環(huán)境條件對(duì)南海FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

錢(qián) 笠 君

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

南海作業(yè)的FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）由于其處于臺(tái)風(fēng)高發(fā)海域，海況十分惡劣，船體所遭受的載荷遠(yuǎn)高于常規(guī)船舶，且作業(yè)水深較深，業(yè)主基于考慮，一般都采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)。選取某一南海作業(yè)的15萬(wàn)噸級(jí)雙殼雙底FPSO為研究對(duì)象，其船長(zhǎng)≈260m；船寬≈50m；型深≈27m；吃水≈18m；方形系數(shù)≈0.91。其環(huán)境載荷特點(diǎn)對(duì)于南海作業(yè)的FPSO而言具有一定的參考性。

主要研究風(fēng)標(biāo)效應(yīng)對(duì)于目標(biāo)研究FPSO載荷的影響，比較100a一遇與500a一遇、考慮敏感性與不考慮敏感性情況下的載荷差異，總結(jié)此FPSO總縱強(qiáng)度載荷與局部強(qiáng)度載荷的變化特點(diǎn)，進(jìn)而討論載荷差異對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸造成的影響。

1 浪向角分析

該FPSO采用的是內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊，此類(lèi)系泊形式的FPSO的特點(diǎn)是FPSO的朝向并不是如同多點(diǎn)系泊一樣是固定的，而是如同風(fēng)標(biāo)在風(fēng)中的運(yùn)動(dòng)一樣隨著風(fēng)、浪、流合力方向的變化而不斷繞著內(nèi)轉(zhuǎn)塔在變化的，將其稱(chēng)為風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。

該FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮船體結(jié)構(gòu)時(shí)需要考慮FPSO在迎浪、斜浪及橫浪等幾種不同海況下所遭受的載荷，由于只有短期海況數(shù)據(jù)，結(jié)合FPSO所具有的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的特點(diǎn)，就決定了FPSO在迎浪、斜浪、及橫浪幾種不同海況下進(jìn)行短期預(yù)報(bào)時(shí)所使用的波高不同，需要考察FPSO在風(fēng)、浪、流共同作用下船體與浪向之間夾角與波高的關(guān)系，從而確定船體在不同海況下所受的載荷及性能，并作為設(shè)計(jì)參數(shù)參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)于該FPSO的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可作以下簡(jiǎn)化：對(duì)于任意一組確定的風(fēng)、浪、流的組合，由經(jīng)典力學(xué)可知必將有確定的合力，F(xiàn)PSO的朝向與這一合力的方向?qū)②呌谝恢?，所以FPSO的朝向可以確定，此時(shí)浪向與FPSO之間的夾角也可以確定（見(jiàn)圖1）。以這種方式將潛在的風(fēng)浪流組合進(jìn)行計(jì)算就可以得出若干組風(fēng)、浪、流組合及其對(duì)應(yīng)的浪向角，從中提取出波高與浪向角，以浪向角為x軸，波高為y軸，將計(jì)算所得的點(diǎn)投影到x-y坐標(biāo)軸上，可以得到若干個(gè)離散點(diǎn)組成的散點(diǎn)圖，但是如果散點(diǎn)足夠多的話(huà)就可以將這些散點(diǎn)最外延的點(diǎn)擬合成連續(xù)的曲線(xiàn)，或者最終可以得出完全覆蓋這些散點(diǎn)的包絡(luò)線(xiàn)，后者可以快捷地得到浪高與浪向角之間的關(guān)系（見(jiàn)圖2）。其中每一點(diǎn)不僅代表FPSO在該迎浪角下所遭遇的波高，還可以通過(guò)該點(diǎn)找到該波浪的周期與其相對(duì)應(yīng)的風(fēng)和流的信息。

圖1 風(fēng)標(biāo)效應(yīng)

圖2 迎浪角分析

如何確定或得到這些風(fēng)、浪、流的組合，主要的兩種方法是：根據(jù)實(shí)際海況數(shù)據(jù)或推薦公式確定風(fēng)浪流關(guān)系。由于缺乏具體海域的海況數(shù)據(jù)，計(jì)算采用法國(guó)船級(jí)社基于經(jīng)驗(yàn)公式的推薦做法，其主要思路是：在獲得作業(yè)海域的風(fēng)、浪、流的主極值的情況下，根據(jù)推薦做法將組合分為3大情況：風(fēng)主控、浪主控及流主控，每個(gè)情況下對(duì)于風(fēng)向、浪向及流向做不同的組合，除主控因素外其余因素按其方向之間的差值進(jìn)行相應(yīng)的折減，從而得到若干組風(fēng)、浪、流組合（見(jiàn)表1）。

表1 風(fēng)浪流組合方法

其中，V-H——風(fēng)向和浪向的夾角；C-H——流向與浪向的夾角。

風(fēng)、浪、流組合的折減系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)浪流折減系數(shù)

折減系數(shù)的意義是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)考慮風(fēng)、浪、流之間的關(guān)系。從計(jì)算方法上也可以看出，當(dāng)風(fēng)、浪兩者之間夾角越小，則相應(yīng)的折減系數(shù)越小。折減系數(shù)可以描述“大風(fēng)大浪”之間密切關(guān)系，如在臺(tái)風(fēng)狀態(tài)之下風(fēng)和浪是基本同向的；而且也能說(shuō)明在風(fēng)小時(shí)，有事波浪來(lái)向與風(fēng)向不同這一實(shí)際情況；而在南海，流相對(duì)于風(fēng)浪而言是相對(duì)離散的，故表1中之所以流向與浪向偏離巨大，主要是由于南海特殊而復(fù)雜的水文情況所導(dǎo)致的。對(duì)于波浪周期，在實(shí)際情況中是與波高成一定關(guān)系的，在對(duì)波高進(jìn)行折減的同時(shí)對(duì)于波浪周期進(jìn)行調(diào)整（采用內(nèi)插法、經(jīng)驗(yàn)公式等），本文中采用經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)波高推導(dǎo)波浪周期。

通過(guò)上述風(fēng)、浪、流的組合方法，結(jié)合作業(yè)海域特定的100a一遇及500a一遇的風(fēng)、浪、流數(shù)據(jù)，運(yùn)用BV Ariane及HydroSTAR程序得到若干組（浪高，浪向角）散點(diǎn)，為了計(jì)算波浪載荷，設(shè)計(jì)一條包絡(luò)線(xiàn)以覆蓋住所有離散點(diǎn)，而這一包絡(luò)線(xiàn)便可認(rèn)為是這些海況下浪高與浪向角的關(guān)系（見(jiàn)表3、圖3、4）。

需要特別注意的是，對(duì)于不同船型，不同的作業(yè)地點(diǎn)，這種關(guān)系是不同的，因?yàn)槭茱L(fēng)面積、船體方形系數(shù)、船舶的主尺度、單點(diǎn)的位置以及該海域所特有的風(fēng)、浪、流之間的組合方式都會(huì)影響這種關(guān)系。

表3 迎浪角與波高之間的關(guān)系

圖3 100a一遇迎浪角分析結(jié)果

圖4 500a一遇迎浪角分析結(jié)果

風(fēng)、浪、流在現(xiàn)實(shí)中是客觀存在的，并不受FPSO浮體的影響，但是特定區(qū)域風(fēng)、浪、流的情況卻直接決定了浮體的朝向，因?yàn)楦◇w是可以以?xún)?nèi)轉(zhuǎn)塔為中心在海中轉(zhuǎn)動(dòng)的，圖2～4表示了FPSO在各個(gè)迎浪角下可能遭遇到的最大波高。在波浪波高較大的情況下，風(fēng)力也較大，且來(lái)向基本一致，而流雖然與風(fēng)浪的關(guān)系較離散，但對(duì)于船體影響較小，所以不管浪向一開(kāi)始是來(lái)自哪個(gè)方向，最后在合力的作用下，F(xiàn)PSO會(huì)以?xún)?nèi)轉(zhuǎn)塔為中心轉(zhuǎn)動(dòng)到迎浪的狀態(tài)下，這樣就說(shuō)明了，對(duì)于FPSO而言，迎浪狀態(tài)出現(xiàn)的最大波高要大于斜浪及橫浪狀態(tài)下最大波高。

在工程實(shí)踐中，較為真實(shí)的浪向角分析對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量起到了至關(guān)重要的作用。盡可能獲取作業(yè)海域的相關(guān)風(fēng)、浪、流信息，以生成圖2及表2，由于是基于真實(shí)海況，所以其準(zhǔn)確度及真實(shí)度是最高的。但是現(xiàn)實(shí)情況是缺乏當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境資料，只能借助于經(jīng)驗(yàn)公式，生成圖3、4及表3。由于經(jīng)驗(yàn)公式的組合方法是針對(duì)某一類(lèi)型（如亞熱帶海域、赤道海域、赤道風(fēng)暴海域等），這種方法較為保守，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)重量的控制還是具有很大的作用。

2 波浪載荷計(jì)算

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的主要波浪參數(shù)為：1) 垂向波浪彎矩；2) 垂向波浪剪力；3) 水平波浪彎矩；4) 相對(duì)波面升高。選取計(jì)算滿(mǎn)載、壓載兩種關(guān)鍵工況。除了加速度最大值出現(xiàn)在壓載工況外，其他載荷最大值都出現(xiàn)在滿(mǎn)載工況。對(duì)于波浪周期敏感性進(jìn)行相關(guān)研究，除了要考慮（Hs，Tp）這一個(gè)波譜外，還需考慮（Hs,Tp-ΔTp）及(Hs,Tp+ΔTp)等若干組波譜。

通過(guò)計(jì)算100a一遇與500a一遇、考慮敏感性與不考慮敏感性4種海況下4種裝載下的載荷，截取其最大值可以得到其載荷曲線(xiàn)沿船長(zhǎng)分布。選取典型的垂向波浪彎矩與水平波浪彎矩比較（見(jiàn)圖 5、6），對(duì)于垂向波浪彎矩、垂向波浪剪力而言，該FPSO對(duì)于波浪周期的敏感度較?。欢鴮?duì)于水平彎矩、迎浪波面相對(duì)升高而言，該FPSO對(duì)于波浪周期表現(xiàn)出很強(qiáng)的敏感性，其中在100a一遇的海況下考慮敏感性所得的極值甚至要大于500a一遇的海況下不考慮敏感性所得的極值。僅就水平彎矩分析其原因：圖6為水平彎矩在斜浪及橫浪情況下的RAO（由于水平彎矩在斜浪及橫浪達(dá)到最大，故而只討論這部分RAO）及100a一遇、500a一遇波譜的譜峰周期，從中可以看出斜浪及橫浪海況下水平彎矩RAO的固有周期大致在6～11s，遠(yuǎn)離100a一遇及500a一遇波譜的譜峰周期，當(dāng)譜峰周期減小時(shí)，波譜都將向左即水平彎矩的固有周期方向移動(dòng)（見(jiàn)圖7），這樣兩者所疊加形成的響應(yīng)譜將增大，最終的結(jié)果是500a一遇進(jìn)行15%的周期敏感性分析導(dǎo)致水平彎矩增大21%，100a一遇增大19%。

圖5 波浪垂向彎矩比較

圖6 波浪水平彎矩比較

圖7 水平彎矩敏感性示意

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述方法可以獲得100a一遇及500a一遇相對(duì)應(yīng)的主要波浪載荷（見(jiàn)表4），而其他載荷都是一致的。FPSO結(jié)構(gòu)是以滿(mǎn)足這些主要波浪載荷參數(shù)為目標(biāo)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

表4 主要波浪載荷參數(shù)

環(huán)境條件由100a一遇提高到500a一遇而導(dǎo)致環(huán)境載荷對(duì)于FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面：

3.1 總縱強(qiáng)度

FPSO總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)垂向波浪彎矩增大，從而導(dǎo)致貨艙區(qū)縱向構(gòu)件（特別是主甲板結(jié)構(gòu)）尺寸要求提高：最小剖面模數(shù)要求由50m3增加到62m3；總縱強(qiáng)度垂向波浪剪力增大，從而大大提高了貨艙區(qū)兩端及貨油艙橫艙壁所在區(qū)域的外板、縱艙壁構(gòu)件尺寸的要求；由于波浪垂向彎矩和剪力都顯著增大，還導(dǎo)致貨艙區(qū)底部結(jié)構(gòu)、縱艙壁結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸因屈曲強(qiáng)度的要求增大（見(jiàn)圖8）。

3.2 貨艙區(qū)艙段局部強(qiáng)度

設(shè)計(jì)水平波浪彎矩有較大幅度增加，導(dǎo)致貨艙區(qū)外板結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈曲強(qiáng)度的要求顯著增加；設(shè)計(jì)波面相對(duì)升高大幅增大，提高了橫向構(gòu)件的局部強(qiáng)度要求，導(dǎo)致橫向結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸顯著增大，局部剖面模數(shù)提高20%（見(jiàn)圖9）。

圖8 船底板屈曲強(qiáng)度

圖9 橫艙壁屈服強(qiáng)度

3.3 艏艉部結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)波面相對(duì)升高大幅增大，提高了艏艉部外板結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度要求，導(dǎo)致外板結(jié)構(gòu)（主要是外板強(qiáng)肋骨和縱桁）尺寸有顯著增大；構(gòu)件剖面模數(shù)增加30%；同時(shí)也提高了艏艉部露天甲板的設(shè)計(jì)載荷要求，導(dǎo)致上述露天甲板結(jié)構(gòu)尺寸明顯增大。

3.4 特殊結(jié)構(gòu)

船體梁變形和上部模塊重心處的加速度都有所增加，導(dǎo)致上部模塊支墩處支反力增大，從而增大了模塊支墩及甲板下加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸要求；單點(diǎn)系泊載荷顯著增大了超過(guò)50%，大大提高了轉(zhuǎn)塔艙所在區(qū)域局部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸要求；基于 500a一遇環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)加速度值增大，導(dǎo)致火炬塔、外輸設(shè)備、甲板克令等慣性力增大，從而提高了上述特殊結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度要求，增大了局部結(jié)構(gòu)尺寸。

3.5 鋼料增加

粗略估算，由于設(shè)計(jì)環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)從100a一遇提高到500a一遇，并計(jì)入考慮敏感性分析的影響，導(dǎo)致全船結(jié)構(gòu)鋼料重量增加約10%（≈2500t）。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)南海某FPSO的載荷做了簡(jiǎn)要的闡述，以及這些載荷對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。由于南海FPSO工藝模塊較輕，而海況較惡劣，最大靜水彎矩與100a一遇垂向波浪彎矩的比值在1:1.4左右，所以波浪載荷對(duì)于FPSO船體結(jié)構(gòu)影響是顯著的。而垂向波浪彎矩100a一遇與500a一遇的比值在1:1.15左右，概率水平的提高直接導(dǎo)致了載荷的加大。此外，由于技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于結(jié)構(gòu)的考慮越來(lái)越細(xì)致，F(xiàn)PSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已由原先的總強(qiáng)度主導(dǎo)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向局部載荷主導(dǎo)設(shè)計(jì)：甲板處的總縱強(qiáng)度利用率只有85%而極限強(qiáng)度利用率只有92%，很多區(qū)域都是由于如橫浪下相對(duì)波面升高，橫向加速度、水平彎矩等橫浪引起載荷而加強(qiáng)?？梢钥闯隼讼蚪欠治雠c波浪載荷預(yù)報(bào)對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，浪向角分析至少使橫向波高降低50%，這意味著由橫浪而引起的載荷減小50%，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性這是至關(guān)重要的。而從迎浪角分析的結(jié)構(gòu)可以看出只要風(fēng)、浪、流三者是相匹配的，即處于同一概率水平之下，則其結(jié)果是相對(duì)相似的。此外在處理對(duì)波浪周期較為敏感的載荷時(shí)，不同的分析思路對(duì)于不同的載荷影響是不同的。隨著研究的不斷深入、規(guī)范的不斷完善，載荷預(yù)報(bào)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色，將是面對(duì)環(huán)境條件所帶來(lái)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)時(shí)的關(guān)鍵所在。

[1] THE SOCIETY OF NAVAL ARCHITECTS AND MARINE ENGINEERS Principles of Naval Architecture 2nd Ed. Nov. 1989.

[2] BUREAU VERITAS Classification of Mooring Systems for Permnent Offshore Units. April 2012.

[3] 趙耕賢，胡志強(qiáng)，顧永寧. FPSO的船體波浪載荷預(yù)報(bào)[G]. FPSO設(shè)計(jì)文集，2003.

[4] 王 璞. FPSO結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展[J]. 船舶，2014（3）：1-8.

[5] 劉元丹，劉敬喜，譚安全. 單點(diǎn)系泊FPSO風(fēng)浪流載荷下運(yùn)動(dòng)及其系泊力研究[J]. 船海工程，2011（6）：146-149.

[6] 江建協(xié)，何延平，王慶豐. 30萬(wàn)t FPSO波浪誘導(dǎo)載荷研究[J]. 船舶工程，2006（3）：51-53.

[7] 余小川，謝永和，李潤(rùn)培，等. 水深對(duì)超大型FPSO運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪載荷的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（5）：674-677.