环境条件对南海FPSO结构设计的挑战

钱 笠 君

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

南海作业的FPSO（浮式生产储油卸油装置）由于其处于台风高发海域，海况十分恶劣，船体所遭受的载荷远高于常规船舶，且作业水深较深，业主基于考虑，一般都采用内转塔式单点系泊系统。选取某一南海作业的15万吨级双壳双底FPSO为研究对象，其船长≈260m；船宽≈50m；型深≈27m；吃水≈18m；方形系数≈0.91。其环境载荷特点对于南海作业的FPSO而言具有一定的参考性。

主要研究风标效应对于目标研究FPSO载荷的影响，比较100a一遇与500a一遇、考虑敏感性与不考虑敏感性情况下的载荷差异，总结此FPSO总纵强度载荷与局部强度载荷的变化特点，进而讨论载荷差异对结构构件尺寸造成的影响。

1 浪向角分析

该FPSO采用的是内转塔式单点系泊，此类系泊形式的FPSO的特点是FPSO的朝向并不是如同多点系泊一样是固定的，而是如同风标在风中的运动一样随着风、浪、流合力方向的变化而不断绕着内转塔在变化的，将其称为风标效应。

该FPSO结构设计考虑船体结构时需要考虑FPSO在迎浪、斜浪及横浪等几种不同海况下所遭受的载荷，由于只有短期海况数据，结合FPSO所具有的风标效应的特点，就决定了FPSO在迎浪、斜浪、及横浪几种不同海况下进行短期预报时所使用的波高不同，需要考察FPSO在风、浪、流共同作用下船体与浪向之间夹角与波高的关系，从而确定船体在不同海况下所受的载荷及性能，并作为设计参数参与结构设计。

对于该FPSO的运动特点可作以下简化：对于任意一组确定的风、浪、流的组合，由经典力学可知必将有确定的合力，FPSO的朝向与这一合力的方向将趋于一致，所以FPSO的朝向可以确定，此时浪向与FPSO之间的夹角也可以确定（见图1）。以这种方式将潜在的风浪流组合进行计算就可以得出若干组风、浪、流组合及其对应的浪向角，从中提取出波高与浪向角，以浪向角为x轴，波高为y轴，将计算所得的点投影到x-y坐标轴上，可以得到若干个离散点组成的散点图，但是如果散点足够多的话就可以将这些散点最外延的点拟合成连续的曲线，或者最终可以得出完全覆盖这些散点的包络线，后者可以快捷地得到浪高与浪向角之间的关系（见图2）。其中每一点不仅代表FPSO在该迎浪角下所遭遇的波高，还可以通过该点找到该波浪的周期与其相对应的风和流的信息。

图1 风标效应

图2 迎浪角分析

如何确定或得到这些风、浪、流的组合，主要的两种方法是：根据实际海况数据或推荐公式确定风浪流关系。由于缺乏具体海域的海况数据，计算采用法国船级社基于经验公式的推荐做法，其主要思路是：在获得作业海域的风、浪、流的主极值的情况下，根据推荐做法将组合分为3大情况：风主控、浪主控及流主控，每个情况下对于风向、浪向及流向做不同的组合，除主控因素外其余因素按其方向之间的差值进行相应的折减，从而得到若干组风、浪、流组合（见表1）。

表1 风浪流组合方法

其中，V-H——风向和浪向的夹角；C-H——流向与浪向的夹角。

风、浪、流组合的折减系数见表2。

表2 风浪流折减系数

折减系数的意义是通过经验数据来考虑风、浪、流之间的关系。从计算方法上也可以看出，当风、浪两者之间夹角越小，则相应的折减系数越小。折减系数可以描述“大风大浪”之间密切关系，如在台风状态之下风和浪是基本同向的；而且也能说明在风小时，有事波浪来向与风向不同这一实际情况；而在南海，流相对于风浪而言是相对离散的，故表1中之所以流向与浪向偏离巨大，主要是由于南海特殊而复杂的水文情况所导致的。对于波浪周期，在实际情况中是与波高成一定关系的，在对波高进行折减的同时对于波浪周期进行调整（采用内插法、经验公式等），本文中采用经验公式根据波高推导波浪周期。

通过上述风、浪、流的组合方法，结合作业海域特定的100a一遇及500a一遇的风、浪、流数据，运用BV Ariane及HydroSTAR程序得到若干组（浪高，浪向角）散点，为了计算波浪载荷，设计一条包络线以覆盖住所有离散点，而这一包络线便可认为是这些海况下浪高与浪向角的关系（见表3、图3、4）。

需要特别注意的是，对于不同船型，不同的作业地点，这种关系是不同的，因为受风面积、船体方形系数、船舶的主尺度、单点的位置以及该海域所特有的风、浪、流之间的组合方式都会影响这种关系。

表3 迎浪角与波高之间的关系

图3 100a一遇迎浪角分析结果

图4 500a一遇迎浪角分析结果

风、浪、流在现实中是客观存在的，并不受FPSO浮体的影响，但是特定区域风、浪、流的情况却直接决定了浮体的朝向，因为浮体是可以以内转塔为中心在海中转动的，图2～4表示了FPSO在各个迎浪角下可能遭遇到的最大波高。在波浪波高较大的情况下，风力也较大，且来向基本一致，而流虽然与风浪的关系较离散，但对于船体影响较小，所以不管浪向一开始是来自哪个方向，最后在合力的作用下，FPSO会以内转塔为中心转动到迎浪的状态下，这样就说明了，对于FPSO而言，迎浪状态出现的最大波高要大于斜浪及横浪状态下最大波高。

在工程实践中，较为真实的浪向角分析对于优化结构重量起到了至关重要的作用。尽可能获取作业海域的相关风、浪、流信息，以生成图2及表2，由于是基于真实海况，所以其准确度及真实度是最高的。但是现实情况是缺乏当地的环境资料，只能借助于经验公式，生成图3、4及表3。由于经验公式的组合方法是针对某一类型（如亚热带海域、赤道海域、赤道风暴海域等），这种方法较为保守，但是对于结构重量的控制还是具有很大的作用。

2 波浪载荷计算

对于结构设计所需要的主要波浪参数为：1) 垂向波浪弯矩；2) 垂向波浪剪力；3) 水平波浪弯矩；4) 相对波面升高。选取计算满载、压载两种关键工况。除了加速度最大值出现在压载工况外，其他载荷最大值都出现在满载工况。对于波浪周期敏感性进行相关研究，除了要考虑（Hs，Tp）这一个波谱外，还需考虑（Hs,Tp-ΔTp）及(Hs,Tp+ΔTp)等若干组波谱。

通过计算100a一遇与500a一遇、考虑敏感性与不考虑敏感性4种海况下4种装载下的载荷，截取其最大值可以得到其载荷曲线沿船长分布。选取典型的垂向波浪弯矩与水平波浪弯矩比较（见图 5、6），对于垂向波浪弯矩、垂向波浪剪力而言，该FPSO对于波浪周期的敏感度较小；而对于水平弯矩、迎浪波面相对升高而言，该FPSO对于波浪周期表现出很强的敏感性，其中在100a一遇的海况下考虑敏感性所得的极值甚至要大于500a一遇的海况下不考虑敏感性所得的极值。仅就水平弯矩分析其原因：图6为水平弯矩在斜浪及横浪情况下的RAO（由于水平弯矩在斜浪及横浪达到最大，故而只讨论这部分RAO）及100a一遇、500a一遇波谱的谱峰周期，从中可以看出斜浪及横浪海况下水平弯矩RAO的固有周期大致在6～11s，远离100a一遇及500a一遇波谱的谱峰周期，当谱峰周期减小时，波谱都将向左即水平弯矩的固有周期方向移动（见图7），这样两者所叠加形成的响应谱将增大，最终的结果是500a一遇进行15%的周期敏感性分析导致水平弯矩增大21%，100a一遇增大19%。

图5 波浪垂向弯矩比较

图6 波浪水平弯矩比较

图7 水平弯矩敏感性示意

3 结构设计

通过上述方法可以获得100a一遇及500a一遇相对应的主要波浪载荷（见表4），而其他载荷都是一致的。FPSO结构是以满足这些主要波浪载荷参数为目标而进行设计的。

表4 主要波浪载荷参数

环境条件由100a一遇提高到500a一遇而导致环境载荷对于FPSO结构设计的影响主要体现在以下几方面：

3.1 总纵强度

FPSO总纵强度设计垂向波浪弯矩增大，从而导致货舱区纵向构件（特别是主甲板结构）尺寸要求提高：最小剖面模数要求由50m3增加到62m3；总纵强度垂向波浪剪力增大，从而大大提高了货舱区两端及货油舱横舱壁所在区域的外板、纵舱壁构件尺寸的要求；由于波浪垂向弯矩和剪力都显著增大，还导致货舱区底部结构、纵舱壁结构构件尺寸因屈曲强度的要求增大（见图8）。

3.2 货舱区舱段局部强度

设计水平波浪弯矩有较大幅度增加，导致货舱区外板结构构件屈曲强度的要求显著增加；设计波面相对升高大幅增大，提高了横向构件的局部强度要求，导致横向结构构件尺寸显著增大，局部剖面模数提高20%（见图9）。

图8 船底板屈曲强度

图9 横舱壁屈服强度

3.3 艏艉部结构

设计波面相对升高大幅增大，提高了艏艉部外板结构的局部强度要求，导致外板结构（主要是外板强肋骨和纵桁）尺寸有显著增大；构件剖面模数增加30%；同时也提高了艏艉部露天甲板的设计载荷要求，导致上述露天甲板结构尺寸明显增大。

3.4 特殊结构

船体梁变形和上部模块重心处的加速度都有所增加，导致上部模块支墩处支反力增大，从而增大了模块支墩及甲板下加强结构的构件尺寸要求；单点系泊载荷显著增大了超过50%，大大提高了转塔舱所在区域局部结构的构件尺寸要求；基于 500a一遇环境条件下的运动加速度值增大，导致火炬塔、外输设备、甲板克令等惯性力增大，从而提高了上述特殊结构局部强度要求，增大了局部结构尺寸。

3.5 钢料增加

粗略估算，由于设计环境条件标准从100a一遇提高到500a一遇，并计入考虑敏感性分析的影响，导致全船结构钢料重量增加约10%（≈2500t）。

4 结 语

对南海某FPSO的载荷做了简要的阐述，以及这些载荷对于结构设计的影响。由于南海FPSO工艺模块较轻，而海况较恶劣，最大静水弯矩与100a一遇垂向波浪弯矩的比值在1:1.4左右，所以波浪载荷对于FPSO船体结构影响是显著的。而垂向波浪弯矩100a一遇与500a一遇的比值在1:1.15左右，概率水平的提高直接导致了载荷的加大。此外，由于技术的进步，对于结构的考虑越来越细致，FPSO结构设计已由原先的总强度主导设计转向局部载荷主导设计：甲板处的总纵强度利用率只有85%而极限强度利用率只有92%，很多区域都是由于如横浪下相对波面升高，横向加速度、水平弯矩等横浪引起载荷而加强。可以看出浪向角分析与波浪载荷预报对于整个结构设计的重要性，浪向角分析至少使横向波高降低50%，这意味着由横浪而引起的载荷减小50%，对于结构设计的合理性这是至关重要的。而从迎浪角分析的结构可以看出只要风、浪、流三者是相匹配的，即处于同一概率水平之下，则其结果是相对相似的。此外在处理对波浪周期较为敏感的载荷时，不同的分析思路对于不同的载荷影响是不同的。随着研究的不断深入、规范的不断完善，载荷预报在结构设计中将会扮演越来越重要的角色，将是面对环境条件所带来的设计挑战时的关键所在。

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