一種新型復(fù)合系纜對單點系泊FPSO水動力性能的影響分析

朱 敏 ， 于明明 ， 莊麗茗

(1 中國船級社南京分社， 南京 210011； 2．中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司， 遼寧 撫順 113015)

一種新型復(fù)合系纜對單點系泊FPSO水動力性能的影響分析

朱 敏1， 于明明2， 莊麗茗2

(1 中國船級社南京分社， 南京 210011； 2．中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司， 遼寧 撫順 113015)

以胡克定律及復(fù)合系纜在力的作用下不同組成成分伸長量相同為出發(fā)點，計算出新型復(fù)合系纜的軸向剛度。應(yīng)用三維勢流理論以及非線性時域耦合的方法，研究以新型復(fù)合系纜作為系泊系統(tǒng)時FPSO的水動力性能，并與“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈”、“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈”等傳統(tǒng)復(fù)合系纜作對比。研究表明：新型復(fù)合系纜水動力性能優(yōu)異，經(jīng)濟性能良好，為FPSO單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供有效參考。

胡克定律；時域耦合；新型復(fù)合系纜；FPSO水動力性能

0 引言

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)主要由上部模塊、船體及系泊系統(tǒng)三部分組成，其中系泊系統(tǒng)為FPSO提供恢復(fù)力以抵抗風(fēng)浪流等環(huán)境載荷的作用，是FPSO能否在某一海域正常生產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵因素。

隨著水深的增加，系泊系統(tǒng)重量、制造成本及其展開和回收作業(yè)的難度都急劇增大， FPSO油艙容量和系泊系統(tǒng)所能提供的恢復(fù)力相應(yīng)減小，這些都為系泊系統(tǒng)的設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。

唐友剛、張素俠等人認(rèn)為“鋼鏈-尼龍纜-鋼鏈”半張緊系泊方式，既減輕系泊系統(tǒng)重量，又提供足夠水平恢復(fù)力，經(jīng)濟性能優(yōu)越，更適合深海平臺的需要[1]。喬東升、歐進萍利用數(shù)值模擬的方法對比分析了“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈”和“鋼鏈-聚酯纖維-鋼鏈”這兩種不同的復(fù)合系纜的自振頻率、復(fù)合剛度和錨泊阻尼[2]。但關(guān)于兩種材料混合在同一段系纜的新型復(fù)合系纜對FPSO水動力性能影響的研究甚少，該文將開展復(fù)合系纜的相關(guān)研究工作。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 頻域分析

以三維勢流理論[3]為基礎(chǔ)，將流場中的總速度勢分為入射勢、繞射勢以及輻射勢，并滿足Laplace方程、自由面條件、海底條件、物面條件以及輻射條件。采用格林函數(shù)法[4]，求得速度勢，進而得到附加質(zhì)量、附加阻尼、一階波浪力傳遞函數(shù)、波浪漂移力傳遞函數(shù)、運動響應(yīng)幅值響應(yīng)算子等水動力參數(shù)。

1.2 時域分析

得到上述水動力參數(shù)，通過傅里葉變換及Cummins[5]脈沖理論進行時域分析，其低頻運動方程[6]為：

(1)

(2)

(3)

1.3 胡克定律

材料在彈性變形范圍內(nèi)，力與變形成正比的關(guān)系[7]：

(4)

式中：E為材料的彈性模量；A為構(gòu)件的截面面積；P為構(gòu)件受的力；L為構(gòu)件總長。

2 研究對象及環(huán)境條件

該文以一艘20萬噸級單點系泊FPSO為研究對象，利用SESAM進行非線性時域耦合分析,圖1為FPSO水動力面元模型。采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式系泊，內(nèi)轉(zhuǎn)塔位置距船首距離為船體垂線間長的15.7%。系泊系統(tǒng)由三組總共9根組成，同一組系纜間夾角為5°,不同組間夾角120°(如圖2所示)。表1為20萬噸級FPSO主要參數(shù)，表2 為海洋環(huán)境參數(shù)。

表1 20萬噸級FPSO主要參數(shù)

表2 海洋環(huán)境參數(shù)

圖1 FPSO水動力面元模型

圖2 系泊系統(tǒng)布置 圖3 FPSO及系泊系統(tǒng)耦合分析模型

3 計算結(jié)果及分析

在FPSO運動響應(yīng)分析中，低頻運動即縱蕩、橫蕩、首搖相對于垂蕩、橫搖、縱搖響應(yīng)更大，對于系泊系統(tǒng)張力和船體結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)產(chǎn)生更大的影響，所以該文將詳細(xì)分析新型復(fù)合系纜對低頻運動響應(yīng)的影響。

3.1 新型復(fù)合系纜材料屬性計算

該文設(shè)計的新型復(fù)合系纜其結(jié)構(gòu)采用多股索形式，即金屬股與新型材料配合形成整根系纜結(jié)構(gòu)。在水動力計算中，新型材料系纜主要需要考慮的因素有：系纜直徑、濕重、軸向剛度及破斷強度等，相關(guān)參數(shù)的推導(dǎo)需要結(jié)合各組成材料的屬性及其所占的比例。該設(shè)計中選用的金屬材料為鋼纜，新型材料為聚酯纜，且所選用的比例為鋼纜和聚酯纜各占50%，

根據(jù)所選材料，鋼纜E1=117 GPa，聚酯纜E2=13.2 GPa，代入上式得到E3=65.1 GPa，所設(shè)計新型系纜直徑為175 mm，計算得到對應(yīng)軸向剛度為1 565.4 MN，如表3布置一所示。表3中的布置二、布置三分別代表“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈”、“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈”這兩種傳統(tǒng)的復(fù)合系纜。

表3 復(fù)合系纜系泊系統(tǒng)系纜參數(shù)

3.2 新型復(fù)合系纜與傳統(tǒng)復(fù)合系纜“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈”對比

分別以設(shè)計的新型復(fù)合系纜和傳統(tǒng)的“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈” 復(fù)合系纜作為FPSO的單點系泊系統(tǒng)，進行時域耦合分析，得到低頻運動時歷曲線如圖4所示，表4給出了低頻運動響應(yīng)的統(tǒng)計值。

圖4 兩種不同系纜對應(yīng)FPSO低頻運動響應(yīng)

由圖4及表4得出，相比于傳統(tǒng)的“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈” 復(fù)合系纜組成的系泊系統(tǒng)，新型復(fù)合系纜構(gòu)成的系泊系統(tǒng)對應(yīng)FPSO的縱蕩、橫蕩、首搖最大值分別增大8.4%、15.8%、17.5%，即傳統(tǒng)復(fù)合系纜水動力性能略優(yōu)于新型復(fù)合系纜。但鋼鏈、鋼纜、聚酯纜材料單價分別為15 000元/噸、6 000元/噸、8 000元/噸，計算可得新型復(fù)合系纜總造價為傳統(tǒng)復(fù)合系纜的91.2%，即在水動力性能都復(fù)合規(guī)范的前提下，新型復(fù)合系纜經(jīng)濟性能更為優(yōu)異。

表4 兩種不同系纜對應(yīng)FPSO低頻運動響應(yīng)統(tǒng)計值

3.3 新型復(fù)合系纜與傳統(tǒng)復(fù)合系纜“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈”對比

分別以新型復(fù)合系纜和傳統(tǒng)的“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈” 復(fù)合系纜作為FPSO的單點系泊系統(tǒng)，進行時域耦合分析，得到低頻運動時歷曲線如圖5所示，表5給出了對應(yīng)低頻運動響應(yīng)的統(tǒng)計值。

圖5 兩種不同系纜對應(yīng)FPSO低頻運動響應(yīng)

由圖5及表5得出，相比于傳統(tǒng)的“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈” 復(fù)合系纜組成的系泊系統(tǒng)，新型復(fù)合系纜構(gòu)成的系泊系統(tǒng)對應(yīng)FPSO的縱蕩、橫蕩、首搖最大值減小到原來的59.8%、47.6%、40.2%，即極大地改善了FPSO的水動力性能，更有利于FPSO在工作海域正常的生產(chǎn)運營。

4 結(jié)論

該文設(shè)計一種新型復(fù)合系纜，并與“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈”、“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈”等傳統(tǒng)復(fù)合系纜水動力性能作對比，得出如下結(jié)論：

表5 兩種不同系纜對應(yīng)FPSO低頻運動響應(yīng)統(tǒng)計值

(1)對于自行設(shè)計的新型復(fù)合系纜的軸向剛度可利用胡克定律計算出新彈性模量，乘以受力截面面積得到；

(2)新型復(fù)合系纜作為FPSO單點系泊系統(tǒng)，與傳統(tǒng)復(fù)合系纜“鋼鏈-鋼纜-鋼鏈”形式相比，F(xiàn)PSO水動力性能相近，但經(jīng)濟價值更好；

(3)新型復(fù)合系纜作為FPSO單點系泊系統(tǒng)，與傳統(tǒng)復(fù)合系纜“鋼鏈-聚酯纜-鋼鏈”形式相比，F(xiàn)PSO水動力性能更為優(yōu)異，能更好的控制船體運動響應(yīng)。

通過研究，進一步認(rèn)識了復(fù)合系纜構(gòu)成的多樣性及其優(yōu)良的水動力性能和經(jīng)濟性，為FPSO單點系泊系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供有效參考。

[1] 唐友剛，張素俠等．深海系泊系統(tǒng)動力特性研究進展[J]．海洋工程，2008，26(1)：120-126．

[2] 喬東升，歐進萍．深水復(fù)合錨泊線動力特性比較分析[J]．船舶力學(xué)，2011，15(11)： 1290-1299．

[3] 戴遺山，段文洋．船舶在波浪中運動的勢流理論[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2008：63-90；173-186．

[4] Newman J N．Marine hydrodynamics[M]．The MIT Press，1977：102-131．

[5] Cummins W E．The impulse response function and ship motions[J]．Schiffstechnik，1962，9：101-109．

[6] 戴遺山．艦船在波浪中運動的頻域與時域勢流理論[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1998．

[7] 倪櫵，李國清，錢勤．材料力學(xué)[M]．湖北：華中科技大學(xué)出版社，2006．

Investigation the Hydrodynamic Performance of Single Point Moored FPSO with a New Hybrid Line

ZHU Min1， YU Ming-ming2， ZHUANG Li-ming2

(1.Nanjing Branch of China Classification Society，Nanjing 210011，China；2.Fushun Petrochemical company of PetroChina Company Limited， Liaoning Fushun 113015，China)

Based on Hooke's law and the different components of the hybrid mooring line have same elongation in force, the new axial stiffness of hybrid mooring line had been calculated. The hydrodynamic performance of FPSO with single point moored system which the new hybrid was applied have been investigated, using Three-dimensional potential flow theory and nonlinear time domain coupled method, and compared with the hybrid line of " chain-rope-chain" and the hybrid line of " chain-polyester-chain". It is concluded that the new hybrid line have a good hydrodynamic performance, and the economic performance is perfect also. It is offer an effective reference during the design and research of single point moored FPSO.

Hooke's law; time domain coupled; new hybrid cable; hydrodynamic performance of FPSO

2013-12-25

朱 敏(1981-)，女，碩士研究生。

1001-4500(2014)04-0029-05

P756

A