穿梭油輪外輸工況系船纜張力影響分析

韓宇,鐘啟源,李英

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津300452;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300072)

采用穿梭油輪外輸作業(yè)時(shí),FPSO與穿梭油輪靠泊方式分為并靠和串靠,串靠外輸作業(yè)過(guò)程涉及多浮體的耦合運(yùn)動(dòng),并且受風(fēng)、浪、流等多種環(huán)境參數(shù)及多種裝載工況影響,針對(duì)FPSO外輸工況,國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在建立多體數(shù)值模型開(kāi)展耦合時(shí)域模擬,將模擬結(jié)果與力學(xué)模型或試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果相比較,驗(yàn)證可靠性,并且重點(diǎn)關(guān)注系泊纜索的張力變化[1-10]。本文主要針對(duì)FPSO串靠外輸工況下的系船纜張力,開(kāi)展多種工況條件下的多浮體時(shí)域耦合分析,獲取系船纜張力時(shí)歷變化,分析多參數(shù)對(duì)系船纜張力變化的影響,保障外輸作業(yè)安全進(jìn)行。

1 計(jì)算理論

1.1 一階波浪力

浮體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到波浪力的作用,一般情況下波浪力包括浮體強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的輻射力、浮體固定時(shí)入射波浪產(chǎn)生的入射力、浮體固定時(shí)產(chǎn)生的繞射力以及靜水力載荷,對(duì)于FPSO這種大尺度結(jié)構(gòu)物而言,一階波浪力主要包括未擾動(dòng)入射波的波壓強(qiáng)對(duì)浮體產(chǎn)生的Froude-Krylov力和擾動(dòng)波壓強(qiáng)對(duì)浮體產(chǎn)生的繞動(dòng)力。

采用線性伯努利方程計(jì)算浮體表面的波壓強(qiáng),將散射波速度勢(shì)與入射波速度勢(shì)線性疊加,得到波動(dòng)場(chǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)總速度勢(shì),求出浮體表面S各點(diǎn)的波壓強(qiáng),公式如下:

ωρRez[i(φI+φS)e-iωt]

(1)

沿著浮體靜水濕表面積分得到浮體受力:

(2)

求得一階波浪力為

(3)

式中:φI(x,y,z,t)為入射波速度勢(shì);φS(x,y,z,t)為散射波速度勢(shì);ω為波浪圓頻率;ρ為海水密度。

1.2 二階波浪力

浮體在水中運(yùn)動(dòng)既會(huì)受到一階波浪力,也受到二階波浪力的影響,二階波浪力主要包括波浪平均漂移力、低頻波浪力和高頻波浪力。對(duì)于FPSO和穿梭油輪,二階波浪力主要是平均漂移力和低頻波浪力。低頻波浪力由一階波場(chǎng)的二次積和入射波和繞射波的二階速度勢(shì)組成,嚴(yán)重影響海上平臺(tái)的正常作業(yè)。求解二階低頻載荷常采用Newman近似法,對(duì)于M個(gè)波浪單元,低頻載荷為

(4)

Newman近似法求解較為簡(jiǎn)便,精度可以滿足工程上一般要求。

2 外輸作業(yè)多體耦合分析模型

2.1 模型參數(shù)

FPSO、系船纜、鋼臂系泊系統(tǒng)及穿梭油輪主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 時(shí)域模型主要參數(shù)

設(shè)定船體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于船體重心處,x軸由船尾指向船艏,y軸由右舷指向左舷,z軸由船底指向甲板,穿梭油輪與FPSO船體坐標(biāo)系定義保持一致。在OrcaFlex中建立軟鋼臂系泊系統(tǒng)、FPSO、系船纜與穿梭油輪多浮體模型見(jiàn)圖1。FPSO在渤海海域作業(yè),海洋環(huán)境條件見(jiàn)表2。圖1給出了應(yīng)用AQWA 開(kāi)展水動(dòng)力分析的FPSO一階水動(dòng)力響應(yīng)RAO。

表2 作業(yè)海域環(huán)境條件

圖1 FPSO滿載工況六個(gè)自由度RAO

2.2 時(shí)域分析

開(kāi)展外輸工況下的多浮體時(shí)域分析時(shí),考慮風(fēng)浪流載荷的聯(lián)合作用,依照作業(yè)海域海況以及規(guī)范要求,組合計(jì)算工況,并依據(jù)OCIMF規(guī)范計(jì)算船體所受風(fēng)、流載荷。

根據(jù)ABS規(guī)范[11],對(duì)風(fēng)浪流角度按照以下方式進(jìn)行組合?？紤]多浮體系統(tǒng)具有對(duì)稱(chēng)性,環(huán)境載荷作用方向在0～180°范圍內(nèi)按照15°間隔作用在浮體上。風(fēng)浪流不同向時(shí),風(fēng)與波浪方向相差30°,流與波浪方向相差90°。組合工況見(jiàn)表3。

表3 時(shí)域耦合分析工況

本文動(dòng)力計(jì)算方法選取隱式時(shí)域計(jì)算,一般短期海況是3 h,考慮到計(jì)算時(shí)間及工作量,在對(duì)比了1 h和3 h模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,本文時(shí)域模擬時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1 h。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 系船纜最大張力

依據(jù)規(guī)范API RP 2SK[12]要求,在進(jìn)行浮體響應(yīng)分析時(shí),系泊纜的安全系數(shù)應(yīng)不小于1.67。本文系船纜的破斷張力為1 319 kN,經(jīng)計(jì)算,所涉及的全部工況,系船纜校核后都符合規(guī)范要求,所有工況中安全系數(shù)最小值也大于2,超過(guò)規(guī)范要求的安全系數(shù),說(shuō)明各工況下系船纜的張力均處于較為安全的水平。

風(fēng)浪流聯(lián)合入射的角度從0°～180°,系船纜張力最大值呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,在45°和135°附近達(dá)到最大值,在90°時(shí),系船纜張力達(dá)到最小值,見(jiàn)圖2。

圖2 外輸工況系船纜最大值

以工況1和14為例,兩種工況的區(qū)別主要是風(fēng)與流的作用方向,波浪作用方向一致,這可以說(shuō)明在風(fēng)浪流聯(lián)合作用于多浮體系統(tǒng)時(shí),波浪載荷起主導(dǎo)作用。

2.3.2 FPSO與外輸油輪最小間距

FPSO外輸作業(yè)時(shí)其與穿梭油輪串靠在一起,而穿梭油輪沒(méi)有系泊,為了保證作業(yè)時(shí)FPSO與穿梭油輪不發(fā)生碰撞,重點(diǎn)分析二者之間的最小間距。實(shí)際工程中常常在穿梭油輪尾部使用一艘拖輪施加拉力以減小穿梭油輪運(yùn)動(dòng)響應(yīng),本文中未考慮拖輪。通過(guò)提取一年一遇風(fēng)浪流同向工況下系船纜兩端位置時(shí)歷變化,計(jì)算得出FPSO與穿梭油輪之間間距最小值,見(jiàn)圖3。

圖3 FPSO與穿梭油輪間距最小值變化

圖3表明,FPSO與穿梭油輪間距的最小值整體上呈現(xiàn)隨著風(fēng)浪流入射角度先增大后減小的趨勢(shì),在入射角度為90°達(dá)到最大。這是由于在風(fēng)浪流橫向入射時(shí),船體縱蕩方向RAO較小,所以?xún)纱w間距較大。兩船體間距變化總體上較為穩(wěn)定,在外輸工況中的最小值也大于56 m,處于較為安全的距離,可以保證安全開(kāi)展外輸。

3 系船纜張力敏感性分析

3.1 有效波高的影響

本文外輸作業(yè)海域?yàn)椴澈?一年一遇操作工況的有效波高為2.5 m,另外,在實(shí)際工程中也往往選擇海況較好的天氣進(jìn)行外輸作業(yè),有效波高都不會(huì)大于2.5 m。因此本文針對(duì)波浪有效波高為0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 m,分析風(fēng)、流載荷不變的情況下波高對(duì)系船纜張力的影響,見(jiàn)圖4。

圖4表明,系船纜張力的最大值和平均值隨有效波高的增大而增大,并且系船纜張力的均方差也隨之增大,說(shuō)明張力隨時(shí)間變化更加劇烈,但是在風(fēng)浪流90°即橫向入射時(shí),三者的變化較小,這主要是由于橫向浪對(duì)縱向張力的影響較小,有效波高增加的影響不夠明顯。

3.2 波周期的影響

在一年一遇風(fēng)浪流同向入射的工況下,保持有效波高2.5 m不變,改變譜峰周期為5、6、7 s,分別開(kāi)展時(shí)域耦合模擬,與譜峰周期8 s的原工況進(jìn)行對(duì)比,分析多種海況下的多浮體耦合系統(tǒng)響應(yīng),見(jiàn)圖5。

圖5 不同譜峰周期系船纜張力變化

圖5表明在本文選取的譜峰周期內(nèi),整體上系船纜張力的最大值與平均值隨著譜峰周期的增大而增大,最大值的增大幅度要大于平均值的增大幅度。在入射角度為105°和120°時(shí),譜峰周期7 s的系船纜張力平均值大于周期為8 s,并且最大值十分接近,說(shuō)明系船纜張力與譜峰周期存在著一定的非線性關(guān)系。

3.3 系船纜長(zhǎng)度的影響

系船纜的長(zhǎng)度在外輸工況中同樣會(huì)影響張力的時(shí)歷變化,保持其他條件不變的情況下,分別計(jì)算系船纜長(zhǎng)度為50、60、70和80 m情況下的系船纜張力變化。

圖6表明,系船纜張力的最大值與平均值隨著系船纜長(zhǎng)度的增大而增大,增大程度較為明顯,可以呈現(xiàn)出較為顯著的分層,并且隨著載荷入射角度的變化,張力最大值的變化趨勢(shì)是一致的,即從0°～90°先增大后減小,在90°時(shí)達(dá)到最小值,從90°～180°先增大后減小,整體上的極值出現(xiàn)在45°和135°附近。張力的均方差隨著系船纜長(zhǎng)度的增加,有一定程度的減小,說(shuō)明隨著系船纜長(zhǎng)度的增大,張力的變化劇烈程度減弱,趨于穩(wěn)定,整體的外輸工況也較為安全。

圖6 不同系船纜長(zhǎng)度張力變化

雖然增大系船纜長(zhǎng)度會(huì)減小系船纜張力的最大值,但是在50 m的長(zhǎng)度下,張力最大值的安全系數(shù)大于2.0,已經(jīng)處于一個(gè)較為安全的情況,增大系船纜的長(zhǎng)度雖然有助于外輸工況的安全開(kāi)展,但也會(huì)增加項(xiàng)目所需的資金,經(jīng)濟(jì)性較差,具體系船纜長(zhǎng)度的選取需要結(jié)合項(xiàng)目的多方面綜合考慮。

4 結(jié)論

1)外輸作業(yè)時(shí)風(fēng)浪流聯(lián)合入射角度對(duì)系船纜張力的影響,從0°～180°時(shí),張力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),系船纜張力的峰值集中在入射角度45°和135°附近,當(dāng)風(fēng)浪流90°入射時(shí),整體張力水平最小。

2)有效波高從0.5～2.5 m變化時(shí),系船纜張力的整體水平增大,張力的均方差出現(xiàn)明顯增大,說(shuō)明張力水平隨時(shí)間變化更劇烈,浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也隨之增大。

3)波浪譜峰周期從5 s增加到8 s時(shí),系船纜張力整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但是在部分工況下,出現(xiàn)系船纜張力減小的情況,說(shuō)明譜峰周期與系船纜張力呈現(xiàn)一定的非線性影響,主要是與FPSO和穿梭油輪的RAO相關(guān)。

4)當(dāng)系船纜長(zhǎng)度變化時(shí),會(huì)對(duì)外輸工況中的系船纜張力產(chǎn)生較大影響,從50 m增加至80 m時(shí),系船纜張力最大值與平均值均出現(xiàn)明顯減小,需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件、船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、經(jīng)濟(jì)條件等多方面因素確定合適的系船纜長(zhǎng)度。