半潛支持平臺與FPSO靠泊運動頻域水動力性能研究1

陳曉鋒

（南通中遠海運船務(wù)工程有限公司，江蘇南通 226001）

0 引言

半潛式平臺每年的平均事故率遠超其他類型的海洋平臺[1]，開展支持平臺與浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO）的靠泊方案設(shè)計、探索適合FPSO的靠泊運動耦合技術(shù)對于保障FPSO上的生產(chǎn)和船員活動具有重要意義。支持平臺和生產(chǎn)平臺靠泊連接狀態(tài)是深水半潛式支持平臺在海上作業(yè)過程中的一個典型工作狀態(tài)。此時深水半潛式支持平臺處于靠泊連接就位位置，和各類生產(chǎn)平臺之間通常保持數(shù)十米距離，進行近距離靠泊，支持平臺上的登船棧橋與生產(chǎn)平臺連接，以進行人員和物資的轉(zhuǎn)運。為滿足不同海域和不同油田的各種需求，靠泊的生產(chǎn)平臺類型種類繁多，包括固定式導管架平臺、半潛式生產(chǎn)平臺、張力腿平臺、立柱式平臺和FPSO等[2]。

深水半潛式支持平臺與其他生產(chǎn)平臺進行靠泊的過程中，多平臺之間的耦合水動力干擾問題是影響靠泊安全的關(guān)鍵因素之一。其耦合水動力性能的求解涉及多個復雜影響因素，包括近距離多個浮體間的非線性輻射和繞射波浪影響、平臺近距離靠泊狀態(tài)下的相互遮蔽效應(yīng)對海風和海流等環(huán)境荷載的影響，以及各平臺間的耦合運動、系泊載荷等水動力響應(yīng)的非線性特性的影響。

本文通過采用 AQWA軟件基于三維勢流理論進行多浮體耦合頻域水動力分析，考慮支持平臺與FPSO間不同的靠泊間距、支持平臺靠泊方向、FPSO裝載狀態(tài)等因素，建立耦合分析水動力模型，采用近場法考慮浮體間的水動力耦合作用。對典型浪向條件下耦合狀態(tài)和非耦合狀態(tài)的浮體水動力性能對比，分析靠泊間距、靠泊方向和FPSO裝載狀態(tài)因素對水動力影響的大小，總結(jié)多浮體耦合頻域水動力特點。

1 水動力模型建立

為準確預報支持平臺與FPSO間的水動力耦合作用，將FPSO及支持平臺進行細致的網(wǎng)格劃分。考慮到頻域分析時的最小波浪周期為3 s，因此將濕表面網(wǎng)格最大尺寸定為2.8 m。

1.1 F PSO濕表面

FPSO在不同載況時發(fā)生較大縱傾，艏艉存在較大的吃水差，因此在水動力分析時將FPSO縱傾調(diào)至設(shè)計縱傾狀態(tài)。滿載時FPSO艏吃水為21.5 m，艉吃水為24.5 m；壓載狀態(tài)FPSO艏吃水為9.2 m，艉吃水為11.85 m。圖1和圖2分別為滿載狀態(tài)和壓載狀態(tài)的濕表面網(wǎng)格。

圖1 FP SO滿載狀態(tài)濕表面網(wǎng)格

圖2 FP SO壓載狀態(tài)濕表面網(wǎng)格

滿載狀態(tài)時FPSO總網(wǎng)格數(shù)為11 076，其中濕表面網(wǎng)格數(shù)為9 196；壓載狀態(tài)時，F(xiàn)PSO的總網(wǎng)格數(shù)為11 129，其中濕表面網(wǎng)格數(shù)為8 142。網(wǎng)格大小分布均勻，同時較為準確地描述了FPSO水下部分的形狀。

1.2 北海型支持平臺濕表面

北海型支持平臺的網(wǎng)格采用與FPSO相同的網(wǎng)格尺寸，總網(wǎng)格數(shù)為8 386，濕表面網(wǎng)格數(shù)為5 859。由于橫撐結(jié)構(gòu)沿長度方向直徑變化，因此在建立其水動力模型時采用面單元模擬。北海型支持平臺的濕表面模型見圖3。

圖3 北海型支持平臺濕表面模型

1.3 標準型支持平臺濕表面

標準型支持平臺總網(wǎng)格數(shù)為5 927，濕表面網(wǎng)格數(shù)為4 478。橫撐結(jié)構(gòu)初端部外直徑相同，因此采用莫里森單元模擬，莫里森單元數(shù)為 132。北海型支持平臺的濕表面模型見圖4。

圖4 標準型支持平臺濕表面模型（未顯示實際橫撐直徑）

2 無因次阻尼修正

根據(jù)FPSO試驗數(shù)據(jù)以及半潛式支持平臺母型船試驗數(shù)據(jù)，對垂蕩、橫搖和縱搖自由度的水動力進行修正，附加阻尼的無因次阻尼比見表1。垂蕩、橫搖和縱搖附加質(zhì)量取固有頻率時的附加質(zhì)量，剛度取靜水回復剛度。

表1 無因次阻尼比

3 全局坐標系定義

北海型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義見圖5，坐標原點位于支持平臺和FPSO中縱剖面上，同時位于支持平臺中橫剖面上。FPSO長度和支持平臺長度方向為x軸，以平臺艏部方向為正；FPSO和支持平臺寬度方向為y軸，以平臺左舷為正。

圖5 北海型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義

標準型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義見圖 6，定義坐標原點位于標準型支持平臺水線面中心處，標準型支持平臺下浮箱長度方向為x方向，以平臺艏部方向為正；下浮箱寬度方向為y方向，以平臺左舷為正。定義標準型支持平臺與FPSO的間距為右浮箱外側(cè)到FPSO艏部平面間的距離，以D表示。考慮到舷梯的允許伸縮長度，D取38.3 m，此時舷梯的長度為38.5 m。

圖6 北海型支持平臺與FPSO靠泊狀態(tài)坐標系定義

4 耦合作用對水動力的影響

針對FPSO與北海型和標準型支持平臺靠泊狀態(tài)，通過對比耦合狀態(tài)與非耦合狀態(tài)下FPSO及半潛支持平臺典型角度下的水動力響應(yīng)，分析不同間距對FPSO及半潛支持平臺的頻域運動響應(yīng)的影響。本研究的支持平臺（北海型及標準型）均處于操作吃水狀態(tài)與FPSO靠泊，因此對于作業(yè)狀態(tài)的說明僅針對FPSO。考慮到FPSO在滿載狀態(tài)和壓載狀態(tài)吃水變化較大，因此在分動力分析時考慮 2種FPSO的作業(yè)狀態(tài)。

4.1 FPSO滿載狀態(tài)與北海型支持平臺靠泊工況

4.1.1 FPSO水動力響應(yīng)

FPSO與支持平臺在長度方向旁靠，在沿船長方向（x方向）存在一定的遮蔽作用，因此水動力分析主要針對波頻運動響應(yīng)以及水動力影響可能較大的縱蕩運動響應(yīng)，以分析耦合狀態(tài)下FPSO水動力的特點。為分析水動力的耦合效應(yīng)大小以及不同靠泊間距對水動力的影響大小，將非耦合狀態(tài)下的響應(yīng)與3種不同的間距耦合狀態(tài)下的響應(yīng)進行對比。定義靠泊間距D為支持平臺下浮箱后端與FPSO前端的距離。

幅值響應(yīng)算子（Response Amplitude Operator，RAO）指浮體在某一頻率單位波幅規(guī)則波作用下對應(yīng)浮體的運動響應(yīng)，反應(yīng)浮體水動力性能屬性，是計算運動響應(yīng)時必需的水動力參數(shù)[3]。圖7為FPSO滿載狀態(tài)時，不同狀態(tài)下FPSO的縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖響應(yīng)RAO曲線。圖中無耦合狀態(tài)表示為Uncoupled，D=5 m、D=21 m和D=35 m分別表示靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖7 滿載工況FPSO水動力響應(yīng)

從圖7（a）和圖7（b）可發(fā)現(xiàn)，波浪周期較大即波浪頻率較低時，無論是浪向為0°或180°時，縱蕩RAO差別不大，此時縱蕩耦合作用不強，同時對間距大小也不敏感；波浪周期較小時，如周期為10 s左右，縱蕩RAO存在很小差異。從圖7（c）和（d）可看出，耦合作用對垂蕩和橫搖RAO幾乎沒有影響。圖7（e）和圖7（f）可發(fā)現(xiàn)FPSO縱搖響應(yīng)在波浪周期大于12 s后在不同間距的耦合作用下差別不大，在周期10 s左右時存在一定差別。綜合來看，耦合作用對 FPSO的垂蕩和橫搖 RAO幾乎沒有影響，對縱蕩和縱搖RAO的影響主要在波浪周期為10 s左右的小范圍，對周期大于12 s時的縱蕩和縱搖無明顯影響。

4.1.2 北海型支持平臺水動力響應(yīng)

圖8為無耦合狀態(tài)和不同靠泊間距下北海型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO。圖中無耦合狀態(tài)表示為Uncoupled，D=5 m、D=21 m和D=35 m分別表示為靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖8 支持平臺水動力響應(yīng)（FPSO滿載工況）

從圖8（a）可看出耦合狀態(tài)下FPSO對支持平臺產(chǎn)生明顯的遮蔽效應(yīng)，導致支持平臺在浪向為0°下的縱蕩RAO與非耦合狀態(tài)有所減小。間距越小支持平臺縱蕩RAO越小，遮蔽效應(yīng)越明顯，遮蔽作用在計算波浪周期范圍均較明顯。從圖8（b）中發(fā)現(xiàn)當波浪為180°，即波浪從支持平臺向FPSO傳播時，在波浪周期大于16 s時耦合效應(yīng)不明顯，而波浪周期處于6 s～16 s時出現(xiàn)明顯的耦合作用。從圖8（c）可發(fā)現(xiàn)長波作用下不同間距時的垂蕩耦合作用不明顯，短波作用下耦合作用對支持平臺垂蕩RAO有一定影響。從圖8（d）可發(fā)現(xiàn)耦合作用對支持平臺的橫搖RAO影響不大。

從圖8（e）和圖8（f）可發(fā)現(xiàn)，在支持平臺縱搖共振周期時，較小的間距導致縱搖RAO幅值增大，而間距較大時縱搖固有周期下的RAO幅值與非耦合狀態(tài)無明顯差別。波浪周期較小時，波浪角度為0°和180°下縱搖RAO呈現(xiàn)不同的趨勢：1）浪向為0°時，波浪周期為5 s～7 s和10 s～15 s時耦合狀態(tài)縱搖RAO幅值比非耦合狀態(tài)小；2）浪向為180°時，波浪周期為5 s～7 s和10 s～15 s時耦合狀態(tài)縱搖RAO幅值比非耦合狀態(tài)大。總體來說耦合作用下波浪周期較小時，浪向角為0°時經(jīng)過FPSO繞射的波浪會導致支持平臺縱搖RAO幅值減小，浪向角為 180°時支持平臺直接迎浪會導致支持平臺縱搖RAO幅值增大。

4.2 FPSO壓載狀態(tài)與支持平臺靠泊工況

4.2.1 壓載狀態(tài)FPSO水動力響應(yīng)

FPSO壓載狀態(tài)與支持平臺靠泊時，F(xiàn)PSO的縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO曲線見圖9。圖9中無耦合狀態(tài)表示為 Uncoupled，D=5 m、D=21 m 和D=35 m分別為靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖9 壓載工況FPSO水動力響應(yīng)

圖9 壓載工況FPSO水動力響應(yīng)（續(xù)）

從圖9（a）、圖9（c）和圖9（d）可發(fā)現(xiàn)壓載狀態(tài)FPSO與支持平臺靠泊時耦合作用對0°浪向的縱蕩、90°浪向的垂蕩和橫搖水動力影響不明顯，從圖9（b）可發(fā)現(xiàn)長周期時距離越大，180°浪向的縱蕩RAO越小，遮蔽效應(yīng)越明顯。

從圖 9（e）和圖 9（f）可發(fā)現(xiàn)浪向角為 0°和180°的情況下，除了波浪周期為10 s左右時，不同間距的靠泊耦合作用對縱搖運動RAO影響不大。

4.2.2 北海型支持平臺水動力響應(yīng)

圖 10為無耦合狀態(tài)和不同靠泊間距下北海型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO。圖中無耦合狀態(tài)表示為Uncoupled，D=5 m、D=21 m和D=35 m分別表示靠泊間距為5 m、21 m和35 m。

圖10 支持平臺水動力響應(yīng)（FPSO壓載工況）

圖10 支持平臺水動力響應(yīng)（FPSO壓載工況）（續(xù)）

從圖10（a）可發(fā)現(xiàn)靠泊狀態(tài)浪向角為0°時，F(xiàn)PSO對支持平臺起到了一定的遮蔽作用，尤其在波浪周期小于15 s時更為明顯。從圖10（b）可發(fā)現(xiàn)靠泊狀態(tài)浪向角為180°時，波浪周期小于16 s時耦合作用對縱蕩RAO影響較大，隨波浪周期變化呈不同的規(guī)律，波浪周期大于16 s后對縱蕩RAO影響不大。從圖10（c）和圖10（d）可發(fā)現(xiàn)浪向角為 90°時耦合作用對支持平臺垂蕩和橫搖幾乎沒有影響。

從圖10（e）和圖10（f）可發(fā)現(xiàn)波浪周期大于16 s時，耦合作用對支持平臺的縱搖RAO影響不大，波浪周期小于16 s時隨著浪向不同，呈現(xiàn)不同趨勢：1）浪向角為0°時，F(xiàn)PSO對支持平臺產(chǎn)生明顯的遮蔽作用，導致耦合狀態(tài)下縱搖RAO幅值減小；2）浪向角為 180°時，在一定波浪周期范圍導致縱搖RAO幅值相比非耦合狀態(tài)有所增大，可能由于排水量較大的FPSO對波浪的反射作用導致支持平臺的縱搖出現(xiàn)一定的干擾，進而導致支持平臺的縱搖幅值增大。

4.3 F PSO與標準型支持平臺靠泊工況

標準型支持平臺通常側(cè)向靠泊與FPSO艏部，標準型支持平臺下浮箱與FPSO的最小距離為38.3 m。因此，通過針對固定間距下的支持平臺與FPSO近距離靠泊狀態(tài)水動力進行探究，分析多浮體耦合作用的影響。

4.3.1 FPSO水動力響應(yīng)

滿載和壓載狀態(tài)FPSO縱蕩、垂蕩和縱搖RAO如圖11所示。浪向角為90°和270°時，波浪傳播方向與靠泊方向相同，因此需要重點關(guān)注。圖11（a）和圖 11（b）分別為滿載和壓載狀態(tài)浪向角為 90°和270°下FPSO的縱蕩響應(yīng)RAO，圖11（c）和圖11（d）分別為滿載和壓載狀態(tài)下FPSO的垂蕩響應(yīng)RAO，圖11（e）和圖11（f）分別為滿載和壓載狀態(tài)浪向角為90°和270°下FPSO的縱搖響應(yīng)RAO。

圖11 滿載狀態(tài)FPSO縱蕩、垂蕩和縱搖RAO

圖11 滿載狀態(tài)FPSO縱蕩、垂蕩和縱搖RAO（續(xù)）

從圖11（a）和圖11（b）可看出滿載和壓載狀態(tài)時，浪向角為 90°和 270°時水動力耦合作用對FPSO的縱蕩運動RAO影響不明顯；從圖11（c）和圖 11（d）可可以看出無論是滿載還是壓載工況下，耦合作用對垂蕩的影響不明顯。從圖 11（e）和圖11（f）可發(fā)現(xiàn)在波浪周期在10 s左右時，耦合狀態(tài)下的縱搖響應(yīng)RAO存在明顯差異，波浪周期較大時無明顯差異。

4.3.2標準型支持平臺水動力響應(yīng)

圖12為標準型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO曲線。圖12中FF（FPSO Full）表示靠泊的FPSO處于滿載狀態(tài)，F(xiàn)B（FPSO Ballast）表示靠泊的FPSO處于壓載狀態(tài)。

圖12 標準型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO

圖12 標準型支持平臺縱蕩、垂蕩、橫搖和縱搖RAO（續(xù)）

從圖12（a）可發(fā)現(xiàn)浪向角為90°時，耦合狀態(tài)下支持平臺橫蕩RAO要小于非耦合狀態(tài)，因此支持平臺的橫蕩運動受FPSO的遮蔽作用明顯。從圖12（b）可發(fā)現(xiàn)波浪周期較小時耦合狀態(tài)下的橫蕩運動與非耦合狀態(tài)有一定差別，波浪周期較大時無明顯差別。從圖12（c）和圖12（d）可看出波浪周期小于15 s時，耦合狀態(tài)下的垂蕩和橫搖響應(yīng)要比非耦合狀態(tài)小。另外波浪周期較大時，靠泊與壓載狀態(tài)的FPSO時標準型支持平臺的橫搖RAO要比非耦合狀態(tài)以及靠泊與滿載狀態(tài)的FPSO大。從圖12（f）可看出耦合作用對標準型支持平臺的縱搖RAO影響不大。

5 結(jié)論

通過對2種載況的FPSO與北海型和標準型支持平臺靠泊狀態(tài)的水動力響應(yīng)進行對比分析，可以得出：1）整體來看，耦合作用對排水量較大的FPSO水動力響應(yīng)影響不大，而對排水量相對較小的支持平臺影響較大；2）北海型支持平臺耦合作用只對浮體的縱蕩和縱搖響應(yīng)影響較大，而對垂蕩和橫搖運動響應(yīng)影響不大；3）標準型支持平臺耦合作用只對浮體的橫蕩和橫搖響應(yīng)影響較大，而對垂蕩和縱搖運動響應(yīng)影響不大。當波浪從FPSO傳播至支持平臺時，對支持平臺的橫蕩和橫搖產(chǎn)生一定的遮蔽作用，在波浪周期較小時尤為顯著。