FPSO與穿梭油輪的耦合水動力及運動響應研究

嚴揚月，劉曉健，徐 峰

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003；2.南通象嶼海洋裝備有限責任公司，江蘇南通 226000)

0 引言

浮式生產儲油輪（floating producting storage and offloading，FPSO）。兼有生產、儲油和卸油的功能，在海上與水下采油裝置和穿梭油輪組成一整套的生產系統，是目前海洋工程船舶中的高技術產品。它長期系泊于固定海域，通過海底輸油管線接收并處理采出的油氣水等混合物，處理后的原油儲存在船體內，穿梭油輪定期串靠或旁靠FPSO，接收達到一定量的合格原油。

在工作海況下的FPSO與穿梭油輪串靠外輸問題是當下研究的熱點。唐友剛等[1]研究了外輸過程中FPSO與穿梭油輪之間由于過分縱蕩運動而引起的碰撞風險發生概率。通過對FPSO單浮體及其外輸多浮體系統的水動力性能、運動響應、系泊受力及大纜張力進行計算分析[2–12]，可以指導外輸系統能正常作業，避免碰撞事故的發生。

本文針對1500 m 水深進行FPSO與穿梭油輪多體耦合水動力特性分析，選取墨西哥海域典型外輸狀態海況條件，開展FPSO與穿梭油輪系泊狀態下耦合運動響應的數值預報，重點分析間距、海況、裝載工況等因素對FPSO 與穿梭油輪運動響應、系泊系統載荷的影響，為外輸工況的選取提供指導依據。

1 基礎理論

FPSO與穿梭油輪串靠外輸過程，考慮兩浮體間的相互干擾和耦合作用，根據牛頓第二定律，列出時域耦合運動方程為：

式中：（M+A)ij表示浮體j引起浮體i的質量慣性矩陣和時域附加質量慣性矩陣；h i j(t?τ)表示浮體j引起浮體i的遲滯函數矩陣；K i表示浮體i的靜水回復力矩陣；x(t)i表示浮體i的運動矢量；Faill表示作用于i浮體的總外力矢量，包括一階和二階波浪力、風力、流力、系泊力及兩船之間連接大纜的張力，此處暫且不考慮風、流力。

2 外輸系統模型與環境參數

2.1 外輸系統模型

FPSO與穿梭油輪的模型參數如表1所示，雙浮體系統組成如圖1所示。穿梭油輪船首采用一條大纜與FPSO船尾相連，FPSO為內轉塔式單點系泊，3×3布置，3組系泊纜間距120°，組內系泊纜間距5°，坐標原點是重心位于水線面上的投影點，X軸指向FPSO為正，Y軸指向左舷為正，Z軸垂直于水線面向上為正，滿足右手系。FPSO錨鏈系泊及兩船間連接大纜參數見表2。

表1 模型幾何參數Tab.1 Geometric parametersof model

圖1 多體系統示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of multi-body system

表2 纜繩參數Tab.2 Cable parameters

2.2 環境參數

雙浮體系統進行時域分析時所取的墨西哥灣海域環境條件如表3所示。由于風標效應，會處于迎浪狀態，因此計算180°浪向。

表3 海況表Tab.3 Sea state table

3 結果與分析

3.1 頻域分析

波浪作用下多浮體之間存在著較為復雜的水動力影響，圖2為迎浪方向時單船及不同串靠間距下FPSO和穿梭油輪的耦合水動力響應垂蕩RAO和縱搖RAO。可以看出，迎浪方向下，兩船相互影響十分明顯，FPSO縱蕩RAO、縱搖RAO分別在13.29～15 s和14.04～18.75 s 波浪周期范圍內耦合結果較非耦合結果減小46%和7.4%，而垂蕩運動耦合FPSO在12.44～13.4 s波浪周期范圍內小于單FPSO，在14.04～15 s 內大于單FPSO。說明穿梭油輪對FPSO存在水動力干擾，多浮體系統串靠外輸作業會產生局部波浪放大或遮蔽效應。從FPSO的運動固有周期分析可知耦合運動響應顯著減小處在原固有周期左右。耦合的穿梭油輪的縱蕩、垂蕩、縱搖RAO都小于非耦合結果。相對單船情況，耦合穿梭油輪縱蕩運動最大值減小28%，在7.01～25.3 s 波浪周期范圍內，縱搖響應減小，在15 s處出現了異于單穿梭油輪的峰值，減小了7.1%。這表明迎浪狀態時波浪從FPSO傳播到穿梭油輪，某些波浪周期時FPSO對穿梭油輪有明顯的遮蔽作用。當兩船間距增加時，兩船在共振區的運動響應幅值隨著距離增大而減小，水動力相互作用減弱。當兩船間距增加時，兩船在共振區的運動響應幅值隨著距離增大而減小，水動力相互作用減弱。

圖2 不同間距時FPSO/穿梭油輪縱蕩、垂蕩和縱搖RAOFig.2 Surge,heave and pitch Rao of FPSO / shuttle tanker at different spacing

表4 計算工況表Tab.4 Calculation conditions

3.2 時域分析

FPSO在作業時采用單點系泊方式，由于受到風標效應，穩定狀態會處于迎浪狀態，因而計算180°迎浪的情況。串靠外輸作業時，主要考慮兩船運動響應、系泊纜張力以及兩船連接大纜的張力。圖3給出了A1工況（80 m 間距）下，FPSO與穿梭油輪相對于各自初始位置的運動響應時程曲線。結果表明迎浪工況下兩船體主要沿x向運動，運動穩定后，FPSO、穿梭油輪的運動幅值小于40 m，其他方向運動較小。

圖3 FPSO 及穿梭油輪的運動響應時歷曲線Fig.3 Time history curve of motion response of FPSO and shuttle tanker

圖4給出了各工況下FPSO和穿梭油輪縱蕩、垂蕩、縱搖運動有義幅值。縱蕩方向上，隨著譜峰周期的增大運動幅值逐漸減小3%～5%，隨著串靠間距的增大運動幅值也增大0～1%，FPSO縱蕩最大可達到76.72 m，穿梭油輪縱蕩最大可達到76.60 m。垂蕩、縱搖方向上，隨著譜峰周期的增大運動幅值也逐漸增大，間距對FPSO和穿梭油輪運動幾乎無影響，船體運動幅值均較小。一般情況下,要求FPSO在滿載時的水平偏移量（最大水平偏移/水深）小于10%，FPSO的最大水平偏移為76.72 m，偏移量為5.1%，滿足工程要求。

圖4 FPSO和穿梭油輪縱蕩、垂蕩、縱搖運動有義幅值Fig.4 Meaningful amplitude of surge, heave and pitch motion of FPSO and shuttle tanker

圖5是不同工況下FPSO 的9根系泊纜繩的張力值。可知，隨著譜峰周期、串靠間距的增大，纜繩張力也增大。由于1#，2#，3#纜位于船首方向，其余纜位于船尾方向，而船舶為迎浪工況，所以1#，2#，3#纜繩張力比其余纜繩張力大，最大張力為3.665 MN（Line 2），錨鏈預張力為2.50 MN，增大了47%，其安全系數為5.35，滿足要求。4#、5#、6#與7#、8#、9#纜繩由于對稱布置，各自張力結果幾乎相同。圖6為工況A1時連接大纜張力時歷曲線圖。可以看出連接大纜張力值呈現單邊變化，變化劇烈，是由于FPSO與穿梭油輪間相對縱蕩，使得大纜會反復繃緊松弛，大纜張力最大為9.32×106N，安全因子為3.03，符合要求。

圖5 FPSO 系泊纜繩張義有義值Fig.5 FPSOmooring line tension value

圖6 連接大纜張力時歷曲線圖Fig.6 Time history curve of connecting cable tension

為了研究裝載工況對兩船的影響，選取工況A1和工況A16進行對比分析。圖7為2種裝載工況下兩船相對縱蕩運動時歷曲線。可以看出，FPSO滿載-穿梭油輪空載工況下，在迎浪狀態下船體縱蕩運動相較于FPSO半載-穿梭油輪滿載工況劇烈。這可能是因為FPSO在滿載時吃水較大，受波浪影響較大。而FPSO半載-穿梭油輪滿載時，由于FPSO主尺度大而穿梭油輪主尺度小，半載時FPSO與滿載時穿梭油輪的吃水深度比較接近，水動力特性差異性小，外輸系統在這種情況下的風險最低。圖8為2種裝載工況下FPSO的9根纜繩張力有義值。可以看出，FPSO半載工況時張力有義值明顯大于滿載工況。

圖7 不同裝載工況相對縱蕩運動時歷曲線Fig.7 Time history curve of relativesurge movement under different loading conditions

圖8 不同裝載工況FPSO纜繩張力有義值Fig. 8 Meaningful valuesof FPSOcable tension under different loading conditions

4 結 語

1）發現串靠布置時波浪作用下兩船存在水動力相互作用，迎浪狀態下FPSO對穿梭油輪有遮蔽效應，穿梭油輪對FPSO存在水動力干擾耦合的穿梭油輪的運動量值小于穿梭油輪單船，FPSO對穿梭油輪存在遮蔽效應；隨著間距的增大，水動力相互作用減弱。

2）通過統計分析FPSO與穿梭油輪的間距、海況、裝載工況等因素對運動響應及系泊系統載荷的影響，校核了FPSO的水平偏移量及系泊纜的安全系數，均滿足設計要求。兩船串靠間距為80 m 時，既能滿足外輸過程的安全要求，又能保證其經濟性。