基于不同海域海況特點(diǎn)的通用型FPSO疲勞損傷分析

董震，王璞，張鳴，馮國慶

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)

通用型FPSO是為滿足當(dāng)今石油開發(fā)需求而設(shè)計的新型FPSO。(相較于傳統(tǒng)的FPSO，通用型FPSO具有能夠兼容多種系泊方式和縮短建造周期等特點(diǎn)[1]。此前對FPSO疲勞損傷的分析，大多分析FPSO的某一特定運(yùn)行海域，如FPSO在西非海域[2]、墨西哥灣海域、巴西海域或南海海域[3]下的疲勞損傷；或者是分析FPSO在某一特定系泊方式，如多點(diǎn)系泊、單點(diǎn)系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔和單點(diǎn)系泊外傳塔下的疲勞損傷分析，而對于通用型FPSO,由于其具有多海域、多系泊方式的適配特點(diǎn)，這就要求通用型FPSO能夠適應(yīng)不同海域海況下的疲勞損傷。

通用型FPSO需要在西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域等海域下服役，由于不同海域的海況特點(diǎn)存在明顯差異，因而造成船體在不同海域海況下的疲勞損傷也將呈現(xiàn)非常明顯的差異。有必要對通用型FPSO進(jìn)行基于不同海域海況特點(diǎn)的疲勞損傷分析。采用疲勞譜分析法，參考相關(guān)規(guī)范[4-6]，進(jìn)行基于不同海域海況特點(diǎn)下的通用型FPSO疲勞損傷分析，得出不同海域海況下的通用型FPSO疲勞損傷特點(diǎn)。

1 計算公式

疲勞計算回復(fù)期的疲勞累積損傷度表示為

(1)

根據(jù)得到的疲勞計算回復(fù)期的疲勞累積損傷度D，可得到實(shí)際的疲勞壽命，公式如下。

(2)

式中：TL為疲勞計算的回復(fù)期，年；Tf為實(shí)際疲勞壽命，年。

2 通用型FPSO關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命計算

2.1 計算工況

通用型FPSO主尺度見表1。

表1 通用型FPSO主尺度 m

根據(jù)通用型FPSO的多海域適配要求，選取3個海域即西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域。根據(jù)海況惡劣程度及設(shè)計經(jīng)驗(yàn)決定，西非海域采用多點(diǎn)系泊，墨西哥灣海域與巴西海域均采用單點(diǎn)系泊內(nèi)轉(zhuǎn)塔和單點(diǎn)系泊外轉(zhuǎn)塔。每種系泊方式應(yīng)至少包括滿載及壓載2種典型裝載工況，滿載及壓載的時間分配系數(shù)均取50%。

3種海域不同系泊方式不同裝載工況下船體在譜分析計算過程中的波浪載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)均不相同，故在損傷累積計算中需要單獨(dú)計算各裝載工況與其相應(yīng)時間分配系數(shù)下的疲勞損傷度，根據(jù)線性損傷累計理論，總損傷度為系泊方式下兩種裝載工況之和。

通用型FPSO通過系泊的方式固定，其中系泊的影響通過懸鏈線方法計算，考慮其張力對剛度矩陣的影響，固定通用型FPSO的懸鏈線預(yù)張力見表2。

表2 懸鏈線預(yù)張力

波浪載荷采用三維勢流載荷計算方法進(jìn)行計算，參考中國船級社船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[7]的規(guī)定，其中多點(diǎn)系泊和單點(diǎn)系泊的計算航速和波浪圓頻率均相同。

多點(diǎn)系泊和單點(diǎn)系泊的航向角0°均為迎浪。多點(diǎn)系泊航向角取為0°～330°，間隔為30°，共計12個浪向。單點(diǎn)系泊考慮風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，單點(diǎn)系泊航向角取為-30°～30°，間隔為15°，共計5個浪向。

2.2 不同海域海浪的能量特點(diǎn)

由于西非海域、墨西哥灣海域和巴西海域具有各自的海況概率及海浪能量特點(diǎn)，因此需要選取不同的功率譜密度。其中西非海域的功率譜密度采用6參數(shù)的Ochi_Hubble譜，墨西哥灣海域和巴西海域的功率譜密度采用3參數(shù)的Jonswap譜。

6參數(shù)的Ochi_Hubble譜表達(dá)式為

(3)

式中：HS,i，ωS,i和λi(i=1,2)分別對應(yīng)于低頻和高頻部分的有義波高、譜峰頻率和形狀參數(shù)，i=1對應(yīng)于低頻譜，i=2對應(yīng)于高頻譜。

Jonswap譜用譜峰周期TP和有義波高HS以及γ三個參數(shù)來表示，波浪譜的表達(dá)式為

(4)

式中：ωp=2π/Tp；γ為譜峰升高因子；μ為譜型參數(shù)；A=1-0.287ln(γ)為無因次參數(shù)；ω為波浪角頻率。

選取3個海域的典型海況概率作為輸入，其中西非海域的海況主要集中在譜峰周期TP：10～13 s，有義波高HS：1.4～1.6 m的范圍內(nèi)；墨西哥灣海域的海況主要集中在譜峰周期TP：4.5～5.5 s，有義波高HS：0.75～1.25 m的范圍內(nèi)；巴西海域的海況主要集中在譜峰周期TP：5～13 s，有義波高HS：1.5～3.5 m的范圍內(nèi)。

為了進(jìn)一步考察波浪特點(diǎn)，節(jié)選3個海域的部分代表性海況，繪制海浪譜密度曲線圖，見圖1。

圖1 不同海域功率譜密度對比

3個海域呈現(xiàn)了3種能量集中形式。西非海域功率譜密度表現(xiàn)出了能量低頻集中的特點(diǎn)，且在圓頻率升高時出現(xiàn)了快速的下降趨勢。墨西哥灣海域則展現(xiàn)出了能量峰值圓頻率更高的特點(diǎn)，且隨著圓頻率的升高能量下降相對緩慢。巴西海域能量峰值分布相對較為廣泛，在低頻位置雖不如西非海域能量集中，但相較于墨西哥灣海域要高許多。

2.3 剖面載荷分析

疲勞破壞是結(jié)構(gòu)在波浪載荷作用下的結(jié)果，為進(jìn)一步分析不同海域海況對通用型FPSO疲勞強(qiáng)度的影響，對剖面載荷RAO與波浪功率譜密度S(ω)進(jìn)行對照分析。剖面載荷RAO通過COMPASS-WALCS進(jìn)行計算。采用了內(nèi)轉(zhuǎn)塔、外轉(zhuǎn)塔與多點(diǎn)系泊3種系泊方式，裝載工況均為滿載。考察船舯剖面垂向彎曲與扭轉(zhuǎn)兩種剖面載荷響應(yīng)。結(jié)果見圖2～4。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔滿載船舯剖面

圖3 外轉(zhuǎn)塔滿載船舯剖面

圖4 西非海域多點(diǎn)系泊滿載船舯剖面

3種系泊方式下的剖面載荷RAO具有相近的規(guī)律，即垂向彎矩在圓頻率0.4 rad/s附近出現(xiàn)了最大值，而轉(zhuǎn)矩在圓頻率為0.6 rad/s附近出現(xiàn)最大值。

在疲勞強(qiáng)度計算中，剖面載荷RAO和海浪譜乘積與疲勞損傷成正相關(guān)關(guān)系，在兩者峰值頻率吻合時會產(chǎn)生指數(shù)級的損傷增大。因此3個海域海況分別對垂向彎曲與扭轉(zhuǎn)兩類響應(yīng)下的疲勞損傷有著不同的影響。通過與海浪譜對比發(fā)現(xiàn)，垂向彎矩的整體分布與西非海域海況能量分布重合度較高，巴西海域次之，與墨西哥灣海域重合度較低。轉(zhuǎn)矩方面則恰好相反，其與墨西哥灣海域及巴西海域能量分布重合度較高，與西非海域重合度較低。

2.4 有限元模型

考慮腐蝕余量的影響，建立通用型FPSO全船有限元模型。在熱點(diǎn)附近，精細(xì)網(wǎng)格尺寸為t×t,其中t是熱點(diǎn)附近的最小板的凈厚度。熱點(diǎn)附近的所有支撐構(gòu)件(包括板和加強(qiáng)筋)均采用4節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從精細(xì)網(wǎng)格到普通網(wǎng)格的過渡也足夠平滑。通過選取典型剖面和設(shè)計波法篩選得到5個船體疲勞關(guān)鍵熱點(diǎn)。見圖5。

圖5 關(guān)鍵熱點(diǎn)選擇

2.5 應(yīng)力傳遞函數(shù)

熱點(diǎn)應(yīng)力RAO采用直接計算法進(jìn)行計算。首先分別將多種系泊方式、多浪向(0°為迎浪)、多圓頻率單位波幅下的水動壓力加載至有限元模型。通過PCL二次開發(fā)程序及批處理程序?qū)崿F(xiàn)批量計算及數(shù)據(jù)處理。由于熱點(diǎn)RAO較多，限于篇幅，選取具有代表性的典型熱點(diǎn)5滿載載況的熱點(diǎn)應(yīng)力RAO，見圖6～8。

圖6 內(nèi)轉(zhuǎn)塔滿載熱點(diǎn)5應(yīng)力RAO

圖7 外轉(zhuǎn)塔滿載熱點(diǎn)5應(yīng)力RAO

圖8 多點(diǎn)系泊滿載熱點(diǎn)5應(yīng)力RAO

當(dāng)圓頻率增加時，3種系泊方式下的應(yīng)力均為先上升后下降。3種系泊方式在浪向?yàn)?30°圓頻率在0.5 rad/s左右時應(yīng)力為最大。3種系泊方式下外轉(zhuǎn)塔各浪向曲線的重合度最高，內(nèi)轉(zhuǎn)塔次之，多點(diǎn)系泊各浪向的曲線重合度最低。

2.6 損傷計算結(jié)果

選取的相關(guān)熱點(diǎn)在各海況下的疲勞損傷計算結(jié)果見表4。

由表4可知，熱點(diǎn)3在5種海域工況下?lián)p傷最大，在多點(diǎn)系泊西非海域?yàn)?.29×10-2；熱點(diǎn)1在5種海域工況下?lián)p傷最小，在外轉(zhuǎn)塔墨西哥灣海域?yàn)?.29×10-5。在熱點(diǎn)相同的情況下，西非海域的損傷最大，巴西海域次之，墨西哥灣海域最小。在海域相同的情況下，熱點(diǎn)4在墨西哥灣海域下兩種系泊方式下的損傷差距最小，熱點(diǎn)3在巴西海域下兩種系泊方式下的損傷差距最大。在熱點(diǎn)相同，海域相同的情況下，內(nèi)轉(zhuǎn)塔的損傷大于外轉(zhuǎn)塔的損傷。

表4 熱點(diǎn)損傷

3 結(jié)論

1)對于通用型FPSO,垂向彎矩對于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度影響比轉(zhuǎn)矩對于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響要大很多，要優(yōu)先考慮垂向彎矩對于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響；西非海域海況下垂向彎矩對于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響最大，巴西海域次之，墨西哥灣海域最小。

2)對于通用型FPSO，不同海域海況，不同系泊方式下的疲勞損傷均具有明顯差異。在多數(shù)情況下多點(diǎn)系泊西非海域疲勞損傷是3個海域中最大的，在設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮多點(diǎn)系泊西非海域下的疲勞損傷；當(dāng)通用型FPSO的運(yùn)行海域?yàn)槟鞲鐬澈Ｓ蚧虬臀骱Ｓ驎r，在設(shè)計時要重點(diǎn)考慮系泊方式為內(nèi)轉(zhuǎn)塔時的疲勞損傷；當(dāng)通用型FPSO的系泊方式為內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊或外轉(zhuǎn)塔系泊時時，在設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮運(yùn)行海域?yàn)榘臀骱Ｓ驎r的疲勞損傷。