FPSO水动力特性及系泊系统载荷特性分析方法研究

赵　珂　罗　昆　李盈盈

（1.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆　400074；2.中集船舶海洋工程设计研究院，上海　201206；3.中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所，四川　成都　610041）

FPSO水动力特性及系泊系统载荷特性分析方法研究

赵珂1罗昆2李盈盈3

（1.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆400074；2.中集船舶海洋工程设计研究院，上海201206；3.中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所，四川成都610041）

为保证海上油气生产储油装置FPSO能够抵御百年一遇的恶劣海况，其水动力特性及系泊系统载荷特性的研究就显得十分必要。基于此，利用ANSYS-AQWA的频域模块AQWA-LINE预报了FPSO水动力系数和运动响应，并采用模型做静水衰减的数值实验获得了横摇阻尼系数；利用时域模块AQWA-DRIFT对FPSO船体和系泊系统进行耦合数值分析，计算了内转塔单点系泊定位下FPSO运动性能和系泊缆的张力特性。最后采用论文中提出的分析方法，在最新统计数据下，评估了某FPSO能否抵御百年一遇海况。

FPSO；系泊系统；水动力特性；耦合数值分析

近年来，陆地资源日渐减少，海上油气资源开发越来越受到各国关注，FPSO系统（Floating Production，Storage and Offloading System）是当今热门的海上油气处理设施，集油气处理、储油、卸油、发电、中控和生活为一体。FPSO通过单点系泊系统长期固定于海上进行作业，因此它既有油轮的特点又具有固定式平台的功能［1］。它不像一般船舶那样，在遇到恶劣风浪时可以避航。因此，正确地给定海洋环境条件以及准确地分析FPSO系泊系统载荷特性显得十分重要。

在中国南海作业的“海洋石油115”号于2008年5月正式投产。海洋环境条件引起的载荷包括波浪载荷、风载荷及流载荷等，对浮体运动时历的模拟和系泊系统的强度分析成为工程上重点关注的问题，因此需要发展完全耦合的水动力时域数值分析模型［2］。现阶段，重现期为100年的环境参数要远大于设计的条件极值，其单点系泊系统的强度能否保证FPSO抵御最新统计数据下百年一遇海况成为不容忽视的问题。

本文借助水动力软件AQWA中频域模块AQWALINE，采用三维势流理论，对“海洋石油115”号进行数值计算，得到各个频率下的附加质量和阻尼系数，各个频率和浪向下的一阶、二阶传递函数等水动力参数，建立频域下的水动力参数数据库，进而用于后续采用时域方法研究FPSO船体的水动力性能。采用模型静水中自由衰减数值实验的方法得到了横摇阻尼系数。利用水动力软件AQWA中时域模块AQWA-DRIFT，对FPSO及其系泊系统进行耦合时域数值分析，模拟计算了在风浪流联合作用下，内转塔单点系泊定位的FPSO船体运动性能和各系泊线的受力情况，并根据《CCS海上移动平台入级与建造规范》［3］对其系泊系统进行了强度校核。

1　理论模型与计算方法

1.1坐标系系统

为了便于描述船舶运动，引入右手坐标系O-XYZ，原点位于艉垂线与基线的交点，X轴平行于船体基线指向船艏，Y轴与X轴相垂直并指向左舷，Z轴竖直向上。

风浪流方向是根据风浪流方向角来确定的，风浪流方向角是指坐标系X轴正向逆时针旋转到风浪流传播方向所形成的夹角。其中，随浪方向为0°，迎浪方向为180°。

1.2风载荷和流载荷计算方法

《CCS海上移动平台入级与建造规范》中关于构件上的风载荷计算的公式为：

式（1）中，V为设计风速，m/s；S为平台在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积m2；Ch为受风构件的高度系数；Cs为受风构件的形状系数。

构件上的海流载荷计算公式如下：

式（2）中，CD为曳力系数；ρW为海水密度，kNs2/m4；V为设计海流流速，m/s；S为构件在与流速垂直平面上的投影面积，m2。

1.3二阶波浪力

二阶力［4］表达式为：

式（3）中，Pij为同相位的时域传递作用部分，Qij为不同相位的时域传递作用部分。当忽略了频域的结果后可以得到：

纽曼近似条件为：

基于以上近似条件的式子可以写为：

式（7）中，wi、wj为每一对波浪成分的频率；ai、aj为波浪成分的幅值；εi、εj为辐射相位角。

2　计算模型

2.1FPSO主参数

本文计算的“海洋石油115”号具体参数和装载工况见表1。本文利用AQWA软件进行频域和时域计算所使用的“海洋石油115”号湿表面网格模型见图1。

表1　“海洋石油115”主参数T

2.2系泊缆索主参数及系泊缆索分布位置

“海洋石油115”号所使用系泊缆索为锚链和钢芯钢丝绳交替相接，锚泊系统具体参数见表2。图2中给出“海洋石油115”号系泊系统各系泊缆分布位置及编号，系泊缆每3根为一组，每根锚链之间夹角为5°，系泊缆一共3组，各组之间夹角120°。

表2　系泊系统主参数

图2　系泊缆索分布位置示意图

图3　静水中横摇运动自由衰减曲线

2.3横摇阻尼修正系数

由于黏性和涡流等因素的影响，实际上船舶横摇阻尼力矩具有明显的非线性，而按势流理论计算的行波阻尼只是其中的一部分。为了合理地预报船舶横向运动，必须考虑横摇阻尼的非线性，并对其进行等价线性化处理。

在计算中增加附加横摇阻尼即可考虑横摇阻尼的非线性，并且利用三维线性势流理论解决时域问题。利用ANSYS-AQWA软件对模型进行静水衰减数值试验［5］，使附加横摇阻尼达到临界阻尼的5%～10%，即可完善对横摇阻尼非线性的考虑。图3为静水中横摇运动自由衰减曲线，本文计算所填入的附加横摇阻尼为临界阻尼的5.23%。

2.4环境参数

近年来，中国南海极限海况环境参数要比设计初期极限海况环境参数恶劣，根据实际测得百年一遇海况参数设定计算工况。实际测得海况数据中有分别对应压载状态、中等装载状态、满载状态的百年一遇海况参数，由于FPSO作业时处于中等装载状态的工况比较多，因此选定中等装载状态作为主要计算目标，根据实际作业FPSO所经历的海况条件设定了20种中等装载状态下的计算工况，见表3。

表3　中等装载状态下计算工况

3　计算结果

3.1频域计算结果（RAO）

以中等装载状态为例，对FPSO进行频域分析得到FPSO船体运动幅值响应、附加质量、附加阻尼等数据作为时域内船体/系泊系统耦合分析的准备数据，其中FPSO船体运动幅值响应结果见图4～9。

图4　纵荡运动幅值响应

图5　横荡运动幅值响应

图6　垂荡运动幅值响应

图7　纵摇运动幅值响应

图8　横摇运动幅值响应

图9　艏摇运动幅值响应

3.2风流载荷曲线

根据本文提出的公式，计算FPSO风力系数和流力系数，由于FPSO形状比较规整，近似认为流作用力作用于重心位置，因此流力曲线中没有流载荷力矩的项。如图10、11所示为风力系数曲线和流力系数曲线。

图10　风力系数曲线

图11　流力系数曲线

3.3系泊系统强度校核

利用AQWA-DRIFT模块对FPSO与系泊系统进行耦合时域分析，可以得到锚链张力随时间变化曲线，图12以工况17中第4根锚链为例给出锚链张力随时间变化曲线。

锚链张力最大值取锚链张力时历曲线中最大值，锚链张力许用值根据《CCS海上移动平台入级与建造规范》中对锚缆安全系数的规定，取为2.0。钢芯钢丝绳最小破断力为1 735t，因此许用张力值为867.5t，将锚链张力最大值与许用张力值相比较，实现从锚泊系统强度方面评估FPSO能否抵御百年一遇海况。

各工况下锚链张力最大值见表4。由表4计算结果可知：在中等装载状态下，计算工况中各锚链最大张力值均未超过许用值，因此在中等装载状态下，“海洋石油115”号能够抵御现阶段百年一遇海况。

图12　锚链张力时历曲线

4　结语

对于FPSO水动力特性及其系泊系统载荷特性的问题，提出了利用ANSYS-AQWA软件进行频域和时域分析的方法，该方法适用于各种海况下对FPSO与其系泊系统耦合时域数值分析。基于最新统计数据，计算得出“海洋石油115”号系泊系统能够抵御百年一遇海况。本文提出了对模型进行静水衰减数值试验的方法来处理横摇阻尼修正系数的问题，操作简便，计算准确。

表4　各工况下锚链张力最大值　t

［1］魏跃峰.浮式钻井生产储油轮_FDPSO_水动力性能及概念设计研究［D］.上海：上海交通大学，2012.

［2］肖龙飞.FPSO水动力研究与进展［J］.海洋工程，2006 （11）：116-124.

［3］中国船级社.CCS海上平台入级与建造规范［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］刘应中，黄庆玉.系泊系统动力分析的时域方法［J］.上海交通大学学报，1997（11）：7-12.

［5］马山，段文洋，王冰，等.三体船在斜浪规则波中运动响应预报方法研究［J］.水动力学研究与进展A辑，2012（2）：224-230.

Research on the Analysis Method of FPSO Hydrodynamic Characteristics and Load Characteristics of Mooring Systems

Zhao Ke1Luo Kun2Li Yingying3
（1.School of Shipping and Naval Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074；
2.CIMC Ocean Engineering Design&Research Institute，Shanghai 201206；
3.Chengdu Aircraft Design and Research Institute，Aviation Industry Corporation of China，Chengdu Sichuan 610041）

To ensure the safety of FPSO working in the ocean under hundred-year extreme conditions，it is very necessary to research on the hydrodynamic characteristics and load characteristics of mooring system. Based on this，frequency domain program AQWA-LINE of software ANSYS-AQWA was used to forecast FPSO hydrodynamic coefficients and the response of motion.Roll damping coefficients were obtained by numerical simulations of decay test in still water.The time domain program AQWA-DRIFT was used to analyze the coupling effect of FPSO hull and mooring system.The motion performance of FPSO with single point mooring positioning and tension properties of mooring line were calculated.Finally，the analysis method proposed in this paper was used to evaluate whether the FPSO could resist the hundred-year extreme conditions based on the latest statistics.

FPSO；mooring system；hydrodynamic characteristics；coupled numerical analysis

TE975

A

1003-5168（2016）05-0041-06

2016-04-08

赵珂（1988-），女，硕士，助教，研究方向：结构物水动力特性，流固耦合。