渤海環(huán)境條件對FPSO運動及系泊響應(yīng)的影響研究

李牧

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津300451）

渤海環(huán)境條件對FPSO運動及系泊響應(yīng)的影響研究

李牧

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津300451）

環(huán)境因素是影響FPSO船體運動的主導(dǎo)因素，因此掌握環(huán)境因素對船體運動影響的基本規(guī)律，有利于作業(yè)者根據(jù)環(huán)境條件對船體運動情況做出大致判斷，合理選擇不同環(huán)境條件下的裝配載措施。本文主要運用統(tǒng)計分析方法對渤海曹妃甸作業(yè)區(qū)112FPSO現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)中的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和船體運動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究，總結(jié)得到環(huán)境數(shù)據(jù)對船體運動、系泊響應(yīng)之間的統(tǒng)計回歸關(guān)系，從而為海上進行FPSO運動及系泊力快速預(yù)報提供理論支持依據(jù)。

FPSO運動；系泊響應(yīng)；監(jiān)測數(shù)據(jù)；統(tǒng)計分析；回歸關(guān)系

1 引言

目前國內(nèi)所應(yīng)用的浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)均采用單點系泊系統(tǒng)，此種系泊系統(tǒng)可使得FPSO在海上作業(yè)時具備風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，使其受到最小的系泊力。由于FPSO處于海上風(fēng)浪多變的復(fù)雜環(huán)境之中，自身存儲原油載重變化不斷，加上FPSO連接外輸油船對船體本身產(chǎn)生拉力，因此FPSO軟剛臂系泊裝置受力異常復(fù)雜[1-2]。近年來，海洋環(huán)境條件愈加惡劣，超強臺風(fēng)頻頻出現(xiàn)，頻發(fā)的單點事故導(dǎo)致了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失及社會影響。對FPSO軟剛臂系泊系統(tǒng)進行實時、全面、長期的現(xiàn)場監(jiān)測，實時掌握單點系泊系統(tǒng)的狀態(tài)，是對系泊結(jié)構(gòu)進行安全評估最有效的途徑[3]。能夠為作業(yè)者提供及時準(zhǔn)確的系泊安全性信息，及時對單點潛在危險進行預(yù)警，確保單點系泊系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。經(jīng)過監(jiān)測系統(tǒng)一段時間的運行，已經(jīng)記錄了一定的實測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的分析處理作為系泊在線監(jiān)測系統(tǒng)的延續(xù)成為亟待研究的問題。

本文目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于位于渤海曹妃甸11-1/2油田的海洋石油112現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測內(nèi)容主要包括：單點受力測量、環(huán)境監(jiān)測和FPSO運動監(jiān)測三個部分。通過對系泊監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，研究并掌握實測數(shù)據(jù)的分析方法，研究環(huán)境對FPSO船體運動情況的影響，挖掘數(shù)據(jù)潛在的意義，并對日常生產(chǎn)及應(yīng)急管理提供合理化建議，也可為上層決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 數(shù)據(jù)分析方法

海洋工程結(jié)構(gòu)物在服役過程中，將不間斷地遭受到各種條件海洋環(huán)境的作用。因此，海洋環(huán)境是影響海洋工程結(jié)構(gòu)的安全服役的主要因素之一，沒有對相應(yīng)位置的特殊環(huán)境條件的清晰認(rèn)識，海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計將無從談起。通常來講影響海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計的環(huán)境因素包括：風(fēng)、浪、流等，在某些特定的區(qū)域，還應(yīng)考慮內(nèi)波、地震和海冰的影響。

2.1.1 風(fēng)設(shè)計值

風(fēng)設(shè)計值的獲取與波浪設(shè)計值的獲取方法相同。依靠足夠次數(shù)的觀察，建立經(jīng)驗分布函數(shù)?；谶@些函數(shù)，修正韋布爾律或其他漸近律。通過外推，得出十年一遇、百年一遇等設(shè)計值。

風(fēng)速的長期分布一般采用通用的分布函數(shù)或散布圖來表示。除非實測數(shù)據(jù)顯示嚴(yán)重不符，否則在參考高度的處10分鐘平均風(fēng)速的變化情況用韋布爾分布來表示[4]：

式中，系數(shù)和由實測數(shù)據(jù)確定。

對應(yīng)于一定回歸周期內(nèi)的最大分速，其概率可近似表示為：

2.1.2 浪

海洋結(jié)構(gòu)物在生存期間將經(jīng)歷無數(shù)次波浪的作用，對于海上的油田設(shè)施而言，一般認(rèn)為三小時內(nèi)的海況是不變的，即波浪的平均統(tǒng)計特性不變。每個海況包括一系列波高和周期可變化的波浪。通過對這些波浪應(yīng)用極其精確的方式加以描述，從而可將它與水動力載荷聯(lián)系在一起。目前對于波浪測量數(shù)據(jù)的分析方法主要有：逐波分析和譜分析[4]。

2.1.3 流

在某一給定近海位置，流是洋流、潮流和風(fēng)共同作用下表面水團的驅(qū)動效應(yīng)的疊加結(jié)果。流的強度和方向在不同深度的水層中會發(fā)生變化，一般來說，流剖面圖分為十年一遇的速度“剖面圖”、百年一遇的速度“剖面圖”等。

典型洋流可分為：風(fēng)致流、潮汐流、循環(huán)流、渦流、孤立流、沿岸流。

2.1.4 相關(guān)性及回歸分析

測度相關(guān)關(guān)系的方式有三種，即相關(guān)表、相關(guān)圖和相關(guān)系數(shù)。相關(guān)表是一種反映變量之間相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計表。是將某一變量按其取值的大小排列，然后在將與其相關(guān)的另一變量的對應(yīng)值平行排列，便可得到簡單的相關(guān)表。相關(guān)表和相關(guān)圖是研究相關(guān)關(guān)系的直觀工具，它們只能對現(xiàn)象之間存在的相關(guān)關(guān)系的方向、形式和密切程度作大致的判斷，而不能說明其密切程度的大小。因此，需要計算相關(guān)系數(shù)[5]。

根據(jù)線性相關(guān)變量的多少、分析問題的角度不同，相關(guān)系數(shù)可以分為簡單相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)和復(fù)相關(guān)系數(shù)。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本次研究主要針對海洋工程設(shè)施現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的后處理方法展開，目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于位于渤海曹妃甸11-1/2油田的海洋石油112現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測內(nèi)容主要包括：SPM受力測量、環(huán)境監(jiān)測和FPSO運動監(jiān)測三個部分，本報告中用到的監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：

1)該系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測內(nèi)容主要包括：

-風(fēng)速、風(fēng)向-氣溫、濕度和氣壓

-浪高、周期和波向-剖面流速和流向測量

本報告研究內(nèi)容主要針對風(fēng)、浪、流三種環(huán)境要素。每種環(huán)境要素均采用不同的采樣頻率。具體監(jiān)測內(nèi)容詳細(xì)說明如下表：

FPSO系泊力的監(jiān)測采用間接測量的手段，通過監(jiān)測YOKE和系泊鏈角度，利用力學(xué)原理反算出系泊系統(tǒng)受力。各個監(jiān)測要素的數(shù)據(jù)說明如下：

表2 ～3系泊力監(jiān)測數(shù)據(jù)說明

表2 ～2船體運動監(jiān)測數(shù)據(jù)說明

表2 ～1海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)說明

2)FPSO運動和位置監(jiān)測

-FPSO艏向

-FPSO運動姿態(tài)和位置

3)SPM系泊力監(jiān)測

-系泊錨鏈角度

-系泊支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)變

針對FPSO運動和位置的監(jiān)測主要包括：船體位置（緯度、經(jīng)度）、艏向、橫搖、縱搖、東向速度、北向速度、高度（垂蕩），各個監(jiān)測要素的數(shù)據(jù)說明如下：

上述數(shù)據(jù)來自2015年1月至2015年12月系統(tǒng)自動保存的原始數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)分析過程中根據(jù)技術(shù)要求進行必要的甄別和篩查工作。

3環(huán)境條件對船體運動影響規(guī)律

環(huán)境因素是影響船體運動的主導(dǎo)因素，因此掌握環(huán)境因素對船體運動影響的基本規(guī)律，有利于作業(yè)者根據(jù)環(huán)境條件對船體運動情況做出大致判斷，合理選擇不同環(huán)境條件下的裝、配載措施。

3.1 艏向

由于單點系泊系統(tǒng)本身具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)的特點，隨著環(huán)境條件的變化艏向也隨之發(fā)生變化。本節(jié)主要針對這一變化規(guī)律進行了總結(jié)，分別就風(fēng)、浪、流與船體艏向之間的影響規(guī)律進行逐個分析，得出了在不同強度的風(fēng)、浪、流條件下，兩者之間相對夾角之間的關(guān)系。

圖3 .1 1風(fēng)速&相對風(fēng)向聯(lián)合分布圖

圖3.1～2風(fēng)速VS相對風(fēng)向變化規(guī)律

圖3 .1-1直觀展示了不同風(fēng)速下對應(yīng)的相對方向變化情況，由圖可知，大部分工況出現(xiàn)在風(fēng)速10m/s以下，10m/s以上的風(fēng)速出現(xiàn)概率較小。除此之外，不同風(fēng)速下不同相對風(fēng)向都有可能出現(xiàn)，但出現(xiàn)概率不同。（注：相對風(fēng)向表示風(fēng)向與艏向之間的夾角）

圖3 .1～3波高VS相對浪向聯(lián)合分布圖

圖3 .1～4波高VS相對浪向變化規(guī)律

艏向的變化受多種環(huán)境因素的影響，因此不同風(fēng)速與相對風(fēng)向的變化并非一一對應(yīng)，但兩者之間存在一定的總體變化規(guī)律，如圖3.1~2。隨著風(fēng)速的增大相對風(fēng)向逐步減小，兩者之間存在近似線性的關(guān)系。由于目前現(xiàn)有數(shù)據(jù)中大于12m/s風(fēng)速的工況較少，個別工況不具有代表性，因此在回歸分析過程中作為錯誤數(shù)據(jù)進行處理。圖3.1~3直觀展示了波高對應(yīng)的相對浪向分布情況，由圖可知，在波高較低的工況下，相對浪向的分布較為平均，隨之波浪的增加相對浪向在小夾角出現(xiàn)的概率逐步增大。由圖3.1~4可知，隨著波高的增加相對浪向的角度逐步減小，并大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。由擬合曲線第一點工況數(shù)量足夠大但不符合變化規(guī)律可知，波高并不能唯一確定艏向的位置，艏向位置應(yīng)由環(huán)境中較強的要素予以確定。圖3.1~5直觀展示了流速對應(yīng)相對流向的分布情況，由圖可知，相對流向主要集中在180°附近，即流向與艏向為反向。且兩者之間的變化規(guī)律相對明顯，說明流對艏向的影響相對強烈。由圖3.1~6可知，隨著流速的增加相對流向逐步向180°接近并趨于平穩(wěn)，整體變化趨勢呈二次變化關(guān)系。結(jié)合圖3.1~5及3.1~6可知，流速對艏向的影響系數(shù)較大，但艏向的最終確定依然是風(fēng)、浪、流等環(huán)境要素聯(lián)合作用的結(jié)果。

圖3 .1～5流速VS相對流向聯(lián)合分布圖

圖3 .1～6流速VS相對流向變化規(guī)律

3.2 橫搖運動

橫搖是衡量FPSO運動性能的一項重要指標(biāo)，橫搖運動過大會直接影響海上的作業(yè)安全，從而造成停產(chǎn)，因此有必要分析環(huán)境要素與FPSO橫搖運動之間的影響規(guī)律，以便在生產(chǎn)設(shè)計中作為參考。由于橫搖運動的均值經(jīng)常受FPSO裝載情況影響，因此本小節(jié)不對橫搖運動的均值做重點研究，研究過程中僅考慮波浪與橫搖運動之間的影響規(guī)律。由于波浪相對船體的入射角各不相同，為了考慮入射角對波高的影響，引入了相對波高的概念，即將波高在船體艏向的垂直方向上進行了分解。

圖3 .2～1波高、周期與橫搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（0°～45°）

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角小于45°時，波高及周期對船體橫搖運動的影響如圖3.2~1所示。

圖3 .2～2相對波高、周期與橫搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（0°～45°）

考慮波浪入射角的影響，將波高在船體艏向垂直方向上進行分解，得到相對波高、周期對船體橫搖運動的影響圖3.2~2，總體變化規(guī)律與圖3.2~1相似。

圖3 .2～3波高、周期與橫搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（45°～135°）

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角為45°~135°之間時,波高及周期對船體橫搖運動的影響如圖3.2～4所示。由圖可知，整體規(guī)律及標(biāo)準(zhǔn)差分布情況不具有特別明顯的規(guī)律性。

圖3 .2～4相對波高、周期與橫搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（45°～135°）

綜上分析，波浪對船體橫搖運動的影響關(guān)系相對復(fù)雜，涉及到波高、周期和船體裝載情況等因素。因此上述分析中規(guī)律不顯著的主要原因有：1.橫搖運動涉及影響因素眾多，目前監(jiān)測數(shù)據(jù)有限無法完成各分情況的討論；2.目前監(jiān)測數(shù)據(jù)中環(huán)境條件較為溫和，橫搖運動相對較小，各個影響因素的影響效果難以區(qū)分。

3.3 縱搖運動

縱搖運動的大小直接關(guān)系到系泊鏈張力的變化，且縱搖運動的固有周期處于一般波浪頻率范圍內(nèi)，且普遍認(rèn)為是波浪誘導(dǎo)的波頻運動響應(yīng)，本小節(jié)主要討論波浪與船體縱搖運動之間的關(guān)系。

圖3 .3～1波高、周期縱搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（0°～45°）

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角小于45°時，波高和周期對船體縱搖運動的影響如圖3.3~1所示?？v搖角隨波高增加而逐步增大的規(guī)律較為明顯，但波周期與縱搖角之間的變化規(guī)律較為模糊，這與波浪周期主要集中在6s以內(nèi)，而波周期大于6s的工況數(shù)量有限。

圖3 .3～2相對波高、周期與縱搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（0°～45°）

在考慮波浪入射角度的影響后，浪向與艏向夾角小于45°時，波高和周期對船體縱搖運動的影響規(guī)律與上圖相同，但與目前監(jiān)測數(shù)據(jù)中環(huán)境條件較為溫和有關(guān)，因此入射角對縱搖運動的影響，需要進一步進行討論。

在不考慮波浪入射角度影響的情況下，浪向與艏向夾角在45°~135°之間時，波高和周期對縱搖角的影響如圖3.3~3。波高和周期對縱搖角的影響有限，但也與環(huán)境條件較為溫和有關(guān)，需要進一步進行分析。

圖3 .3～4相對波高、周期與縱搖角標(biāo)準(zhǔn)差散布圖（45°～135°）

在考慮波浪入射角度影響的情況下，波向與艏向夾角在45°~135°之間時，波高和周期對縱搖角的影響規(guī)律與上圖相似，說明在溫和的環(huán)境條件下，波浪入射角度對船體縱搖運動的影響有限。

綜上分析，在溫和環(huán)境條件下，波浪對船體縱搖運動的影響主要發(fā)生在迎浪條件下，且在周期較小時，波浪周期對船體縱搖運動的影響有限。對于波浪入射角的影響還需要進一步進行討論。

3.4 縱蕩運動

縱蕩運動是影響系泊系統(tǒng)回復(fù)力的直接因素，掌握環(huán)境條件對船體縱蕩運動的影響規(guī)律即可對照剛度曲線估算系泊系統(tǒng)回復(fù)力。故本小節(jié)分別針對風(fēng)、浪、流對船體縱蕩運動的影響規(guī)律進行了總結(jié)。

圖3 .4～1風(fēng)速VS縱蕩運動變化規(guī)律

由圖3.4~1所示，隨著風(fēng)速的增大船體縱蕩運動逐步增大，且縱蕩運動的大小與風(fēng)速的平方大致呈線性關(guān)系。

圖3 .4～2波高VS縱蕩運動變化規(guī)律

由圖3.4~2所示，波高與船體縱蕩運動呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，船體縱蕩運動隨波高的增大而增大。

圖3 .4～3流速VS縱蕩運動變化規(guī)律

由圖3.4~3所示，縱蕩運動流速之間的關(guān)系呈線性關(guān)系，但線性關(guān)系斜率較小，因此流速對船體縱蕩運動的影響較小。綜上分析，船體縱蕩運動主要由風(fēng)速和波高決定，流速對船體縱蕩運動的影響較小。

4船體運動對系泊響應(yīng)影響規(guī)律

船體運動與系泊響應(yīng)兩者之間的變化關(guān)系即系泊系統(tǒng)剛度，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測得到的船體運動數(shù)據(jù)及系泊響應(yīng)數(shù)據(jù)，對比兩者之間的數(shù)據(jù)，對照剛度曲線即可檢驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性及設(shè)計系泊剛度曲線的合理性。船體距單點中的縱蕩距離是影響系泊力變化最主要的因素，船體其他運動變化只會引起系泊力在小幅范圍內(nèi)變化，因此系泊系統(tǒng)剛度的分析以縱蕩運動為主。

圖4 ～1系泊鏈張力VS縱蕩散布圖

圖4 ～2水平恢復(fù)力VS縱蕩運動散布圖

由圖4~1可知，系泊鏈張力和船體縱蕩運動之間僅存在大致的趨勢關(guān)系，但并不存在明顯的比例關(guān)系，這主要由于系泊鏈張力是隨船體運動變化最為劇烈的要素，且受系泊鏈垂直方向夾角的影響，因此系泊鏈張力的變化在趨勢線周圍分布較為離散，在實際設(shè)計過程常常以水平恢復(fù)力作為標(biāo)準(zhǔn)進行剛度曲線的繪制，由圖4~2可知，目前監(jiān)測得到的縱蕩運動范圍較小，對照剛度曲線的變化趨勢處于線性段的范圍內(nèi)，因此利用線性關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果較為理想。綜上所述，船體運動與系泊響應(yīng)之間的關(guān)系主要取決于剛度曲線的變化，在實際校核過程中可利用水平回復(fù)力與縱蕩運動之間的關(guān)系進行校核。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，可用于工程實際及可進一步推廣到設(shè)施延壽及可靠性評估等領(lǐng)域的結(jié)論如下：

1.船體艏向及周向位置長期以兩個方向為主，這就造成單點主軸承各部分的疲勞、磨損等壽命不均，通過對船體位置的詳細(xì)跟蹤記錄，可對單點主軸承各部分的實際疲勞損傷進行評估，達到對單點主軸承的全壽命周期跟蹤管理；

2.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到不同裝載條件的下船體六自由度運動固有周期，通過實測固有周期可以校準(zhǔn)數(shù)值模型，為日后數(shù)值預(yù)報提供可能，及時發(fā)現(xiàn)危險工況，并及時做出應(yīng)急響應(yīng)；

3.運用系泊鏈張力的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以真實記錄其受力變化情況，結(jié)合統(tǒng)計分析方法，不僅可以用于系泊鏈實際疲勞累積損傷的評估，而且可以利用系泊鏈張力在不同受力區(qū)間內(nèi)的發(fā)生概率，直接推算系泊鏈張力的受力極值，避免其他間接計算方法造成的誤差累積；

4.利用環(huán)境條件對船體運動及系泊響應(yīng)之間的變化規(guī)律，可以檢驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性，細(xì)化錯誤數(shù)據(jù)的篩查工作，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的故障，保證珍貴數(shù)據(jù)的真實有效。

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李牧1986年天津大學(xué)碩士研究生，工程師。浮體結(jié)構(gòu)專業(yè)方向依托項目泊監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究。依托項目：系泊監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究，項目編號：HFXMLZ-CY201403