渤海环境条件对FPSO运动及系泊响应的影响研究

李牧

（中海油能源发展采油服务公司天津300451）

渤海环境条件对FPSO运动及系泊响应的影响研究

李牧

（中海油能源发展采油服务公司天津300451）

环境因素是影响FPSO船体运动的主导因素，因此掌握环境因素对船体运动影响的基本规律，有利于作业者根据环境条件对船体运动情况做出大致判断，合理选择不同环境条件下的装配载措施。本文主要运用统计分析方法对渤海曹妃甸作业区112FPSO现场监测数据中的环境监测数据和船体运动监测数据进行研究，总结得到环境数据对船体运动、系泊响应之间的统计回归关系，从而为海上进行FPSO运动及系泊力快速预报提供理论支持依据。

FPSO运动；系泊响应；监测数据；统计分析；回归关系

1 引言

目前国内所应用的浮式生产储油装置(FPSO)均采用单点系泊系统，此种系泊系统可使得FPSO在海上作业时具备风向标效应，使其受到最小的系泊力。由于FPSO处于海上风浪多变的复杂环境之中，自身存储原油载重变化不断，加上FPSO连接外输油船对船体本身产生拉力，因此FPSO软刚臂系泊装置受力异常复杂[1-2]。近年来，海洋环境条件愈加恶劣，超强台风频频出现，频发的单点事故导致了严重的经济损失及社会影响。对FPSO软刚臂系泊系统进行实时、全面、长期的现场监测，实时掌握单点系泊系统的状态，是对系泊结构进行安全评估最有效的途径[3]。能够为作业者提供及时准确的系泊安全性信息，及时对单点潜在危险进行预警，确保单点系泊系统的安全生产。经过监测系统一段时间的运行，已经记录了一定的实测数据，这些数据的分析处理作为系泊在线监测系统的延续成为亟待研究的问题。

本文目标监测数据来源于位于渤海曹妃甸11-1/2油田的海洋石油112现场监测系统。监测内容主要包括：单点受力测量、环境监测和FPSO运动监测三个部分。通过对系泊监测数据的处理，研究并掌握实测数据的分析方法，研究环境对FPSO船体运动情况的影响，挖掘数据潜在的意义，并对日常生产及应急管理提供合理化建议，也可为上层决策提供科学依据。

2 理论基础

2.1 数据分析方法

海洋工程结构物在服役过程中，将不间断地遭受到各种条件海洋环境的作用。因此，海洋环境是影响海洋工程结构的安全服役的主要因素之一，没有对相应位置的特殊环境条件的清晰认识，海洋工程结构物设计将无从谈起。通常来讲影响海洋工程结构物设计的环境因素包括：风、浪、流等，在某些特定的区域，还应考虑内波、地震和海冰的影响。

2.1.1 风设计值

风设计值的获取与波浪设计值的获取方法相同。依靠足够次数的观察，建立经验分布函数。基于这些函数，修正韦布尔律或其他渐近律。通过外推，得出十年一遇、百年一遇等设计值。

风速的长期分布一般采用通用的分布函数或散布图来表示。除非实测数据显示严重不符，否则在参考高度的处10分钟平均风速的变化情况用韦布尔分布来表示[4]：

式中，系数和由实测数据确定。

对应于一定回归周期内的最大分速，其概率可近似表示为：

2.1.2 浪

海洋结构物在生存期间将经历无数次波浪的作用，对于海上的油田设施而言，一般认为三小时内的海况是不变的，即波浪的平均统计特性不变。每个海况包括一系列波高和周期可变化的波浪。通过对这些波浪应用极其精确的方式加以描述，从而可将它与水动力载荷联系在一起。目前对于波浪测量数据的分析方法主要有：逐波分析和谱分析[4]。

2.1.3 流

在某一给定近海位置，流是洋流、潮流和风共同作用下表面水团的驱动效应的叠加结果。流的强度和方向在不同深度的水层中会发生变化，一般来说，流剖面图分为十年一遇的速度“剖面图”、百年一遇的速度“剖面图”等。

典型洋流可分为：风致流、潮汐流、循环流、涡流、孤立流、沿岸流。

2.1.4 相关性及回归分析

测度相关关系的方式有三种，即相关表、相关图和相关系数。相关表是一种反映变量之间相关关系的统计表。是将某一变量按其取值的大小排列，然后在将与其相关的另一变量的对应值平行排列，便可得到简单的相关表。相关表和相关图是研究相关关系的直观工具，它们只能对现象之间存在的相关关系的方向、形式和密切程度作大致的判断，而不能说明其密切程度的大小。因此，需要计算相关系数[5]。

根据线性相关变量的多少、分析问题的角度不同，相关系数可以分为简单相关系数、偏相关系数和复相关系数。

2.2 基础数据

本次研究主要针对海洋工程设施现场监测数据的后处理方法展开，目标监测数据来源于位于渤海曹妃甸11-1/2油田的海洋石油112现场监测系统。监测内容主要包括：SPM受力测量、环境监测和FPSO运动监测三个部分，本报告中用到的监测数据如下：

1)该系统环境数据的监测内容主要包括：

-风速、风向-气温、湿度和气压

-浪高、周期和波向-剖面流速和流向测量

本报告研究内容主要针对风、浪、流三种环境要素。每种环境要素均采用不同的采样频率。具体监测内容详细说明如下表：

FPSO系泊力的监测采用间接测量的手段，通过监测YOKE和系泊链角度，利用力学原理反算出系泊系统受力。各个监测要素的数据说明如下：

表2 ～3系泊力监测数据说明

表2 ～2船体运动监测数据说明

表2 ～1海洋环境监测数据说明

2)FPSO运动和位置监测

-FPSO艏向

-FPSO运动姿态和位置

3)SPM系泊力监测

-系泊锚链角度

-系泊支撑结构应变

针对FPSO运动和位置的监测主要包括：船体位置（纬度、经度）、艏向、横摇、纵摇、东向速度、北向速度、高度（垂荡），各个监测要素的数据说明如下：

上述数据来自2015年1月至2015年12月系统自动保存的原始数据，因此在数据分析过程中根据技术要求进行必要的甄别和筛查工作。

3环境条件对船体运动影响规律

环境因素是影响船体运动的主导因素，因此掌握环境因素对船体运动影响的基本规律，有利于作业者根据环境条件对船体运动情况做出大致判断，合理选择不同环境条件下的装、配载措施。

3.1 艏向

由于单点系泊系统本身具有风向标效应的特点，随着环境条件的变化艏向也随之发生变化。本节主要针对这一变化规律进行了总结，分别就风、浪、流与船体艏向之间的影响规律进行逐个分析，得出了在不同强度的风、浪、流条件下，两者之间相对夹角之间的关系。

图3 .1 1风速&相对风向联合分布图

图3.1～2风速VS相对风向变化规律

图3 .1-1直观展示了不同风速下对应的相对方向变化情况，由图可知，大部分工况出现在风速10m/s以下，10m/s以上的风速出现概率较小。除此之外，不同风速下不同相对风向都有可能出现，但出现概率不同。（注：相对风向表示风向与艏向之间的夹角）

图3 .1～3波高VS相对浪向联合分布图

图3 .1～4波高VS相对浪向变化规律

艏向的变化受多种环境因素的影响，因此不同风速与相对风向的变化并非一一对应，但两者之间存在一定的总体变化规律，如图3.1~2。随着风速的增大相对风向逐步减小，两者之间存在近似线性的关系。由于目前现有数据中大于12m/s风速的工况较少，个别工况不具有代表性，因此在回归分析过程中作为错误数据进行处理。图3.1~3直观展示了波高对应的相对浪向分布情况，由图可知，在波高较低的工况下，相对浪向的分布较为平均，随之波浪的增加相对浪向在小夹角出现的概率逐步增大。由图3.1~4可知，随着波高的增加相对浪向的角度逐步减小，并大致呈现线性关系。由拟合曲线第一点工况数量足够大但不符合变化规律可知，波高并不能唯一确定艏向的位置，艏向位置应由环境中较强的要素予以确定。图3.1~5直观展示了流速对应相对流向的分布情况，由图可知，相对流向主要集中在180°附近，即流向与艏向为反向。且两者之间的变化规律相对明显，说明流对艏向的影响相对强烈。由图3.1~6可知，随着流速的增加相对流向逐步向180°接近并趋于平稳，整体变化趋势呈二次变化关系。结合图3.1~5及3.1~6可知，流速对艏向的影响系数较大，但艏向的最终确定依然是风、浪、流等环境要素联合作用的结果。

图3 .1～5流速VS相对流向联合分布图

图3 .1～6流速VS相对流向变化规律

3.2 横摇运动

横摇是衡量FPSO运动性能的一项重要指标，横摇运动过大会直接影响海上的作业安全，从而造成停产，因此有必要分析环境要素与FPSO横摇运动之间的影响规律，以便在生产设计中作为参考。由于横摇运动的均值经常受FPSO装载情况影响，因此本小节不对横摇运动的均值做重点研究，研究过程中仅考虑波浪与横摇运动之间的影响规律。由于波浪相对船体的入射角各不相同，为了考虑入射角对波高的影响，引入了相对波高的概念，即将波高在船体艏向的垂直方向上进行了分解。

图3 .2～1波高、周期与横摇角标准差散布图（0°～45°）

在不考虑波浪入射角度影响的情况下，浪向与艏向夹角小于45°时，波高及周期对船体横摇运动的影响如图3.2~1所示。

图3 .2～2相对波高、周期与横摇角标准差散布图（0°～45°）

考虑波浪入射角的影响，将波高在船体艏向垂直方向上进行分解，得到相对波高、周期对船体横摇运动的影响图3.2~2，总体变化规律与图3.2~1相似。

图3 .2～3波高、周期与横摇角标准差散布图（45°～135°）

在不考虑波浪入射角度影响的情况下，浪向与艏向夹角为45°~135°之间时,波高及周期对船体横摇运动的影响如图3.2～4所示。由图可知，整体规律及标准差分布情况不具有特别明显的规律性。

图3 .2～4相对波高、周期与横摇角标准差散布图（45°～135°）

综上分析，波浪对船体横摇运动的影响关系相对复杂，涉及到波高、周期和船体装载情况等因素。因此上述分析中规律不显著的主要原因有：1.横摇运动涉及影响因素众多，目前监测数据有限无法完成各分情况的讨论；2.目前监测数据中环境条件较为温和，横摇运动相对较小，各个影响因素的影响效果难以区分。

3.3 纵摇运动

纵摇运动的大小直接关系到系泊链张力的变化，且纵摇运动的固有周期处于一般波浪频率范围内，且普遍认为是波浪诱导的波频运动响应，本小节主要讨论波浪与船体纵摇运动之间的关系。

图3 .3～1波高、周期纵摇角标准差散布图（0°～45°）

在不考虑波浪入射角度影响的情况下，浪向与艏向夹角小于45°时，波高和周期对船体纵摇运动的影响如图3.3~1所示。纵摇角随波高增加而逐步增大的规律较为明显，但波周期与纵摇角之间的变化规律较为模糊，这与波浪周期主要集中在6s以内，而波周期大于6s的工况数量有限。

图3 .3～2相对波高、周期与纵摇角标准差散布图（0°～45°）

在考虑波浪入射角度的影响后，浪向与艏向夹角小于45°时，波高和周期对船体纵摇运动的影响规律与上图相同，但与目前监测数据中环境条件较为温和有关，因此入射角对纵摇运动的影响，需要进一步进行讨论。

在不考虑波浪入射角度影响的情况下，浪向与艏向夹角在45°~135°之间时，波高和周期对纵摇角的影响如图3.3~3。波高和周期对纵摇角的影响有限，但也与环境条件较为温和有关，需要进一步进行分析。

图3 .3～4相对波高、周期与纵摇角标准差散布图（45°～135°）

在考虑波浪入射角度影响的情况下，波向与艏向夹角在45°~135°之间时，波高和周期对纵摇角的影响规律与上图相似，说明在温和的环境条件下，波浪入射角度对船体纵摇运动的影响有限。

综上分析，在温和环境条件下，波浪对船体纵摇运动的影响主要发生在迎浪条件下，且在周期较小时，波浪周期对船体纵摇运动的影响有限。对于波浪入射角的影响还需要进一步进行讨论。

3.4 纵荡运动

纵荡运动是影响系泊系统回复力的直接因素，掌握环境条件对船体纵荡运动的影响规律即可对照刚度曲线估算系泊系统回复力。故本小节分别针对风、浪、流对船体纵荡运动的影响规律进行了总结。

图3 .4～1风速VS纵荡运动变化规律

由图3.4~1所示，随着风速的增大船体纵荡运动逐步增大，且纵荡运动的大小与风速的平方大致呈线性关系。

图3 .4～2波高VS纵荡运动变化规律

由图3.4~2所示，波高与船体纵荡运动呈现正相关关系，船体纵荡运动随波高的增大而增大。

图3 .4～3流速VS纵荡运动变化规律

由图3.4~3所示，纵荡运动流速之间的关系呈线性关系，但线性关系斜率较小，因此流速对船体纵荡运动的影响较小。综上分析，船体纵荡运动主要由风速和波高决定，流速对船体纵荡运动的影响较小。

4船体运动对系泊响应影响规律

船体运动与系泊响应两者之间的变化关系即系泊系统刚度，根据现场监测得到的船体运动数据及系泊响应数据，对比两者之间的数据，对照刚度曲线即可检验监测数据的可靠性及设计系泊刚度曲线的合理性。船体距单点中的纵荡距离是影响系泊力变化最主要的因素，船体其他运动变化只会引起系泊力在小幅范围内变化，因此系泊系统刚度的分析以纵荡运动为主。

图4 ～1系泊链张力VS纵荡散布图

图4 ～2水平恢复力VS纵荡运动散布图

由图4~1可知，系泊链张力和船体纵荡运动之间仅存在大致的趋势关系，但并不存在明显的比例关系，这主要由于系泊链张力是随船体运动变化最为剧烈的要素，且受系泊链垂直方向夹角的影响，因此系泊链张力的变化在趋势线周围分布较为离散，在实际设计过程常常以水平恢复力作为标准进行刚度曲线的绘制，由图4~2可知，目前监测得到的纵荡运动范围较小，对照刚度曲线的变化趋势处于线性段的范围内，因此利用线性关系进行拟合，拟合结果较为理想。综上所述，船体运动与系泊响应之间的关系主要取决于刚度曲线的变化，在实际校核过程中可利用水平回复力与纵荡运动之间的关系进行校核。

5 结论

根据现有数据的分析结果，可用于工程实际及可进一步推广到设施延寿及可靠性评估等领域的结论如下：

1.船体艏向及周向位置长期以两个方向为主，这就造成单点主轴承各部分的疲劳、磨损等寿命不均，通过对船体位置的详细跟踪记录，可对单点主轴承各部分的实际疲劳损伤进行评估，达到对单点主轴承的全寿命周期跟踪管理；

2.根据监测数据得到不同装载条件的下船体六自由度运动固有周期，通过实测固有周期可以校准数值模型，为日后数值预报提供可能，及时发现危险工况，并及时做出应急响应；

3.运用系泊链张力的现场实测数据可以真实记录其受力变化情况，结合统计分析方法，不仅可以用于系泊链实际疲劳累积损伤的评估，而且可以利用系泊链张力在不同受力区间内的发生概率，直接推算系泊链张力的受力极值，避免其他间接计算方法造成的误差累积；

4.利用环境条件对船体运动及系泊响应之间的变化规律，可以检验监测数据的一致性，细化错误数据的筛查工作，及时发现监测设备的故障，保证珍贵数据的真实有效。

[1]刘莉峰、赵玉梁.FPSO单点软刚臂系泊监测系统[J].船海工程，2015，44(3):83-86．

[2]梁修锋，杨建民，李欣，于洋.FPSO甲板上浪的数值模拟[J].水动力学研究与进展，2007，22(2):229-236.

[3]刘涛.FPSO软刚臂单点系泊系统监测技术研究[D].大连：大连理工大学,2013.

[4]刘水庚.海洋工程水动力学［M］.北京：国防工业出版社，2012.

[5]章舜仲、王树梅.相关系数矩阵与多元线性相关分析

[J].大学数学，2011,27（1）：195-198.

李牧1986年天津大学硕士研究生，工程师。浮体结构专业方向依托项目泊监测数据分析系统开发及应用研究。依托项目：系泊监测数据分析系统开发及应用研究，项目编号：HFXMLZ-CY201403