极端海况下深水单点系泊系统FPSO运动响应分析

袁洪涛，曾 骥，莫 建，康 庄，王 超，王钰涵

(1.上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

(2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

随着全球变暖，极端气候环境现象越来越频繁，某些极端的风浪流环境已经超出了海上设施的极限能力.在科学理解极端工况，建立极端工况分析模型以及在确保工作人员安全的前提下，正确评估船体的实际抗风浪流能力，减少船体结构的损坏，防止海洋污染是目前急需解决的问题.

FPSO在生命周期内都固定在目标海域，即使在百年一遇的极端海洋环境，也不会解脱进行避航作业，所以在各种海洋环境条件对FPSO的运动性能和系泊系统总体性能的预报也势在必行.目前，有关极端海况条件下海上浮体运动响应的文献并不是很多，而且大多集中在百年一遇的工况.文献［1］中分析了百年一遇极端工况下FPSO系泊系统静态和动态响应.文献［2］中运用先静力在位分析，再利用海洋环境回归参数进行倒塌分析得到导管架平台在极限环境条件下的极限承载力.文献［3］中在时域分析时考虑系泊系统与FPSO的耦合作用，预报南海500年一遇季风和500年一遇台风极端海洋环境条件下的运动响应和系泊缆受力，并在试验水池进行FPSO在500年一遇台风和500年一遇季风条件下的模型试验，而且试验结果与数值结果吻合良好.文献［4］中对工作在墨西哥湾海域转塔系泊方式FPSO在百年一遇极端海况极端条件下的运动响应进行研究，分析了FPSO在百年一遇极端海洋环境中的运动性能以及系泊线受力.文献［5］中对塔系泊方式FPSO在线性和非线性环境条件的运动响应分别进行了数值和试验研究.文献［6］中研究了百年一遇的飓风环境中内转塔系泊的FPSO的运动响应，并且进行时域分析计算，得到了FPSO在飓风环境运动时历曲线.文献［7］中对单点系泊系统FPSO在瞬时风速可达50 m/s的暴风海况条件下的运动响应分析计算.文献［8］中采用时域耦合分析方法对单点系泊系统FPSO在914.4 m水池、1 828.8 m水池以及3 048 m水深的运动响应做分析研究，分析过程中考虑立管和系泊缆的耦合作用，并对不同阻尼系数对FPSO运动响应影响进行比较分析，研究结果表明建立全耦合FPSO数值模型是有必要的;文献［9］中定量分析了系泊系统不同参数对FPSO系统抵抗环境载荷能力的影响;文献［10］中采用理论结合试验的方法研究了试验过程中，不同的系泊缆参数对实验准确性的潜在影响;文献［11］中探究了布链形式、预张力对系泊系统整体的影响，提出了适合于环境载荷的大型集装箱船码头系泊形式.文中主要分析了500年一遇波浪主控环境条件下Nominal波峰Tp，95%Tp和 97% 有义波高 Hs，90%Tp和 92%Hs，85%Tp和87%Hs，500年一遇海况风主控环境条件，500年一遇海况流主控环境条件，为FPSO的基本设计和详细设计提供依据，用数值模拟的方法预报极端海洋环境下的运动响应和系泊系统总体性能，获得的结果对于今后海洋工程领域的研究具有参考意义.

1 锚泊系统的耦合分析

1.1 FPSO辐射绕射分析

在进行时域耦合分析之前，必须运用三维势流理论对平台进行辐射绕射分析.通过运动方程式(1)，求解在不同的波浪入射角和频率的规则波下平台的运动响应，即RAO.

式中:Ms为平台质量矩阵;Ma为平台附加质量矩阵;C为平台阻尼矩阵;Ks为平台总刚度矩阵;F为平台受到的波浪力矩阵;ω为入射波频率.

1.2 系泊线受力分析

AQWA软件采用基于悬链线法有限元法分析系泊线静态受力，具体的悬链线方程式见(2～5)，动态受力采用集中质量法.应用离散思想对系泊缆进行分段，段与段之间通过有质量的节点进行连接，段是没有质量的且被看作是刚体或者弹性体，同时假设系泊缆的重力、浮力、惯性力以及流体拖曳力等都集中作用于节点上，每段系泊缆的质量、附连水质量和流体拖曳力平均分配到每段两端的节点上.

式中:H为系泊线顶部水平张力;l为单位长度;V为系泊线顶部垂向张力;T为总张力;L为系泊线未变形的原长;AE为单位长度系泊线刚度;X为系泊半径;w为单位长度湿重;Z为系泊线的垂直高度.

1.3 时域耦合分析

浮体的水动力分析采用间接时域法、水动力计算软件AQWA基于三维势流理论，分别对浮体的幅值响应函数、一阶波浪力、波浪漂移力、附加质量和阻尼系数等水动力参数进行数值求解.得到水动力参数后应用傅里叶变换在全耦合分析软件OrcaFlex中进行时域分析.浮体运动方程可表示为:

式中:Ms为浮体质量;Ma为浮体附加质量;K为静水刚度;x(t)为位移矢量;h(t)为加速度卷积积分函数;F(t)为总的外部力，包含波浪激励力、系泊力、漂移力、阻尼力和定常力等.

最后利用全耦合的方法分析浮体及系泊缆的耦合运动，其运动方程为:

式中:M为系统惯性力矢量;C为系统阻尼力矢量;K为系统基于单元刚度的每一瞬时应力;F包括重力、浮力、系泊力、海洋环境力和一些特定的外力等.

2 FPSO系泊系统以及环境参数

2.1 FPSO系统参数

表1为15万吨FPSO具体参数.图1，2分别为FPSO有限元模型和系泊线布置方式，系泊线采用三段式结构，系泊线具体参数见表2.

表1 FPSO主尺度参数及属性Table 1 Principle dimension and properties of FPSO

图1 FPSO有限元模型Fig.1 Finite element model of FPSO

图2 系泊布置分布Fig.2 Mooring line arrangement

表2 15万吨FPSO系泊系统参数Table 2 Mooring system parameters of 150000 DWT FPSO

2.2 环境参数

验证15万吨单点系泊的FPSO在500年一遇极端海况条件下FPSO的运动响应以及单根系泊线张力响应.具体的环境工况如表3～6所示.表中:Hs为有义波高，Tp为波峰，θwα为波浪角度，Vwi为风速，θwi为风向，Vcu为流速，θcu为流向.

表3 500年一遇海况波浪主控环境条件Table 3 Environmental conditions under 500-year return period induced by wave

表4 500年一遇海况风主控环境条件Table 4 Environmental conditions under 500-yearreturn period induced by wind

表5 500年一遇海况流主控环境条件Table 5 Environmental conditions under 500-yearreturn period induced by current

表6 500年一遇海况波浪主控环境条件—95%Tp，97%HsTable 6 Environmental conditions under 500-year return period induced by wave(95%Tp＆97%Hs)

3 计算结果及分析

时域计算采用数值软件OrcaFlex，表7为500年一遇极端海况条件下FPSO的运动响应以及单根系泊线张力F响应，从图3～5中可以看出，500年一遇的海况环境下FPSO压载状态下运动响应幅值明显大于满载状态下的运动响应幅值，部分工况压载状态比满载状态下纵荡位移D超出100 m;环境条件为500年一遇海况风主控环境条件时，FPSO满载载况时比500年一遇海况流主控环境条件时要纵荡横荡值大，但是FPSO压载载况时要小.这是由于压载载况时，FPSO受风面积大，风对该FPSO影响比流的影响要大.由表8可以看出，不同Hs和Tp对FPSO动态响应影响也不一样，无论满载和压载载况，低的Hs和Tp都可以降低FPSO的纵荡和横荡值.当风浪流成夹角时，系泊线受力最大.

表7 极端海况条件下FPSO的运动响应以及单根系泊线张力Table 7 FPSO Motion response and mooring line tension under extreme sea conditions

图3 波浪主控环境结果对比Fig.3 Comparison results under wave dominate condition

图4 风主控环境结果对比Fig.4 Comparison results under wind dominate condition

图5 流主控环境结果对比Fig.5 Comparison results under current dominate condition

表8 500年一遇海况波浪主控环境条件不同Hs和Tp下FPSO的运动响应以及单根系泊线张力Table 8 FPSO motion response and mooring line tension under wave dominate condition

4 结论

1)应用大型水动力软件AQWA和OCRAFLEX对15万吨深水单点系泊系统FPSO在500年一遇海况风浪流各主控环境下进行了频域和时域分析，经过频域分析得到了RAO和QTF等一系列水动力参数.FPSO在极端的海洋环境中产生的大幅慢漂运动对FPSO的安全有着至关重要的影响，通过动态耦合分析，获得了FPSO在极端海况下的运动响应和系泊系统的总体性能.

2)FPSO压载状态下运动响应幅值大于满载状态下的运动响应幅值，不同的主控环境对FPSO的运动响应影响也不一样，波浪主控环境对FPSO运动的影响最大.风和流的影响与FPSO船型具体的风流系数关系密切.Tp和Hs对FPSO的运动响应幅值也有较大的影响且风浪流成夹角作用时对FPSO运动响应的影响更加明显.

3)风与流对锚泊线的影响相比于普通环境有较大程度的增强.波浪入射角的方向对系泊线的张力影响较大，满载状态下的系泊线最大张力又比压载状态下的系泊线张力大.

References)

［1］ 王宏伟，罗勇，孙丽萍.内转塔式FPSO截断技术及其总体响应［J］.天津大学学报，2010，43(11):989-990.Wang Hongwei，Luo Yong，Sun Liping. Truncation method of internal turret FPSO and its global response［J］.Journal of Tianjing University，2010，43(11):989-990.(in Chinese)

［2］ 熊卓，夏凡，黄诚.导管架平台极限环境下承载力分析［J］.中国水运，2013(12):186-187.

［3］ 郑翔.FPSO系统水动力混合模型试验研究［D］.黑龙江哈尔滨:哈尔滨工程大学，2012.

［4］ Baar J J M，Heyl C N，Rodenbusch G.Extreme respon-ses of turret moored tankers［C］∥Proc Offshore Technology Conference.Houston，Texas:［s.n.］，2000.

［5］ Ward E G，Irani M B，Johnson R P.The behavior of a tanker-based FPSO in Hurricane waves，winds，and currents［C］∥11th International Offshore and Polar Eng.Conference.［S.l.］:ISOPE，2001:650 -653.

［6］ Arcandra T，Nurtjahyo P，Kim M H.Hull/mooring/riser coupled analysis of a turret moored FPSO 6000 ft:comparison between polyester and buoys-steel mooring lines［C］∥Proc.11th Offshore Symposium.The Texas Section of the Society of Naval Architects and Marine Engineers.USA:SNAME，2002:1 -8.

［7］ Duggal A，Heyl C，Amir H，et al.Response of FPSO system to squalls［C］∥Proceedings of the ASME 2011 30th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering OMAE 2011.Rotterdam，The Netherlands，USA:ASME，2011:19 -24.

［8］ Wichers J E W，Devlin P V.Effect of coupling of mooring lines and risers on the design values for a turret moored FPSO in deep water of the Gulf of Mexico［C］∥Proceedings of the Eleventh International Offshore and Polar Engineering Conference Stavange.Norway:［s.n.］，2001:7 -22.

［9］ 王志东，刘晓健，陈剑文.FPSO系泊系统参数的动力效应影响分析［J］.江苏科技大学学报:自然科学版，2013，27(5):409 -418.Wang Zhidong，Liu Xiaojian，Chen Jianwen.Analysis of the influence of mooring system parameters on dynamic response of FPSO system［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2013，27(5):409 -418.(in Chinese)

［10］ 乔薛峰，肖龙飞，杨立军.截断系泊系统不同恢复力矩特性对于深水半潜式平台摇摆运动的影响［J］.上海交通大学学报，2014(4):450-456.Qiao Xuefeng，Xiao Longfei，Yang Lijun.Effect of moment characteristics of truncated mooring system on roll and pitch motions of semi-submersible platform［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，2014(4):450-456.(in Chinese)

［11］ 张鼎，黄维，俞赟.大型集装箱船码头系泊及抗台风计算分析［J］.船舶与海洋工程，2014(2):16-19.