基于不同海域海況特點的通用型FPSO疲勞損傷分析

董震，王璞，張鳴，馮國慶

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001；2.中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

通用型FPSO是為滿足當今石油開發需求而設計的新型FPSO。(相較于傳統的FPSO，通用型FPSO具有能夠兼容多種系泊方式和縮短建造周期等特點[1]。此前對FPSO疲勞損傷的分析，大多分析FPSO的某一特定運行海域，如FPSO在西非海域[2]、墨西哥灣海域、巴西海域或南海海域[3]下的疲勞損傷；或者是分析FPSO在某一特定系泊方式，如多點系泊、單點系泊內轉塔和單點系泊外傳塔下的疲勞損傷分析，而對于通用型FPSO,由于其具有多海域、多系泊方式的適配特點，這就要求通用型FPSO能夠適應不同海域海況下的疲勞損傷。

通用型FPSO需要在西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域等海域下服役，由于不同海域的海況特點存在明顯差異，因而造成船體在不同海域海況下的疲勞損傷也將呈現非常明顯的差異。有必要對通用型FPSO進行基于不同海域海況特點的疲勞損傷分析。采用疲勞譜分析法，參考相關規范[4-6]，進行基于不同海域海況特點下的通用型FPSO疲勞損傷分析，得出不同海域海況下的通用型FPSO疲勞損傷特點。

1 計算公式

疲勞計算回復期的疲勞累積損傷度表示為

(1)

根據得到的疲勞計算回復期的疲勞累積損傷度D，可得到實際的疲勞壽命，公式如下。

(2)

式中：TL為疲勞計算的回復期，年；Tf為實際疲勞壽命，年。

2 通用型FPSO關鍵節點疲勞壽命計算

2.1 計算工況

通用型FPSO主尺度見表1。

表1 通用型FPSO主尺度 m

根據通用型FPSO的多海域適配要求，選取3個海域即西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域。根據海況惡劣程度及設計經驗決定，西非海域采用多點系泊，墨西哥灣海域與巴西海域均采用單點系泊內轉塔和單點系泊外轉塔。每種系泊方式應至少包括滿載及壓載2種典型裝載工況，滿載及壓載的時間分配系數均取50%。

3種海域不同系泊方式不同裝載工況下船體在譜分析計算過程中的波浪載荷及結構響應均不相同，故在損傷累積計算中需要單獨計算各裝載工況與其相應時間分配系數下的疲勞損傷度，根據線性損傷累計理論，總損傷度為系泊方式下兩種裝載工況之和。

通用型FPSO通過系泊的方式固定，其中系泊的影響通過懸鏈線方法計算，考慮其張力對剛度矩陣的影響，固定通用型FPSO的懸鏈線預張力見表2。

表2 懸鏈線預張力

波浪載荷采用三維勢流載荷計算方法進行計算，參考中國船級社船體結構疲勞強度指南[7]的規定，其中多點系泊和單點系泊的計算航速和波浪圓頻率均相同。

多點系泊和單點系泊的航向角0°均為迎浪。多點系泊航向角取為0°～330°，間隔為30°，共計12個浪向。單點系泊考慮風標效應，單點系泊航向角取為-30°～30°，間隔為15°，共計5個浪向。

2.2 不同海域海浪的能量特點

由于西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域具有各自的海況概率及海浪能量特點，因此需要選取不同的功率譜密度。其中西非海域的功率譜密度采用6參數的Ochi_Hubble譜，墨西哥灣海域和巴西海域的功率譜密度采用3參數的Jonswap譜。

6參數的Ochi_Hubble譜表達式為

(3)

式中：HS,i，ωS,i和λi(i=1,2)分別對應于低頻和高頻部分的有義波高、譜峰頻率和形狀參數，i=1對應于低頻譜，i=2對應于高頻譜。

Jonswap譜用譜峰周期TP和有義波高HS以及γ三個參數來表示，波浪譜的表達式為

(4)

式中：ωp=2π/Tp；γ為譜峰升高因子；μ為譜型參數；A=1-0.287ln(γ)為無因次參數；ω為波浪角頻率。

選取3個海域的典型海況概率作為輸入，其中西非海域的海況主要集中在譜峰周期TP：10～13 s，有義波高HS：1.4～1.6 m的范圍內；墨西哥灣海域的海況主要集中在譜峰周期TP：4.5～5.5 s，有義波高HS：0.75～1.25 m的范圍內；巴西海域的海況主要集中在譜峰周期TP：5～13 s，有義波高HS：1.5～3.5 m的范圍內。

為了進一步考察波浪特點，節選3個海域的部分代表性海況，繪制海浪譜密度曲線圖，見圖1。

圖1 不同海域功率譜密度對比

3個海域呈現了3種能量集中形式。西非海域功率譜密度表現出了能量低頻集中的特點，且在圓頻率升高時出現了快速的下降趨勢。墨西哥灣海域則展現出了能量峰值圓頻率更高的特點，且隨著圓頻率的升高能量下降相對緩慢。巴西海域能量峰值分布相對較為廣泛，在低頻位置雖不如西非海域能量集中，但相較于墨西哥灣海域要高許多。

2.3 剖面載荷分析

疲勞破壞是結構在波浪載荷作用下的結果，為進一步分析不同海域海況對通用型FPSO疲勞強度的影響，對剖面載荷RAO與波浪功率譜密度S(ω)進行對照分析。剖面載荷RAO通過COMPASS-WALCS進行計算。采用了內轉塔、外轉塔與多點系泊3種系泊方式，裝載工況均為滿載。考察船舯剖面垂向彎曲與扭轉兩種剖面載荷響應。結果見圖2～4。

圖2 內轉塔滿載船舯剖面

圖3 外轉塔滿載船舯剖面

圖4 西非海域多點系泊滿載船舯剖面

3種系泊方式下的剖面載荷RAO具有相近的規律，即垂向彎矩在圓頻率0.4 rad/s附近出現了最大值，而轉矩在圓頻率為0.6 rad/s附近出現最大值。

在疲勞強度計算中，剖面載荷RAO和海浪譜乘積與疲勞損傷成正相關關系，在兩者峰值頻率吻合時會產生指數級的損傷增大。因此3個海域海況分別對垂向彎曲與扭轉兩類響應下的疲勞損傷有著不同的影響。通過與海浪譜對比發現，垂向彎矩的整體分布與西非海域海況能量分布重合度較高，巴西海域次之，與墨西哥灣海域重合度較低。轉矩方面則恰好相反，其與墨西哥灣海域及巴西海域能量分布重合度較高，與西非海域重合度較低。

2.4 有限元模型

考慮腐蝕余量的影響，建立通用型FPSO全船有限元模型。在熱點附近，精細網格尺寸為t×t,其中t是熱點附近的最小板的凈厚度。熱點附近的所有支撐構件(包括板和加強筋)均采用4節點殼單元進行網格劃分，從精細網格到普通網格的過渡也足夠平滑。通過選取典型剖面和設計波法篩選得到5個船體疲勞關鍵熱點。見圖5。

圖5 關鍵熱點選擇

2.5 應力傳遞函數

熱點應力RAO采用直接計算法進行計算。首先分別將多種系泊方式、多浪向(0°為迎浪)、多圓頻率單位波幅下的水動壓力加載至有限元模型。通過PCL二次開發程序及批處理程序實現批量計算及數據處理。由于熱點RAO較多，限于篇幅，選取具有代表性的典型熱點5滿載載況的熱點應力RAO，見圖6～8。

圖6 內轉塔滿載熱點5應力RAO

圖7 外轉塔滿載熱點5應力RAO

圖8 多點系泊滿載熱點5應力RAO

當圓頻率增加時，3種系泊方式下的應力均為先上升后下降。3種系泊方式在浪向為330°圓頻率在0.5 rad/s左右時應力為最大。3種系泊方式下外轉塔各浪向曲線的重合度最高，內轉塔次之，多點系泊各浪向的曲線重合度最低。

2.6 損傷計算結果

選取的相關熱點在各海況下的疲勞損傷計算結果見表4。

由表4可知，熱點3在5種海域工況下損傷最大，在多點系泊西非海域為4.29×10-2；熱點1在5種海域工況下損傷最小，在外轉塔墨西哥灣海域為4.29×10-5。在熱點相同的情況下，西非海域的損傷最大，巴西海域次之，墨西哥灣海域最小。在海域相同的情況下，熱點4在墨西哥灣海域下兩種系泊方式下的損傷差距最小，熱點3在巴西海域下兩種系泊方式下的損傷差距最大。在熱點相同，海域相同的情況下，內轉塔的損傷大于外轉塔的損傷。

表4 熱點損傷

3 結論

1)對于通用型FPSO,垂向彎矩對于船體結構疲勞強度影響比轉矩對于船體結構疲勞強度的影響要大很多，要優先考慮垂向彎矩對于船體結構疲勞強度的影響；西非海域海況下垂向彎矩對于船體結構疲勞強度的影響最大，巴西海域次之，墨西哥灣海域最小。

2)對于通用型FPSO，不同海域海況，不同系泊方式下的疲勞損傷均具有明顯差異。在多數情況下多點系泊西非海域疲勞損傷是3個海域中最大的，在設計時應重點考慮多點系泊西非海域下的疲勞損傷；當通用型FPSO的運行海域為墨西哥灣海域或巴西海域時，在設計時要重點考慮系泊方式為內轉塔時的疲勞損傷；當通用型FPSO的系泊方式為內轉塔系泊或外轉塔系泊時時，在設計時應重點考慮運行海域為巴西海域時的疲勞損傷。