FPSO環(huán)境烈度因子應(yīng)用分析

，，，，

(1.中國(guó)船級(jí)社 海工技術(shù)中心，北京 100007；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油缷油裝置(FPSO)設(shè)計(jì)載荷的確定一直是FPSO設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。FPSO在其壽命期間內(nèi)通常需要定位于某一特定海域進(jìn)行長(zhǎng)期作業(yè)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷具有很強(qiáng)的獨(dú)立性和特殊性。FPSO一般不具備自航功能，不便于進(jìn)港避風(fēng)抗臺(tái)。因此，在其服役期間內(nèi)可能遭遇極端的環(huán)境載荷。

目前，F(xiàn)PSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是依據(jù)各船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。為了使基于油船設(shè)計(jì)規(guī)范的FPSO規(guī)范更為可靠和滿足工程實(shí)際的需要，各船級(jí)社均致力于FPSO設(shè)計(jì)方法和衡準(zhǔn)的研究，尤其是波浪載荷方面的研究[1]。為了考慮FPSO特定作業(yè)場(chǎng)地的波浪載荷特點(diǎn)，船級(jí)社規(guī)范中引入了環(huán)境烈度因子的概念，以調(diào)整基于油船設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算公式和方法，使之適用于FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)合CCS新版FPSO規(guī)范，詳細(xì)分析研究環(huán)境烈度因子的計(jì)算方法，特別是其中的關(guān)鍵因素。采用文中所述方法對(duì)南海某FPSO進(jìn)行環(huán)境烈度因子計(jì)算，驗(yàn)證該方法的實(shí)用性。依據(jù)分析結(jié)果和船級(jí)社規(guī)范，對(duì)該FPSO的屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度進(jìn)行校核，說明FPSO環(huán)境烈度因子的實(shí)際應(yīng)用。

1 環(huán)境烈度因子的概念

無論是經(jīng)油船改造的還是新建的FPSO都與油船有較大區(qū)別。首先，油船基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用無限航區(qū)海況條件，通常為北大西洋海況；而FPSO往往在特定地點(diǎn)長(zhǎng)期作業(yè)，使用特定作業(yè)場(chǎng)地的海況條件。其次，F(xiàn)PSO的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與油船有較大不同，如油船設(shè)計(jì)使用25年重現(xiàn)期的極限波浪條件；而FPSO在預(yù)期作業(yè)場(chǎng)地需要使用100年重現(xiàn)期的極限波浪條件。另外，F(xiàn)PSO的系泊系統(tǒng)效應(yīng)、動(dòng)力放大效應(yīng)等也是需要考慮的因素。為了合理反映FPSO在特定作業(yè)場(chǎng)地下的環(huán)境載荷對(duì)FPSO設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的影響，規(guī)范中通過引入一系列的環(huán)境烈度因子(ESF)來調(diào)整FPSO規(guī)范中的計(jì)算公式和方法，以使基于無限航區(qū)的油船規(guī)范適用于FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

以我國(guó)南海和渤海的典型FPSO和油船為樣本，分析研究環(huán)境烈度因子的計(jì)算方法，為FPSO規(guī)范的制定提供有用的技術(shù)參考。本文研究的環(huán)境烈度因子(β)根據(jù)波浪載荷和船舶運(yùn)動(dòng)的直接計(jì)算進(jìn)行定義[2]，見式(1)。

(1)

式中：Ls——在特殊作業(yè)場(chǎng)地海況下的動(dòng)載荷極值;

Lu——基于北大西洋無限航區(qū)海況條件下的動(dòng)載荷極值，重現(xiàn)期為25年。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)PSO設(shè)計(jì)時(shí)主要需計(jì)算14種動(dòng)載荷分量的環(huán)境烈度因子，見表1。

表1 需計(jì)算環(huán)境烈度因子的動(dòng)載荷分量

2 環(huán)境烈度因子的計(jì)算要素

計(jì)算環(huán)境烈度因子β的關(guān)鍵就是確定在特定作業(yè)場(chǎng)地下的動(dòng)載荷極值Ls和北大西洋無限航區(qū)海況條件下的動(dòng)載荷極值Lu。

在不考慮非線性情況下，采用基于三維線性勢(shì)流理論[3]的直接計(jì)算法計(jì)算各動(dòng)載荷分量的幅頻響應(yīng)函數(shù)，并采用基于波浪譜和海浪散布圖的長(zhǎng)短期分析[4]計(jì)算FPSO的各動(dòng)載荷分量的極值。計(jì)算軟件將采用中國(guó)船級(jí)社和哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的三維線性運(yùn)動(dòng)與波浪載荷計(jì)算軟件COMPASS-WALCS-BASIC。

2.1 Ls的計(jì)算

2.1.1 幅頻響應(yīng)函數(shù)計(jì)算

各動(dòng)載荷分量(包括波浪載荷和運(yùn)動(dòng))的幅頻響應(yīng)計(jì)算，采用基于勢(shì)流理論的三維線性方法進(jìn)行計(jì)算，采用面元法計(jì)算波浪的輻射問題，并求解六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、壓力響應(yīng)、剖面載荷響應(yīng)和速度加速度響應(yīng)等，用于后續(xù)的長(zhǎng)短期極值預(yù)報(bào)。

1)作業(yè)場(chǎng)地和裝載工況。針對(duì)每條FPSO的不同作業(yè)場(chǎng)地和裝載工況，都需要進(jìn)行波浪載荷和運(yùn)動(dòng)的幅頻響應(yīng)函數(shù)計(jì)算。作業(yè)場(chǎng)地取3種，預(yù)期作業(yè)場(chǎng)地，運(yùn)輸航線和維修檢查場(chǎng)地。裝載工況取為滿載、壓載和空載3種典型的裝載工況。

2)浪向角。各動(dòng)載荷分量的幅頻響應(yīng)函數(shù)包含所有可能遇到的浪向角，選取浪向角范圍為0°～330°(迎浪為0°，向左舷轉(zhuǎn)動(dòng)為正)，浪向間隔15°。在航行和解脫狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為各浪向出現(xiàn)的概率相同。在單點(diǎn)系泊狀態(tài)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體海域和作業(yè)情況確定各個(gè)浪向角的發(fā)生概率。

3)波浪頻率。波浪頻率的范圍需根據(jù)各特定作業(yè)場(chǎng)地具體的波浪條件進(jìn)行選取，推薦采用的范圍為0.2～1.8 rad/s，間隔步長(zhǎng)選取為0.05 rad/s(0.2～1.8 rad/s基本可以包括所有可能的波浪自然頻率，但也可以根據(jù)具體作業(yè)海域的海況資料縮小范圍)。

4)航速。對(duì)于預(yù)期作業(yè)場(chǎng)地和維修檢查場(chǎng)地計(jì)算工況，采用零航速；對(duì)于運(yùn)輸航線，比如，從造船廠到作業(yè)地點(diǎn)的航行，采用平均運(yùn)輸航速。

根據(jù)上述條件，需要計(jì)算各樣本船在不同作業(yè)場(chǎng)地下，針對(duì)不同的裝載工況、航速、浪向角、波浪頻率的波浪載荷、運(yùn)動(dòng)、速度、加速度的單位波幅下的頻率響應(yīng)函數(shù)。

5)水深。水深可選用不同作業(yè)區(qū)域的實(shí)際水深或平均水深。根據(jù)不同區(qū)域的水深的不同，采用有限水深和無限水深的波浪理論進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1.2 極值預(yù)報(bào)

極值預(yù)報(bào)有短期預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)兩種。文中根據(jù)選定的海況散布圖，進(jìn)行不同回復(fù)期的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)；根據(jù)短期海況資料，進(jìn)行相應(yīng)的短期預(yù)報(bào)。

1)海浪譜。根據(jù)我國(guó)FPSO設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于在中國(guó)渤海和南海作業(yè)的FPSO，其海浪譜選取為Jonswaps譜。

2)波浪擴(kuò)散函數(shù)。實(shí)際海洋環(huán)境中的波浪來自不同的方向，為短峰波形式。為了體現(xiàn)波浪按不同方向的擴(kuò)散，在波浪譜中需要引入擴(kuò)散函數(shù)f(θ)，比較常用的波浪擴(kuò)散函數(shù)有

文中選用前者。

3)海況條件。根據(jù)樣本船特定作業(yè)場(chǎng)地的海況統(tǒng)計(jì)資料，確定長(zhǎng)期海況的波浪散布圖或短期海況條件。海況資料的準(zhǔn)確性將直接影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的性，務(wù)必對(duì)海況資料進(jìn)行分析和篩選。

2.2 Lu的計(jì)算

Lu為動(dòng)載荷分量在無限航區(qū)海況條件下的極值響應(yīng)，其計(jì)算過程與Ls計(jì)算過程相似，通過基于波浪譜和波浪散布圖的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法得到。

1)水深。針對(duì)無限航區(qū)海域，采用無限水深。因此，根據(jù)上述條件，需要計(jì)算各樣本船在無限航區(qū)下，針對(duì)不同的裝載工況、浪向角、波浪頻率計(jì)算波浪載荷、運(yùn)動(dòng)、速度、加速度在單位波幅下的頻率響應(yīng)函數(shù)。

2)海浪譜。對(duì)于Lu對(duì)應(yīng)的無限航區(qū)或開放海域，推薦使用雙參數(shù)PM譜，文中采用ISSC推薦的雙參數(shù)PM譜。

3)海況散布圖。對(duì)于無限航區(qū)，采用IACS 推薦的NO.34北大西洋波浪散布圖，根據(jù)上述方法計(jì)算得到的Ls和Lu，即可計(jì)算得到各個(gè)動(dòng)載荷分量的EFS(β)。

3 首向分析

目前，在我國(guó)南海和渤海作業(yè)的FPSO主要采用單點(diǎn)系泊的定位方式。采用此種系泊方式的FPSO就具有了風(fēng)標(biāo)效應(yīng)；故在對(duì)其進(jìn)行波浪載荷和運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體海域和作業(yè)情況確定各個(gè)浪向角的發(fā)生概率，即對(duì)其進(jìn)行首向分析。

3.1 確定性首向分析

當(dāng)風(fēng)力、流力和二階波浪漂移力迫使系泊浮體發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，系泊浮體的運(yùn)動(dòng)會(huì)使系泊錨鏈產(chǎn)生回復(fù)力，阻止其漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，風(fēng)、浪、流力又是系泊浮體姿態(tài)的函數(shù)，其大小隨著系泊浮體姿態(tài)的變化而變化。在這種慢漂運(yùn)動(dòng)的某一時(shí)刻，作用于系泊浮體上的回復(fù)力和風(fēng)、浪、流力達(dá)到平衡，此時(shí)，系泊浮體將在該時(shí)刻的平衡位置搖蕩。對(duì)系泊浮體平衡位置的分析就是對(duì)其進(jìn)行首向分析。為此，通過靜力平衡的方法，建立相應(yīng)的平衡方程并求解。參考浮式結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)方程，忽略其波動(dòng)性，只計(jì)及其靜力項(xiàng)，則得到首向分析方程，如式(2)。所謂首向分析的確定性方法，是指在已知確定的環(huán)境條件(風(fēng)速風(fēng)向、流速流向、波幅頻率等)時(shí)，求解系泊浮體姿態(tài)的方法。

(c+k)η=fw(η)+fc(η)+fsd(η)

(2)

上述方程是一個(gè)隱式方程，對(duì)其求解需要用位移增量迭代進(jìn)行，直到方程平衡為止。

3.2 不確定性首向分析

在FPSO系泊的某確定海域，其環(huán)境條件(風(fēng)、浪、流)隨時(shí)間是緩變的，F(xiàn)PSO在不同時(shí)刻的姿態(tài)不同。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，F(xiàn)PSO的姿態(tài)將有一定的概率性。利用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，預(yù)報(bào)FPSO姿態(tài)在某一確定海域的可能值，對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。不確定性首向分析就是用概率統(tǒng)計(jì)原理對(duì)FPSO姿態(tài)的預(yù)報(bào)。在進(jìn)行不確定性首向分析前，需要對(duì)可能出現(xiàn)的每種環(huán)境條件進(jìn)行確定性首向分析。得到可能的環(huán)境條件下姿態(tài)后，按照各環(huán)境條件出現(xiàn)的概率，進(jìn)行加權(quán)平均，則會(huì)得到FPSO在某確定海域的最可能姿態(tài)，見式(3)。

(3)

ηi,j,k,m——確定環(huán)境條件下通過確定性首向分析法得到的FPSO姿態(tài)。

由上述可知，進(jìn)行不確定性首向分析時(shí)需要知道每種環(huán)境條件在該海域出現(xiàn)的概率。

4 環(huán)境烈度因子的計(jì)算方法

4.1 浪向概率分析方法

在進(jìn)行FPSO的RAO計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)各載荷分量和運(yùn)動(dòng)對(duì)浪向角比較敏感，例如,迎浪時(shí)垂向彎矩比較大，而斜浪和橫浪時(shí)，垂向彎矩比較小，不同浪下各載荷分量和運(yùn)動(dòng)的概率分布密度不同。在對(duì)載荷和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)短期極值預(yù)報(bào)時(shí)，需要將各浪向下的載荷或運(yùn)動(dòng)分布模型進(jìn)行組合，因此，浪向概率會(huì)直接影響特定海域載荷極值的預(yù)報(bào)。

應(yīng)用相關(guān)的首向分析方法，確定FPSO在特定海域的首向概率，并用該概率組合載荷或運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期概率分布，再進(jìn)行極值預(yù)報(bào)是比較合理的?？紤]FPSO在解脫狀態(tài)或風(fēng)標(biāo)效應(yīng)失效時(shí)，各浪向概率會(huì)發(fā)生變化。對(duì)此可按照浪向等概率進(jìn)行極值預(yù)報(bào)。由于海洋環(huán)境變化莫測(cè)，保守起見，建議分別進(jìn)行首向分析后的極值預(yù)報(bào)和浪向等概率極值預(yù)報(bào)，將兩者預(yù)報(bào)中的較大值作為環(huán)境烈度因子的計(jì)算值，確定環(huán)境烈度因子。

4.2 長(zhǎng)短期預(yù)報(bào)結(jié)合方法

由于FPSO長(zhǎng)期錨泊于某特定海域，不可避免地會(huì)遭遇短期極限海況[5]。對(duì)于存在短期極值海況的海域，單純應(yīng)用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)進(jìn)行極值預(yù)報(bào)是不合理的，應(yīng)考慮其短期預(yù)報(bào)結(jié)果。由于短期海況的不確定性，預(yù)報(bào)的極值有時(shí)會(huì)比長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值偏大，有時(shí)又比長(zhǎng)期預(yù)報(bào)極值偏小。由于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)是短期預(yù)報(bào)的加權(quán)組合模型，對(duì)于海況的不確定性，相對(duì)于短期預(yù)報(bào)比較合理。但在某特定時(shí)刻，短期預(yù)報(bào)相對(duì)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)比較合理。建議對(duì)可能出現(xiàn)的極端短期海況，進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，并和上述浪向概率分析法的長(zhǎng)期預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較，取大者計(jì)算環(huán)境烈度因子。

應(yīng)該說明的是，所建議的兩種環(huán)境烈度因子確定方法是有先后順序的，但兩者的計(jì)算結(jié)果并列，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取。

5 環(huán)境烈度因子的應(yīng)用

環(huán)境烈度因子的一個(gè)重要應(yīng)用是調(diào)整油船規(guī)范中主要載荷和運(yùn)動(dòng)的規(guī)范值，以使其比較合理地適用于FPSO的設(shè)計(jì)。下面以某載重量15萬t的FPSO為例，說明環(huán)境烈度在FPSO結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中的應(yīng)用。

應(yīng)用上述環(huán)境烈度因子的計(jì)算方法計(jì)算在特定海域作業(yè)的FPSO不同動(dòng)載荷分量的環(huán)境烈度因子，以修正油船規(guī)范中不同動(dòng)載荷分量包絡(luò)值的計(jì)算公式。以垂向波浪彎矩為例，在油船規(guī)范中[6]，其表達(dá)式如下。

Mwv-hog=fprob0.19fwv-vCwvL2BCb

Mwv-sag=-fprob0.11fwv-vCwvL2B(Cb+0.7)

(4)

經(jīng)環(huán)境烈度因子修正后的FPSO規(guī)范中的計(jì)算公式為

Mwv-hog=fprobβVBM0.19fwv-vCwvL2BCb

Mwv-sag=-fprobβVBM0.11fwv-vCwvL2B(Cb+0.7)

(5)

式中：βVBM——垂向波浪彎矩的環(huán)境烈度因子;

L，B——船長(zhǎng)和船寬。

其他參數(shù)見文獻(xiàn)[2]。類似于上述的垂向波浪彎矩，其他的動(dòng)載荷分量同樣可以經(jīng)環(huán)境烈度因子的修正后，使之適用于FPSO的規(guī)范構(gòu)件尺寸確定和強(qiáng)度校核。

6 計(jì)算實(shí)例

6.1 ESF計(jì)算實(shí)例

應(yīng)用上述環(huán)境烈度因子計(jì)算方法，計(jì)算某載重量15萬t FPSO在南海某海域的環(huán)境烈度因子。分長(zhǎng)峰波和短峰波兩情況。將計(jì)算得到的環(huán)境烈度因子值應(yīng)用于FPSO的強(qiáng)度評(píng)估。對(duì)于外部水壓力的環(huán)境烈度因子，計(jì)算每間隔0.15L船長(zhǎng)處水線、舭部和底部的外部水壓力環(huán)境烈度因子值，見表2。(表2中結(jié)果中只給出了船中處的計(jì)算值)。

表2 載重量15萬t FPSO環(huán)境烈度因子計(jì)算結(jié)果

6.2 ESF應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用上述環(huán)境烈度因子計(jì)算結(jié)果，修正油船規(guī)范中垂向彎矩和垂向剪力的大小。應(yīng)用CCS油船直接計(jì)算指南[7]建立該FPSO的有限元模型，分別加載用環(huán)境烈度因子修正后的主導(dǎo)載荷為垂向彎矩和垂向剪力下的動(dòng)載荷(舷外動(dòng)壓力、艙室慣性力等)、靜載荷和相應(yīng)的邊界條件，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算。評(píng)估其特定板格單元的屈服和屈曲強(qiáng)度，見表3～6。

上述計(jì)算結(jié)果顯示：使用環(huán)境烈度因子后，以垂向剪力和垂向波浪彎矩為控制載荷的計(jì)算工況的米塞斯應(yīng)力和剪切應(yīng)力均有了一定程度的提高，并且導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服強(qiáng)度校核結(jié)果不合格；考慮環(huán)境烈度因子后的屈曲安全因子值小于不考慮環(huán)境烈度因子的屈曲安全因子，但計(jì)算結(jié)果仍在合格范圍內(nèi)。上述計(jì)算結(jié)果表明：該海域的波浪環(huán)境條件要惡劣于無線航區(qū)的環(huán)境條件。在進(jìn)行FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，必須考慮使用環(huán)境烈度因子修正油船規(guī)范強(qiáng)度評(píng)估的主導(dǎo)載荷，以考慮特定海域?qū)嶋H環(huán)境條件，使評(píng)估結(jié)果更符合實(shí)際情況、更準(zhǔn)確。

表5 以垂向彎矩為控制載荷的屈曲安全因子校核結(jié)果

表6 以垂向剪力為控制載荷的屈曲安全因子校核結(jié)果

7 結(jié)論

1)計(jì)算我國(guó)南海海域的環(huán)境烈度因子時(shí)，采用長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的計(jì)算結(jié)果有時(shí)與短期預(yù)報(bào)結(jié)果相差較大；建議采用長(zhǎng)/短期預(yù)報(bào)相結(jié)合的方法。

2)單點(diǎn)系泊的FPSO，其考慮首相分析的環(huán)境烈度因子計(jì)算值與基于等浪向概率的計(jì)算結(jié)果有時(shí)相差較大。出于設(shè)計(jì)安全的考慮，應(yīng)將基于不同方法的計(jì)算值的大者作為設(shè)計(jì)值使用。

3)應(yīng)用環(huán)境烈度因子后，合理地考慮了FPSO作業(yè)場(chǎng)地環(huán)境的實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4)FPSO的立管系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)對(duì)環(huán)境烈度因子計(jì)算結(jié)果均具有一定程度的影響，建議在后續(xù)的研究工作中合理考慮其影響，以使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

環(huán)境數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是FPSO環(huán)境烈度因子計(jì)算和應(yīng)用的前提，未來應(yīng)對(duì)我國(guó)南海和渤海的環(huán)境資料數(shù)據(jù)進(jìn)行更為深入的收集、分析和研究，形成系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫和環(huán)境載荷預(yù)報(bào)理論方法，用于指導(dǎo)我國(guó)海域的FPSO設(shè)計(jì)。

[1] 趙春田，王艷芳.用動(dòng)力載荷因子法進(jìn)行FPSO船體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和評(píng)估[J].中國(guó)造船，2002，43(S):132-143.

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