西非海域环境条件下FPSO运动及载荷响应特性研究

杨 玥 王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

西非海域环境条件下FPSO运动及载荷响应特性研究

杨 玥 王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］针对在西非海域作业的某多点系泊30万吨FPSO，研究西非海域特定环境条件下的双向风浪及涌浪的联合作用对该FPSO运动及载荷响应的影响。文中基于三维势流理论对FPSO运动响应进行数值分析，并与试验值幅值响应算子（RAO）对比。利用双Ochi-Hubble谱的短期预报，论述FPSO在双方向风浪及涌浪作用下的运动幅值、加速度及载荷响应；论述涌浪方向对运动及载荷响应的影响，并考虑涌浪周期敏感性的影响，对FPSO运动加速度、幅值、波浪弯矩、波浪剪力进行数值分析；总结了FPSO在双方向风浪及涌浪作用下运动及载荷响应根据浪向的变化特点，以及FPSO波浪载荷受风浪和涌浪周期敏感性影响的特点，为西非FPSO后续的结构设计提供参考。

［关键词］西非海域；双方向风浪及涌浪；运动及载荷响应；敏感性分析

引 言

随着目前国际市场对石油天然气资源的需求越来越高，西非海域作为海洋油气资源开发的主要热点地区之一，也日益受到重视。其中在西非海域的安哥拉深水区，已经发现36个油气田，并还在增加。由于FPSO生产系统投产快、投资低、储油能力大、抗风浪环境能力强、应用灵活、经济性和适用性都较好，在西非海域得到了广泛应用［1］。目前西非海域主要的FPSO应用分布如图1所示，主要集中在安哥拉、几内亚等区域，并有较多的FPSO都用于水深大于500 m的环境条件下，系泊主要采用多点系泊方式。

图1 西非海域FPSO应用分布

由于西非海域内存在能量较大的长周期涌浪与短周期风浪的共同作用，因此较其他海域的波浪条件有明显区别。国内外很多学者通过实测数据或数值模拟的方法，探索西非涌浪和风浪的特点及其对浮式平台的影响。Violante［2］、Nerzic［3］等通过大量实测数据发现西非海域涌浪对风浪的产生没有明显影响，并分别提出涌浪的能量模拟方法及环境数据库；Elzbieta［4］通过研究提出在西非环境下，需要双峰谱模拟风浪及涌浪；Zhao和Wu［5］提出引入两个控制波浪谱参数以模拟涌浪和风浪并研究作用在FPSO上的极限波浪载荷等。

本文以一艘作业于西非安哥拉深水海域下的多点系泊30万吨FPSO为研究背景，对西非海域的风生浪、涌浪进行详细研究并总结其特点，利用三维势流理论对FPSO的运动响应进行数值分析并与试验值对比，利用双波浪谱模拟并分析FPSO风浪和涌浪联合分布下的运动及载荷响应，进行FPSO对涌浪方向及周期变化的敏感性分析，为后续FPSO的结构设计提供依据。

1 西非海浪条件概述

西非海域的海浪特性较为特殊，与中国南海海域基本由风浪主导的典型特性不同，西非海域的波浪主要包括风生浪及涌浪，两种波浪的组合较为独立，可以同时存在不同方向、不同有义波高与周期的风浪和涌浪。涌浪作为西非海域的主要波浪成分，波高条件相对较温和，以安哥拉某区块海域为例，涌浪的百年一遇有义波高仅为4.5 m，但其周期相对较长，90%都集中在14.9 ～ 18.8 s之间，涌浪的方向和形状也较固定，因此该海域的涌浪能量相对集中在一定方向范围内的低频区域；而风浪的不规则性比较强。西非海域这种特殊的涌浪现象， 会导致更深层水粒子的运动，可能对FPSO这种大面积船底的浮体作用产生较大响应［6］，因此在设计阶段应予以重视。

本文以西非海域安哥拉某区块为例进行分析，当地的环境参数见表1。

表1 西非环境条件参数

2 FPSO运动响应数值分析及试验数据对比

以某30万吨FPSO为研究对象，其主尺度如下：水线间长LWL为304.0 m、型宽B为62.8 m、型深D为33.2 m、设计吃水T为23.2 m、方形系数 Cb为0.938。利用BV船级社的HydroSTAR软件对该FPSO进行运动响应数值分析，得到六自由度运动幅值响应算子（RAO）。三维边界元模型如图2所示，水动力性能计算时所取坐标系定义见图3。

图2 三维边界元模型

图3 水动力性能分析的坐标系及波浪方向定义

图4 FPSO幅值响应算子（横摇90°）

图5 FPSO幅值响应算子（垂荡90°）

图6 FPSO幅值响应算子（纵摇0°）

将计算结果与参考的试验数据（白噪声试验）对比［7］，发现两者吻合较好，如图4 -图6所示。通过RAO结果可以看出，较之升沉运动，纵摇和横摇运动的响应频率与西非涌浪的频率较接近，预报得到的纵摇和横摇运动响应较大，且对于涌浪周期变化较敏感。通过对FPSO运动RAO数值分析结果及白噪声试验数据的拟合，确定了该运动分析结果较可靠，可以继续进行波浪载荷RAO的分析求解。

求解FPSO的运动方程后，即可求解并得到各目标剖面的波浪载荷RAO，以RAO幅值最大的剖面为例，其垂向弯矩My、垂向剪力Fz及水平弯矩Mz的RAO结果见下页图7 -图9。

3 双方向风浪及涌浪下运动及载荷谱分析

图7 截面垂向弯矩RAO （x = 146.0 m = 0.48L）

图8 截面垂向剪力RAO （x = 45.0 m = 0.15L）

图9 截面水平弯矩RAO （x = 156.0 m = 0.51L）

针对西非风浪和涌浪同时存在的水文特征，需要选择合理的波浪谱对FPSO运动及载荷进行谱分析。就波浪能量而言，不能忽略涌浪作为西非海域影响船体运动及波浪载荷大小的主控因素，因此在进行西非海域运动及波浪载荷研究时，需要考虑各方向风浪和涌浪的联合作用。多点系泊FPSO受双向风浪和涌浪作用示意图，以及谱分析时的波浪方向定义见图10。

图10 多点系泊FPSO受双向风浪、涌浪作用及谱分析时的波浪方向定义示意图

进行FPSO运动及载荷谱分析时，结合西非海域波浪能量特点，本文分析中以两个Ochi-Hubble波浪谱分别模拟西非海域的涌浪和风浪。Ochi-Hubble波浪谱的谱密度函数如下［8］：

式中：ω为圆频率（rad/s）， Hs为有义波高， ωp为峰值圆频率，λ为谱形状因子。

由于涌浪作为西非海域的主导波浪，因此考虑涌浪和风浪在不同角度下的组合时，指定涌浪角度（即涌浪与船首夹角），风浪在0°～ 360°范围变化（间隔15°），分析考虑以下七类组合，见表2。

表2 涌浪及风浪组合工况

以西非海域百年一遇的风浪和涌浪的组合作为FPSO生存工况下的环境条件，以涌浪0°（谱分析中表示船首迎浪）、风浪45°为例，该组合下的波浪谱如图11所示。

图11 西非海浪谱密度函数（双O-H谱，涌浪方向0°，λ1= 6.0；风浪方向45°，λ2= 1.0°。）

利用这种双Ochi-Hubble波浪谱，对水动力分析中得到的FPSO运动及载荷响应RAO进行谱分析，可以得到FPSO在西非百年一遇环境条件下运动及载荷预报值。表3列出了只考虑涌浪或风浪以及以双O-H谱考虑涌浪和风浪联合作用的FPSO运动幅值、加速度以及波浪载荷预报最大值的对比。

表3 FPSO运动及载荷响应预报值对比

通过对FPSO在风浪及涌浪联合作用下的运动响应波浪载荷预报结果对比分析发现：对于FPSO的运动，涌浪是主控条件。这是由于涌浪的周期与横摇、纵摇及升沉的响应幅值周期较接近，波浪能量较大。对于垂向波浪载荷，由于同样的原因，涌浪造成的载荷也占较大比重；而对于水平弯矩，其响应幅值周期位于风浪和涌浪周期之间，风浪和涌浪造成的载荷大体相当。因此，进行FPSO波浪载荷分析时，风浪也有不可忽略的作用，考虑不同方向风浪和涌浪的联合作用是必要的。

4 涌浪方向对FPSO运动及载荷响应的影响

由于涌浪的能量主要集中在低频范围，波长相对较长，对于FPSO这类船长尺度较大的船，由第2节的运动及载荷RAO结果可以看出，涌浪周期与其运动及波浪载荷幅值周期较接近，因此FPSO的运动及波浪载荷分布都会受到涌浪方向及周期的显著影响。表4列出了西非百年一遇环境条件下，FPSO遭遇不同主导涌浪方向下的运动幅值及加速度的对比值，该值为涌浪方向一定、风浪方向在0°～ 345°内变化的预报结果最大值。图12 -图14分别给出了不同主导涌浪方向下波浪载荷预报值及规范值的对比结果。

表4 不同主导涌浪方向下FPSO运动幅值及加速度对比值

图12 不同主导涌浪方向下垂向弯矩分布

图13 不同主导涌浪方向下垂向剪力分布

图14 不同主导涌浪方向下水平弯矩分布

以上结果验证了涌浪方向对于FPSO运动及载荷响应均具有较大影响。横摇及升沉运动幅值及加速度均随着涌浪与船首夹角增大而迅速增大。波浪载荷也随涌浪方向改变而变化显著，涌浪为0°时出现最大垂向弯矩和剪力，但由于西非环境较为温和，因此各波浪载荷均小于规范值。

根据西非涌浪和风浪的分布统计资料，涌浪浪向主要集中在一定角度范围内，而风浪分布则跟季节风向相关。针对西非这种环境特性，FPSO在多点系泊设计时，可以涌浪方向为主要迎浪方向，将涌浪控制在一定角度迎浪范围内，以达到控制并减小其运动响应的目的，确保FPSO的使用及安全性。

5 涌浪周期敏感性对FPSO运动及载荷响应的影响

由前几节的分析发现，由于涌浪的周期较长，与FPSO运动及载荷的RAO峰值周期较接近，是造成FPSO运动及载荷响应的主导因素。将涌浪的周期范围扩大15%，研究涌浪周期敏感性对FPSO运动及载荷响应的影响。表5及表6分别列出了FPSO运动幅值及载荷响应随涌浪周期变化的预报极值。30万吨FPSO进行运动及波浪载荷响应分析，得出以下主要结论：

表5 FPSO运动幅值随涌浪周期变化极值

表6 FPSO波浪载荷随涌浪周期变化极值

（1）通过FPSO运动数值分析结果与试验结果的拟合和对比，得到了较可靠的运动响应及载荷响应幅值算子（RAO）以及响应幅值周期。

（2）以双波浪谱模拟西非海域双方向风浪及涌浪的联合作用，可以较准确反映西非海域的海况特点。涌浪是造成FPSO运动及载荷响应的主导因素，但对于波浪载荷的预报分析，风浪也有不可忽略的作用，考虑不同方向风浪和涌浪的联合作用是必要的。

（3）涌浪的方向和周期敏感性对FPSO运动及载荷响应影响较大，在进行西非海域波浪载荷设计分析时，需要结合FPSO载荷响应峰值周期对涌浪周期进行敏感性分析。

由以上分析结果可以看出：对于FPSO的运动响应来说，横摇和纵摇的响应幅值周期都在17 s附近，而升沉的响应幅值周期在14 s附近，因此扩大涌浪周期范围后，当涌浪周期朝着远离其运动固有周期变化时，其运动响应相应减小；反之则迅速增大，如减小涌浪周期后，横摇和纵摇运动都相应减小，而升沉运动则增大。对于FPSO的波浪载荷来说，也体现了同样的特点：垂向波浪弯矩和剪力随着涌浪周期远离其响应幅值周期（17 s附近）而变小；而水平弯矩则随着涌浪周期靠近其响应幅值周期（14 s附近）而增大。

由以上分析可知，FPSO运动及载荷响应对于涌浪周期的变化较敏感。在进行西非海域的结构载荷分析时，需要结合FPSO运动及载荷响应幅值周期进行涌浪敏感性分析，才能得到较可靠的运动及载荷响应结果，确保FPSO设计的安全。

［参考文献］

6 结 论

［1］ 张磊. 西非涌浪环境下浮式平台水动力特性［D］. 上海：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，2012.

［2］ N. Violante-Carvalho， F.J. Ocampo-Torres， I.S. Robinson，Buoy observations of the influence of swell on wind waves in the open ocean［J］. Applied Ocean Research， Volume 26， Issues 1-2， February-April 2004， Pages 49-60.

［3］ Nerzic C R，Frelin M. Prevosto V. Quiniou-Ramus， 2007. Joint distributions of Wind/Waves/Current in West Africa and derivation of multivariate extreme I-FORM contours ［C］//Proc. of ISOPE 2007， Lisbon， Portugal.

［4］ Elzbieta M. Bitner-Gregersen， Alessandro Toffoli， 2009. Uncertainties of wind sea and swell prediction from the Thorsethaugen spectrum［C］//Proc. of OMAE 2009，Hawaii， America， OMAE 2009-80261.

［5］ Zhao Chun-tian， Wu Jer-Fang， 2002. Determination of Extreme Wave Loads on an FPSO in Complicated Wave Conditions［C］//Proc. of ISOPE 2002， Kitakyushu，Japan.

［6］ J.M.J. Journée and W.W. Massie， Offshore hydromechanics ［M］. Delft University of Technology.

［7］ 彭涛. 西非多点系泊FPSO、立管及原油外输装置模型试验研究报告，国家科技重大专项， 2012.

［8］ Starspec User Guide［R］. 2012.

本文通过对某一作业于西非海域的多点系泊

［中图分类号］U661.1

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0021-07

［收稿日期］2014-10-20；［修回日期］2014-11-23

［作者简介］杨 玥（1988-），女，硕士，工程师，研究方向：船舶与海洋结构设计与研究。王 璞（1977-），男，硕士，高级工程师，研究方向：船舶与海洋结构设计与研究。

Investigation on wave-induced motion and load response performance of FPSO in Offshore West Africa

YANG Yue WANG Pu

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：The investigation on wave-induced motion and load response is conducted for a multi-point moored 3 00 000 t FPSO in bi-directional wind-sea and swell Offshore West Africa （WOA）. It carries out the numerical analysis of the motion response of FPSO by the 3D potential theory and compares with the tested RAO. By the two Ochi-Hubble wave spectrums for a short-term forecasting， this paper discusses the motion amplitude，acceleration and load responses of FPSO in the bi-directional wind-sea and swell， and numerically analyzes motion acceleration， amplitude， wave bending moment and wave shearing force of FPSO with consideration of the infl uence of the swell direction and sensitivity of swell period. It summarizes the characteristics of motion and load responses of FPSO in the bi-directional wind-sea and swell with varied wave direction and its reaction to the sensitivity of swell period， which can provide references for the further structural design of FPSO in WOA.

Keywords：Offshore West Africa； bi-directional wind-sea and swell； motion and load response； sensitivity analysis