FPSO軟剛臂單點(diǎn)系泊模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

樊哲良， 孫珊珊， 王延林， 張向鋒， 徐留洋

（大連理工大學(xué)a． 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b． 基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧盤錦124221）

0 引 言

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)主要用來系泊海洋固定裝置的大型船形浮體，經(jīng)常用于油氣開發(fā)的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置或卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO），近年來也被應(yīng)用在海上的核能發(fā)電、溫差發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等船形浮體。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)連接船形浮體和海底管匯，在風(fēng)標(biāo)效應(yīng)的作用下，不僅需設(shè)計(jì)合理的剛度，限制浮體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)過程中需要保證管道、單點(diǎn)傳輸系統(tǒng)等不受破壞。渤海多個(gè)FPSO 均采用了軟剛臂單點(diǎn)系泊的概念。渤海多年的軟剛臂原型測量中發(fā)現(xiàn)［1］，在復(fù)雜的海洋作用下浮體會(huì)引起軟剛臂結(jié)構(gòu)的橫擺共振問題，即便在溫和海況下軟剛臂的橫擺響應(yīng)仍十分顯著。同時(shí)，軟剛臂空間姿態(tài)以及產(chǎn)生的動(dòng)荷載會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷產(chǎn)生難以量化的影響。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)一般較大，如果在實(shí)驗(yàn)室對(duì)真實(shí)的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行全部還原受到場地的限制，只能將單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行縮比。傳統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)方法主要是水池實(shí)驗(yàn)，目的是驗(yàn)證單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理［2-4］。然而，由于水池的限制模型比例都較小，選擇較小的比尺使得結(jié)構(gòu)模型難以加工，嚴(yán)重影響了模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，水池實(shí)驗(yàn)更多的是分析系泊浮體的運(yùn)動(dòng)性能，忽略了對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題的研究。通常海洋結(jié)構(gòu)比較龐大，可采用動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)有針對(duì)性的研究。

動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是Nakashima 等［5］基于擬動(dòng)力結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)的新型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)可以將結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件或者裝備獨(dú)立出來作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，而結(jié)構(gòu)的其余部分通過振動(dòng)臺(tái)或數(shù)值模擬，這使得研究人員可以盡可能地利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和空間條件，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力響應(yīng)開展模型實(shí)驗(yàn)。動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震研究當(dāng)中［6-7］，近些年來在海洋工程領(lǐng)域也得到了發(fā)展［8-9］?；谝陨侠碚摚疚膶⒋胃◇w由6 自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)代替，基于量綱分析理論，在適當(dāng)?shù)暮喕Ｐ突A(chǔ)上，考慮軟剛臂存在問題，嘗試建立軟剛臂系泊系統(tǒng)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)滿足的相似準(zhǔn)則

軟剛臂單點(diǎn)系泊方式適用于水深在40 m 以內(nèi)的淺水海域，主要由船形浮體、軟剛臂、單點(diǎn)平臺(tái)三部分組成，如圖1 所示。其中，軟剛臂是一個(gè)空間多剛體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部共有13 個(gè)鉸接點(diǎn)，軟剛臂一端X1鉸接船形浮體的系泊支架；另一端X3鉸接單點(diǎn)平臺(tái)的主軸承X4，同時(shí)系泊腿X2鉸接系泊臂，能夠解除浮體由于波浪的波頻而產(chǎn)生的約束。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以渤海明珠號(hào)FPSO軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，采用1∶10 的大比尺模型結(jié)構(gòu)，理論上滿足模型的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。由于本次試驗(yàn)只針對(duì)軟剛臂存在的科學(xué)問題進(jìn)行研究，因此該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為部分相似。

圖1 FPSO軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

1.1 軟剛臂

（1）軟剛臂模型整體設(shè)計(jì)。軟剛臂模型是整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心，因此，軟剛臂模型設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。除要保證構(gòu)件的尺寸相似外，同時(shí)應(yīng)保證重力的相似。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，如果使尺寸和重力全部相似，軟剛臂桿件壁厚過薄，有可能造成試驗(yàn)過程中彎曲強(qiáng)度不夠。因此，系泊臂、系泊腿、壓載艙等可由鋁代替。此外，軟剛臂鉸接船形浮體，本質(zhì)上屬于一維的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，還應(yīng)滿足剛度的相似。理論上，剛度相似比較復(fù)雜，假定系統(tǒng)是靜態(tài)的，根據(jù)力和力矩平衡的原理，軟剛臂系泊系統(tǒng)無論在縱向還是在垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)，都滿足力平衡和力矩平衡。當(dāng)發(fā)生縱向和橫向位移時(shí)，軟剛臂系泊結(jié)構(gòu)上的受力如圖2 所示。圖中：φ1為系泊臂與水平方向傾角；φ2為系泊腿與豎直方向夾角；L1、L2分別為系泊臂、壓載液質(zhì)心與O′間的線距離；L3為系泊腿質(zhì)心與上鉸接點(diǎn)之間線距離；L4、L5分別為系泊臂、系泊腿計(jì)算長度。根據(jù)樊哲良等［10］給出的關(guān)系式，軟剛臂水平系泊力為

保持垂直高度Xv為一定工況的高度，φ2假定為零時(shí)，水平距離也為零，編制MATLAB 程序，可得到軟剛臂水平系泊力與距離之間的關(guān)系。其中，水平系泊力Fh和水平距離Xh的比值即為軟剛臂的剛度

因此，要想保證剛度的相似，除了需要保證尺寸相似與重力相似外，各個(gè)主要構(gòu)件，如系泊臂、系泊腿、壓載艙等的重心位置也必須相似。

圖2 軟剛臂系泊結(jié)構(gòu)

（2）TLD 減振設(shè)計(jì)。為減少軟剛臂橫擺共振幅度，保證軟剛臂模型的尺寸相似、重力相似以及重心位置相似的基礎(chǔ)上，在2 個(gè)壓載艙模型之間設(shè)計(jì)了一套TLD減振裝置。由于軟剛臂只有橫擺方向需要進(jìn)行減振，其方向比較單一，選取矩形容器對(duì)軟剛臂的橫擺進(jìn)行抑制。TLD模型的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)包括：①TLD模型裝置長度L。為了避免在加上TLD后改變軟剛臂在縱蕩方向上的剛度，可在2 個(gè)壓載艙重心處中間加裝TLD裝置。參考模型2 個(gè)壓載艙內(nèi)側(cè)艙壁的距離以及表1的縮尺比，實(shí)際的TLD長度L 設(shè)計(jì)為1． 64 m；②TLD模型容器高度h。利用6 自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)對(duì)軟剛臂在無TLD的狀態(tài)下的橫擺方向進(jìn)行加載，得到軟剛臂模型橫擺固有頻率為0． 32 Hz。根據(jù)反共振調(diào)諧原理，TLD的頻率應(yīng)與軟剛臂橫擺固有頻率保持一致，分別按照TLD的深水理論和淺水理論方法［11-12］計(jì)算液體高度。從結(jié)果能夠看出，當(dāng)TLD 固有頻率0． 32 Hz、長度為1． 64 m時(shí)，利用深水理論和淺水理論所計(jì)算出的液體高度差別不大，均為0． 11 ～0． 12 m，最終TLD 模型容器的設(shè)計(jì)高度h為0． 3 m。③TLD容器寬度b。設(shè)計(jì)容器的寬度應(yīng)當(dāng)適中，若設(shè)計(jì)太小能降低TLD的動(dòng)力吸振效果，太大則壓載艙不足以全部提供TLD 的液體。實(shí)際TLD模型容器的設(shè)計(jì)寬度b為0． 25 m。

在軟剛臂模型設(shè)計(jì)過程中，2 個(gè)壓載艙與中間的TLD容器均可以拆卸，以滿足不同的試驗(yàn)需求。加裝TLD容器方法如圖3 所示。

圖3 軟剛臂加裝TLD示意圖

（3）系泊腿上鉸點(diǎn)軸承設(shè)計(jì)。系泊腿上端鉸接點(diǎn)X1具有3 個(gè)自由度，如圖4（a）所示，通過鉸接點(diǎn)R1x與R1y實(shí)現(xiàn)了前后、左右兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)；通過內(nèi)置的推力滾子軸承（見圖4（b）），既實(shí)現(xiàn)了上鉸點(diǎn)與系泊腿之間力的傳遞，同時(shí)保證了系泊腿沿豎直方向R1z的旋轉(zhuǎn)。一旦推力滾子軸承發(fā)生故障，可能會(huì)造成功能域、強(qiáng)度、疲勞等失效問題，甚至不能發(fā)生相對(duì)的艏搖，造成疲勞斷裂破壞被迫停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)［13］。因此，推力滾子軸承對(duì)于軟剛臂正常工作具有重要作用。

圖4 系泊腿結(jié)構(gòu)（a）與推力滾子軸承（b）

理論上推力滾子軸承應(yīng)嚴(yán)格遵守相似準(zhǔn)則，考慮到常規(guī)的軸承無法保證縮比模型的縮尺尺寸，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用與縮尺尺寸相近的NSK89307 的推力滾子軸承，保證了軸承的運(yùn)動(dòng)相似。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：內(nèi)圈直徑35． 0 mm，外圈直徑68． 0 mm，節(jié)圓直徑51． 5 mm，滾動(dòng)體半徑8 mm，滾動(dòng)體數(shù)量12，接觸角β ＝90°。

1.2 單點(diǎn)平臺(tái)

在軟剛臂系泊定位中，單點(diǎn)平臺(tái)起到了錨泊點(diǎn)的作用，是保證在季風(fēng)氣候下船形浮體具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，時(shí)刻保持環(huán)境荷載最小的關(guān)鍵裝置。由于單點(diǎn)平臺(tái)模型不是此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因此僅需保證懸掛點(diǎn)X3的相對(duì)X1在高度上的相似，同時(shí)保證主軸承X4直徑尺寸上的相似，而不用考慮運(yùn)動(dòng)相似與動(dòng)力相似。

1.3 系泊支架

系泊支架焊接于6 自由度平臺(tái)上方，主要用來保證軟剛臂的垂直高度，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)可考慮其外形相似，并保持系泊支架的絕對(duì)剛度，簡化具體結(jié)構(gòu)形式。

1.4 船形浮體

在軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的研究中，船形浮體是軟剛臂的載體。由于原型船形浮體往往在210 m 以上，即使比尺很大，也很難在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，浮體假設(shè)為剛體，6 自由度平臺(tái)代替浮體，將浮體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)軟剛臂，而不必考慮船形浮體模型具體形式，有利于簡化軟剛臂單點(diǎn)系泊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)，且不影響對(duì)軟剛臂問題的研究。

由以上縮尺關(guān)系可推導(dǎo)縮比模型各量綱單位的縮比因數(shù)［14］，其中：λ 為尺寸縮尺比；L 為線性長度；M為質(zhì)量；T表示時(shí)間，如表1 所示。

表1 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)縮比模型試驗(yàn)縮尺因數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

FPSO軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，主要包括浮體縱蕩剛度、軟剛臂橫擺、系泊腿推力滾子軸承故障等，這些是判斷軟剛臂在位運(yùn)行安全性能的重要依據(jù)。試驗(yàn)內(nèi)容主要是船形浮體在橫搖與艏搖運(yùn)動(dòng)下，軟剛臂存在的科學(xué)問題。其中，橫搖主要引起軟剛臂的橫擺共振。將原型壓載艙內(nèi)部的壓載液由水代替，壓載水分配到TLD裝置當(dāng)中，以保證軟剛臂總體質(zhì)量相同。為了研究在不同液體深度下TLD 對(duì)軟剛臂的減振效果，分別按照TLD的液體深度0． 06、0． 09、0． 12 m進(jìn)行軟剛臂橫蕩減振試驗(yàn)。試驗(yàn)中，利用6 個(gè)自由度平臺(tái)模擬FPSO的橫搖，以1°、2°和3°進(jìn)行加載。此外，采用掃頻的方式，從0． 2 Hz開始，以0． 02 Hz的遞增直至0． 4 Hz結(jié)束。

艏搖主要引起軟剛臂推力滾子軸承的損傷問題。由于軟剛臂的鉸接點(diǎn)出現(xiàn)故障是一個(gè)長期過程，可首先利用完好的鉸接點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，再將有故障的鉸接點(diǎn)替換進(jìn)行相同試驗(yàn)。通過加速度采集數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而建立故障診斷的評(píng)價(jià)方法。試驗(yàn)中，6 自由度平臺(tái)輸入船形浮體的艏搖激勵(lì)，進(jìn)而帶動(dòng)系泊腿沿R1Z方向旋轉(zhuǎn)?？紤]到實(shí)際的FPSO船體艏搖運(yùn)動(dòng)的幅度與頻率不會(huì)特別大，試驗(yàn)的艏搖幅度控制在± 7°內(nèi)，艏搖頻率控制在0． 35 Hz內(nèi)。

試驗(yàn)開始之前，6 軸慣導(dǎo)傾角儀分別安裝在系泊腿上部系泊支架與系泊腿處，通過作差得到推力滾子軸承Rz的轉(zhuǎn)角。雙軸傾角儀分別安裝在系泊臂與系泊腿處，進(jìn)而測量軟剛臂橫擺運(yùn)動(dòng)的幅值。4 個(gè)振動(dòng)加速度傳感器布置在左右系泊腿軸承處，分別采集軸向及徑向的振動(dòng)加速度信號(hào)。傳感器剛性地固定在軸承所在位置的系泊腿外壁上，以確保推力滾子軸承的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過軸套和系泊腿外壁被傳感器采集到。同時(shí)，為更好地觀察推力滾子軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和軟剛臂的橫向擺動(dòng)，在左右系泊腿的軸承位置以及遠(yuǎn)處各安裝一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控?cái)z像儀。在此基礎(chǔ)上，所有的傳感器匯總至動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)試驗(yàn)系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)評(píng)價(jià)

3.1 TLD減振策略驗(yàn)證

試驗(yàn)過程中，由于需保證軟剛臂模型總體質(zhì)量不變，故將壓載艙中的水部分灌入到TLD 容器中，造成兩端壓載艙的空氣占據(jù)一定的空間，因此，壓載艙也是一種類型的TLD［15］。從表2 可以看出，在軟剛臂模型固有頻率0． 32 Hz時(shí)，3 種TLD 液體深度下減振幅值大都達(dá)到了70%以上，其中在最為接近TLD模型設(shè)定深度的9 cm和12 cm減振最為明顯，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型加裝TLD 對(duì)軟剛臂橫擺減振的可行性。后期將在TLD內(nèi)部設(shè)置隔板，并在壓載艙內(nèi)安裝擋板抑制壓載艙的晃動(dòng)，優(yōu)化TLD的效果。

表2 不同水深下TLD減振效果對(duì)比

3.2 推力滾子軸承試驗(yàn)驗(yàn)證

為了獲取推力滾子故障軸承的結(jié)構(gòu)缺陷，采用了電火花的加工技術(shù)。圖6（a）所示為經(jīng)電火花加工的FPSO系泊腿推力滾子軸承外圈滾道，缺陷深度為0． 2 mm，寬度為0． 3 mm?？紤]到系泊腿外壁較厚，軸承產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過較長的傳遞路徑后，會(huì)有一定程度的衰減，試驗(yàn)加工缺陷寬度較大。圖6（b）所示為經(jīng)電火花加工過的FPSO 系泊腿推力滾子軸承滾動(dòng)體，滾動(dòng)體缺陷深度為0． 1 mm。通過采集正常軸承與故障軸承的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行最小熵解卷積濾波降噪處理［16］，比較正常軸承與故障軸承在艏搖過程中加速度值的變化，如圖7、8 所示，可獲得判斷FPSO系泊腿軸承運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)依據(jù)，從而驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)的正確性。

圖6 推力滾子缺陷故障的結(jié)構(gòu)

圖7 正常軸承的時(shí)域波形圖與頻譜包絡(luò)圖

圖8 軸承滾道故障的時(shí)域波形圖與頻譜包絡(luò)圖

4 結(jié) 語

以渤海明珠號(hào)FPSO 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為原型，設(shè)計(jì)與制造采取了部分相似的縮尺策略。其中，單點(diǎn)平臺(tái)與系泊支架在保證絕對(duì)剛度的前提下僅為幾何相似，軟剛臂模型除滿足幾何相似外，還滿足重力相似與剛度相似，船形浮體由6 自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)代替，保障了在大比尺（1∶10）情況下試驗(yàn)的有效性與可靠性。軟剛臂模型具備TLD減振裝置，并縮比了推力滾子軸承的結(jié)構(gòu)，可用于橫擺減振策略與推力滾子軸承故障分析的研究。目前，針對(duì)這兩項(xiàng)研究已經(jīng)有一定的進(jìn)展，未來，將以該試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，針對(duì)軸承的損傷評(píng)價(jià)、剛度的設(shè)計(jì)以及軟剛臂運(yùn)動(dòng)下對(duì)單點(diǎn)平臺(tái)的影響等，在模型改進(jìn)中分析討論。