一种新型复合系缆对单点系泊FPSO水动力性能的影响分析

朱 敏 ， 于明明 ， 庄丽茗

(1 中国船级社南京分社， 南京 210011； 2．中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司， 辽宁 抚顺 113015)

一种新型复合系缆对单点系泊FPSO水动力性能的影响分析

朱 敏1， 于明明2， 庄丽茗2

(1 中国船级社南京分社， 南京 210011； 2．中国石油天然气股份有限公司抚顺石化分公司， 辽宁 抚顺 113015)

以胡克定律及复合系缆在力的作用下不同组成成分伸长量相同为出发点，计算出新型复合系缆的轴向刚度。应用三维势流理论以及非线性时域耦合的方法，研究以新型复合系缆作为系泊系统时FPSO的水动力性能，并与“钢链-钢缆-钢链”、“钢链-聚酯缆-钢链”等传统复合系缆作对比。研究表明：新型复合系缆水动力性能优异，经济性能良好，为FPSO单点系泊系统的设计和研究提供有效参考。

胡克定律；时域耦合；新型复合系缆；FPSO水动力性能

0 引言

浮式生产储油卸油装置(FPSO)主要由上部模块、船体及系泊系统三部分组成，其中系泊系统为FPSO提供恢复力以抵抗风浪流等环境载荷的作用，是FPSO能否在某一海域正常生产作业的关键因素。

随着水深的增加，系泊系统重量、制造成本及其展开和回收作业的难度都急剧增大， FPSO油舱容量和系泊系统所能提供的恢复力相应减小，这些都为系泊系统的设计带来了巨大挑战。

唐友刚、张素侠等人认为“钢链-尼龙缆-钢链”半张紧系泊方式，既减轻系泊系统重量，又提供足够水平恢复力，经济性能优越，更适合深海平台的需要[1]。乔东升、欧进萍利用数值模拟的方法对比分析了“钢链-钢缆-钢链”和“钢链-聚酯纤维-钢链”这两种不同的复合系缆的自振频率、复合刚度和锚泊阻尼[2]。但关于两种材料混合在同一段系缆的新型复合系缆对FPSO水动力性能影响的研究甚少，该文将开展复合系缆的相关研究工作。

1 理论基础

1.1 频域分析

以三维势流理论[3]为基础，将流场中的总速度势分为入射势、绕射势以及辐射势，并满足Laplace方程、自由面条件、海底条件、物面条件以及辐射条件。采用格林函数法[4]，求得速度势，进而得到附加质量、附加阻尼、一阶波浪力传递函数、波浪漂移力传递函数、运动响应幅值响应算子等水动力参数。

1.2 时域分析

得到上述水动力参数，通过傅里叶变换及Cummins[5]脉冲理论进行时域分析，其低频运动方程[6]为：

(1)

(2)

(3)

1.3 胡克定律

材料在弹性变形范围内，力与变形成正比的关系[7]：

(4)

式中：E为材料的弹性模量；A为构件的截面面积；P为构件受的力；L为构件总长。

2 研究对象及环境条件

该文以一艘20万吨级单点系泊FPSO为研究对象，利用SESAM进行非线性时域耦合分析,图1为FPSO水动力面元模型。采用内转塔式系泊，内转塔位置距船首距离为船体垂线间长的15.7%。系泊系统由三组总共9根组成，同一组系缆间夹角为5°,不同组间夹角120°(如图2所示)。表1为20万吨级FPSO主要参数，表2 为海洋环境参数。

表1 20万吨级FPSO主要参数

表2 海洋环境参数

图1 FPSO水动力面元模型

图2 系泊系统布置 图3 FPSO及系泊系统耦合分析模型

3 计算结果及分析

在FPSO运动响应分析中，低频运动即纵荡、横荡、首摇相对于垂荡、横摇、纵摇响应更大，对于系泊系统张力和船体结构动力响应产生更大的影响，所以该文将详细分析新型复合系缆对低频运动响应的影响。

3.1 新型复合系缆材料属性计算

该文设计的新型复合系缆其结构采用多股索形式，即金属股与新型材料配合形成整根系缆结构。在水动力计算中，新型材料系缆主要需要考虑的因素有：系缆直径、湿重、轴向刚度及破断强度等，相关参数的推导需要结合各组成材料的属性及其所占的比例。该设计中选用的金属材料为钢缆，新型材料为聚酯缆，且所选用的比例为钢缆和聚酯缆各占50%，

根据所选材料，钢缆E1=117 GPa，聚酯缆E2=13.2 GPa，代入上式得到E3=65.1 GPa，所设计新型系缆直径为175 mm，计算得到对应轴向刚度为1 565.4 MN，如表3布置一所示。表3中的布置二、布置三分别代表“钢链-钢缆-钢链”、“钢链-聚酯缆-钢链”这两种传统的复合系缆。

表3 复合系缆系泊系统系缆参数

3.2 新型复合系缆与传统复合系缆“钢链-钢缆-钢链”对比

分别以设计的新型复合系缆和传统的“钢链-钢缆-钢链” 复合系缆作为FPSO的单点系泊系统，进行时域耦合分析，得到低频运动时历曲线如图4所示，表4给出了低频运动响应的统计值。

图4 两种不同系缆对应FPSO低频运动响应

由图4及表4得出，相比于传统的“钢链-钢缆-钢链” 复合系缆组成的系泊系统，新型复合系缆构成的系泊系统对应FPSO的纵荡、横荡、首摇最大值分别增大8.4%、15.8%、17.5%，即传统复合系缆水动力性能略优于新型复合系缆。但钢链、钢缆、聚酯缆材料单价分别为15 000元/吨、6 000元/吨、8 000元/吨，计算可得新型复合系缆总造价为传统复合系缆的91.2%，即在水动力性能都复合规范的前提下，新型复合系缆经济性能更为优异。

表4 两种不同系缆对应FPSO低频运动响应统计值

3.3 新型复合系缆与传统复合系缆“钢链-聚酯缆-钢链”对比

分别以新型复合系缆和传统的“钢链-聚酯缆-钢链” 复合系缆作为FPSO的单点系泊系统，进行时域耦合分析，得到低频运动时历曲线如图5所示，表5给出了对应低频运动响应的统计值。

图5 两种不同系缆对应FPSO低频运动响应

由图5及表5得出，相比于传统的“钢链-聚酯缆-钢链” 复合系缆组成的系泊系统，新型复合系缆构成的系泊系统对应FPSO的纵荡、横荡、首摇最大值减小到原来的59.8%、47.6%、40.2%，即极大地改善了FPSO的水动力性能，更有利于FPSO在工作海域正常的生产运营。

4 结论

该文设计一种新型复合系缆，并与“钢链-钢缆-钢链”、“钢链-聚酯缆-钢链”等传统复合系缆水动力性能作对比，得出如下结论：

表5 两种不同系缆对应FPSO低频运动响应统计值

(1)对于自行设计的新型复合系缆的轴向刚度可利用胡克定律计算出新弹性模量，乘以受力截面面积得到；

(2)新型复合系缆作为FPSO单点系泊系统，与传统复合系缆“钢链-钢缆-钢链”形式相比，FPSO水动力性能相近，但经济价值更好；

(3)新型复合系缆作为FPSO单点系泊系统，与传统复合系缆“钢链-聚酯缆-钢链”形式相比，FPSO水动力性能更为优异，能更好的控制船体运动响应。

通过研究，进一步认识了复合系缆构成的多样性及其优良的水动力性能和经济性，为FPSO单点系泊系统的设计和研究提供有效参考。

[1] 唐友刚，张素侠等．深海系泊系统动力特性研究进展[J]．海洋工程，2008，26(1)：120-126．

[2] 乔东升，欧进萍．深水复合锚泊线动力特性比较分析[J]．船舶力学，2011，15(11)： 1290-1299．

[3] 戴遗山，段文洋．船舶在波浪中运动的势流理论[M]．北京：国防工业出版社，2008：63-90；173-186．

[4] Newman J N．Marine hydrodynamics[M]．The MIT Press，1977：102-131．

[5] Cummins W E．The impulse response function and ship motions[J]．Schiffstechnik，1962，9：101-109．

[6] 戴遗山．舰船在波浪中运动的频域与时域势流理论[M]．北京：国防工业出版社，1998．

[7] 倪櫵，李国清，钱勤．材料力学[M]．湖北：华中科技大学出版社，2006．

Investigation the Hydrodynamic Performance of Single Point Moored FPSO with a New Hybrid Line

ZHU Min1， YU Ming-ming2， ZHUANG Li-ming2

(1.Nanjing Branch of China Classification Society，Nanjing 210011，China；2.Fushun Petrochemical company of PetroChina Company Limited， Liaoning Fushun 113015，China)

Based on Hooke's law and the different components of the hybrid mooring line have same elongation in force, the new axial stiffness of hybrid mooring line had been calculated. The hydrodynamic performance of FPSO with single point moored system which the new hybrid was applied have been investigated, using Three-dimensional potential flow theory and nonlinear time domain coupled method, and compared with the hybrid line of " chain-rope-chain" and the hybrid line of " chain-polyester-chain". It is concluded that the new hybrid line have a good hydrodynamic performance, and the economic performance is perfect also. It is offer an effective reference during the design and research of single point moored FPSO.

Hooke's law; time domain coupled; new hybrid cable; hydrodynamic performance of FPSO

2013-12-25

朱 敏(1981-)，女，硕士研究生。

1001-4500(2014)04-0029-05

P756

A