) 語

針對一艘淺水田油田作業(yè)、吃水為14.5 m的16萬噸級軟剛臂單點系泊FPSO，基于多體動力學(xué)方法，分別采用Newman近似法和Pinkster近似法計算了不同WD/T下FPSO所受的二階波浪力和軟剛臂單點系泊系統(tǒng)載荷，研究各載荷隨WD/T的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)采用Newman近似法計算時，隨著WD/T的增加，F(xiàn)PSO所受的漂移力先增大后減小，引起單點系泊系統(tǒng)載荷的先增大后減小。

2)采用Pinkster近似法計算時，隨著WD/T的增加，F(xiàn)PSO所受的漂移力逐漸減小，引起單點系泊系統(tǒng)載荷的逐漸減小。

3)在淺水區(qū)域，風(fēng)、浪、流同向時，單點系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T的變化規(guī)律由FPSO所受到縱蕩方向的二階波浪力決定；風(fēng)、浪、流不同向時，系泊系統(tǒng)載荷隨WD/T變化的規(guī)律由艏搖方向的二階波浪力矩決定。

4)淺水條件下，二階波浪力非線性效應(yīng)明顯，采用Newman近似法計算僅能獲得定常的低頻漂移力成分，無法獲得其高頻與低頻成分，因此該方法不能滿足實際工程要求。

5)對于吃水為14.5 m的軟鋼臂單點系泊FPSO，在WD/T≤1.64時，淺水效應(yīng)明顯，采用Pinkster近似法較為準(zhǔn)確的估算FPSO所受的二階力更符合工程實際狀況；在WD/T≥1.64時，Newman近似法可滿足工程計算的要求；這兩種方法計算二階波浪力的臨界WD/T為1.64。

[1] DE HAUTECLOCQUE G,REZENDE F,WAALS O,et al.Review of approximations to evaluate second-order low-frequency load[C]//Proceedings of the 31st International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2012:363-371.

[2] CHEN X B,REZENDE F.Efficient computations of second-order low-frequency wave load[C]//Proceedings of the 28th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2009:525-532.

[3] CONG P W,GOU Y,TENG B.A new approach to low-frequency QTF and its application in predicting slow drift force[J].Ocean Engineering,2012,53:25-37.

[4] 陳憶寧,陳剛,肖龍飛.淺水 FPSO 二階力與慢漂阻尼計算分析[C]//第十六屆中國海洋 (岸) 工程學(xué)術(shù)討論會論文集 (上冊).北京：海洋出版社,2013.(CHEN Y N，CHEN G，XIAO L F.Research of second order wave drift force and damping in shallow water[C]//The 16th China Ocean (Shore) Engineering Symposium Proceedings.Beijing:Ocean Press,2013.(in Chinese))

[5] NACIRI M,SERGENT E.Diffraction/Radiation of 135 000 m3storage capacity LNG carrier in shallow water:A benchmark study[C]//Proceedings of the 28th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2009:637-647.

[6] 李欣,王磊,楊建民.淺水浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)二階波浪慢漂力數(shù)值計算[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2006,40(6):997-999.(LI X,WANG L,YANG J M.The numerical calculation on the second order wave drift force of FPSO in shallow water[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2006,40(6):997-999.(in Chinese))

[7] FONSECA N,PESSOA J,MAVRAKOS S,et al.Experimental and numerical investigation of the slowly varying wave exciting drift forces on a restrained body in bi-chromatic waves[J].Ocean Engineering,2011,38(17):2000-2014.

[8] PESSOA J,FONSECA N.Investigation of depth effects on the wave exciting low frequency drift forces by different approximation methods[J].Applied Ocean Research,2013,42:182-199.

[9] XIAO Longfei ,YANG Jianmin,LI Xin.Shallow water effects on surge motion and load of soft yoke moored FPSO[J].Chinese Ocean Engineering,2007,21(2):187-196.

[10] WANG S Q,LI S Y,CHEN X H.Dynamical analysis of a soft yoke moored FPSO in shallow waters[C]//Proceeding of the 6th International Conference on Asian and Pacific Coasts (APAC).2012.

[11] GUO B,XIAO L F,YANG J M.Analysis on motions and green water of FPSOs in shallow water with non-collinear environments[C]//Proceedings of the 29th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2010:419-427.

[12] PHADKE A C,LIAO S,CHEN D,et al.Assessment of SYMS survival limit for “Peng Bo” FPSO during installation[C]//Proceedings of the 29th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2010:541-548.

[13] Institute N M T R.SIMO-theory manual[G].Norway:2004.

[14] TENG B,CONG P,GOU Y.Examination on low-frequency QTF of a platform[J].Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2010,22(5,Supplement 1):969-974.

[15] Oil Companies International Marine Forum.Prediction of wind and current loads on VLCCs[M].London:Witherby & Co.LTD.,1994.

Investigation of depth effects on the dynamic response performance of soft yoke mooring FPSO

LIU Chengyi1,2,TANG Yougang1,2,LI Yan1,2

(1.Tianjin University,School of Civil Engineering,Tianjin 300072，China；2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin 300072，China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.004

1005-9865(2016)01-0025-08

2014-09-15

國家自然科學(xué)基金(51279130)；國家自然科學(xué)基金重點項目(51239008)

劉成義(1990-)，男，湖北隨州人，碩士，主要研究FPSO系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)。E-mail:liuchengyii@163.com

唐友剛(1952-)，男，教授，博士生導(dǎo)師。 E-mail:tangyougang_td@163.com