FPSO环境烈度因子应用分析

2014-06-27，，，，

船海工程 2014年6期

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(1.中国船级社海工技术中心，北京 100007；2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001)

浮式生产储油缷油装置(FPSO)设计载荷的确定一直是FPSO设计的一个关键问题。FPSO在其寿命期间内通常需要定位于某一特定海域进行长期作业，其结构设计载荷具有很强的独立性和特殊性。FPSO一般不具备自航功能，不便于进港避风抗台。因此，在其服役期间内可能遭遇极端的环境载荷。

目前，FPSO的结构设计通常是依据各船级社的相关规范进行。为了使基于油船设计规范的FPSO规范更为可靠和满足工程实际的需要，各船级社均致力于FPSO设计方法和衡准的研究，尤其是波浪载荷方面的研究[1]。为了考虑FPSO特定作业场地的波浪载荷特点，船级社规范中引入了环境烈度因子的概念，以调整基于油船设计规范的计算公式和方法，使之适用于FPSO的结构设计。

结合CCS新版FPSO规范，详细分析研究环境烈度因子的计算方法，特别是其中的关键因素。采用文中所述方法对南海某FPSO进行环境烈度因子计算，验证该方法的实用性。依据分析结果和船级社规范，对该FPSO的屈服强度和屈曲强度进行校核，说明FPSO环境烈度因子的实际应用。

1 环境烈度因子的概念

无论是经油船改造的还是新建的FPSO都与油船有较大区别。首先，油船基于规范的结构设计应用无限航区海况条件，通常为北大西洋海况；而FPSO往往在特定地点长期作业，使用特定作业场地的海况条件。其次，FPSO的设计标准与油船有较大不同，如油船设计使用25年重现期的极限波浪条件；而FPSO在预期作业场地需要使用100年重现期的极限波浪条件。另外，FPSO的系泊系统效应、动力放大效应等也是需要考虑的因素。为了合理反映FPSO在特定作业场地下的环境载荷对FPSO设计标准的影响，规范中通过引入一系列的环境烈度因子(ESF)来调整FPSO规范中的计算公式和方法，以使基于无限航区的油船规范适用于FPSO的结构设计。

以我国南海和渤海的典型FPSO和油船为样本，分析研究环境烈度因子的计算方法，为FPSO规范的制定提供有用的技术参考。本文研究的环境烈度因子(β)根据波浪载荷和船舶运动的直接计算进行定义[2]，见式(1)。

(1)

式中：Ls——在特殊作业场地海况下的动载荷极值;

Lu——基于北大西洋无限航区海况条件下的动载荷极值，重现期为25年。

根据工程实践经验，FPSO设计时主要需计算14种动载荷分量的环境烈度因子，见表1。

表1 需计算环境烈度因子的动载荷分量

2 环境烈度因子的计算要素

计算环境烈度因子β的关键就是确定在特定作业场地下的动载荷极值Ls和北大西洋无限航区海况条件下的动载荷极值Lu。

在不考虑非线性情况下，采用基于三维线性势流理论[3]的直接计算法计算各动载荷分量的幅频响应函数，并采用基于波浪谱和海浪散布图的长短期分析[4]计算FPSO的各动载荷分量的极值。计算软件将采用中国船级社和哈尔滨工程大学联合开发的三维线性运动与波浪载荷计算软件COMPASS-WALCS-BASIC。

2.1 Ls的计算

2.1.1 幅频响应函数计算

各动载荷分量(包括波浪载荷和运动)的幅频响应计算，采用基于势流理论的三维线性方法进行计算，采用面元法计算波浪的辐射问题，并求解六自由度运动响应、压力响应、剖面载荷响应和速度加速度响应等，用于后续的长短期极值预报。

1)作业场地和装载工况。针对每条FPSO的不同作业场地和装载工况，都需要进行波浪载荷和运动的幅频响应函数计算。作业场地取3种，预期作业场地，运输航线和维修检查场地。装载工况取为满载、压载和空载3种典型的装载工况。

2)浪向角。各动载荷分量的幅频响应函数包含所有可能遇到的浪向角，选取浪向角范围为0°～330°(迎浪为0°，向左舷转动为正)，浪向间隔15°。在航行和解脱状态时，认为各浪向出现的概率相同。在单点系泊状态时，应根据具体海域和作业情况确定各个浪向角的发生概率。

3)波浪频率。波浪频率的范围需根据各特定作业场地具体的波浪条件进行选取，推荐采用的范围为0.2～1.8 rad/s，间隔步长选取为0.05 rad/s(0.2～1.8 rad/s基本可以包括所有可能的波浪自然频率，但也可以根据具体作业海域的海况资料缩小范围)。

4)航速。对于预期作业场地和维修检查场地计算工况，采用零航速；对于运输航线，比如，从造船厂到作业地点的航行，采用平均运输航速。

根据上述条件，需要计算各样本船在不同作业场地下，针对不同的装载工况、航速、浪向角、波浪频率的波浪载荷、运动、速度、加速度的单位波幅下的频率响应函数。

5)水深。水深可选用不同作业区域的实际水深或平均水深。根据不同区域的水深的不同，采用有限水深和无限水深的波浪理论进行计算分析。

2.1.2 极值预报

极值预报有短期预报和长期预报两种。文中根据选定的海况散布图，进行不同回复期的长期预报；根据短期海况资料，进行相应的短期预报。

1)海浪谱。根据我国FPSO设计经验，对于在中国渤海和南海作业的FPSO，其海浪谱选取为Jonswaps谱。

2)波浪扩散函数。实际海洋环境中的波浪来自不同的方向，为短峰波形式。为了体现波浪按不同方向的扩散，在波浪谱中需要引入扩散函数f(θ)，比较常用的波浪扩散函数有

文中选用前者。

3)海况条件。根据样本船特定作业场地的海况统计资料，确定长期海况的波浪散布图或短期海况条件。海况资料的准确性将直接影响计算结果准确的性，务必对海况资料进行分析和筛选。

2.2 Lu的计算

Lu为动载荷分量在无限航区海况条件下的极值响应，其计算过程与Ls计算过程相似，通过基于波浪谱和波浪散布图的长期预报方法得到。

1)水深。针对无限航区海域，采用无限水深。因此，根据上述条件，需要计算各样本船在无限航区下，针对不同的装载工况、浪向角、波浪频率计算波浪载荷、运动、速度、加速度在单位波幅下的频率响应函数。

2)海浪谱。对于Lu对应的无限航区或开放海域，推荐使用双参数PM谱，文中采用ISSC推荐的双参数PM谱。

3)海况散布图。对于无限航区，采用IACS 推荐的NO.34北大西洋波浪散布图，根据上述方法计算得到的Ls和Lu，即可计算得到各个动载荷分量的EFS(β)。

3 首向分析

目前，在我国南海和渤海作业的FPSO主要采用单点系泊的定位方式。采用此种系泊方式的FPSO就具有了风标效应；故在对其进行波浪载荷和运动预报时，应根据具体海域和作业情况确定各个浪向角的发生概率，即对其进行首向分析。

3.1 确定性首向分析

当风力、流力和二阶波浪漂移力迫使系泊浮体发生漂移运动时，系泊浮体的运动会使系泊锚链产生回复力，阻止其漂移运动。同时，风、浪、流力又是系泊浮体姿态的函数，其大小随着系泊浮体姿态的变化而变化。在这种慢漂运动的某一时刻，作用于系泊浮体上的回复力和风、浪、流力达到平衡，此时，系泊浮体将在该时刻的平衡位置摇荡。对系泊浮体平衡位置的分析就是对其进行首向分析。为此，通过静力平衡的方法，建立相应的平衡方程并求解。参考浮式结构物的运动方程，忽略其波动性，只计及其静力项，则得到首向分析方程，如式(2)。所谓首向分析的确定性方法，是指在已知确定的环境条件(风速风向、流速流向、波幅频率等)时，求解系泊浮体姿态的方法。

(c+k)η=fw(η)+fc(η)+fsd(η)

(2)

上述方程是一个隐式方程，对其求解需要用位移增量迭代进行，直到方程平衡为止。

3.2 不确定性首向分析

在FPSO系泊的某确定海域，其环境条件(风、浪、流)随时间是缓变的，FPSO在不同时刻的姿态不同。从统计学角度看，FPSO的姿态将有一定的概率性。利用概率论与数理统计原理，预报FPSO姿态在某一确定海域的可能值，对FPSO系泊系统的设计有指导意义。不确定性首向分析就是用概率统计原理对FPSO姿态的预报。在进行不确定性首向分析前，需要对可能出现的每种环境条件进行确定性首向分析。得到可能的环境条件下姿态后，按照各环境条件出现的概率，进行加权平均，则会得到FPSO在某确定海域的最可能姿态，见式(3)。

(3)

ηi,j,k,m——确定环境条件下通过确定性首向分析法得到的FPSO姿态。

由上述可知，进行不确定性首向分析时需要知道每种环境条件在该海域出现的概率。

4 环境烈度因子的计算方法

4.1 浪向概率分析方法

在进行FPSO的RAO计算时，发现各载荷分量和运动对浪向角比较敏感，例如,迎浪时垂向弯矩比较大，而斜浪和橫浪时，垂向弯矩比较小，不同浪下各载荷分量和运动的概率分布密度不同。在对载荷和运动进行长短期极值预报时，需要将各浪向下的载荷或运动分布模型进行组合，因此，浪向概率会直接影响特定海域载荷极值的预报。

应用相关的首向分析方法，确定FPSO在特定海域的首向概率，并用该概率组合载荷或运动的长期概率分布，再进行极值预报是比较合理的。考虑FPSO在解脱状态或风标效应失效时，各浪向概率会发生变化。对此可按照浪向等概率进行极值预报。由于海洋环境变化莫测，保守起见，建议分别进行首向分析后的极值预报和浪向等概率极值预报，将两者预报中的较大值作为环境烈度因子的计算值，确定环境烈度因子。

4.2 长短期预报结合方法

由于FPSO长期锚泊于某特定海域，不可避免地会遭遇短期极限海况[5]。对于存在短期极值海况的海域，单纯应用长期预报进行极值预报是不合理的，应考虑其短期预报结果。由于短期海况的不确定性，预报的极值有时会比长期预报值偏大，有时又比长期预报极值偏小。由于长期预报是短期预报的加权组合模型，对于海况的不确定性，相对于短期预报比较合理。但在某特定时刻，短期预报相对长期预报比较合理。建议对可能出现的极端短期海况，进行短期预报，并和上述浪向概率分析法的长期预报结果进行比较，取大者计算环境烈度因子。

应该说明的是，所建议的两种环境烈度因子确定方法是有先后顺序的，但两者的计算结果并列，应根据实际情况选取。

5 环境烈度因子的应用

环境烈度因子的一个重要应用是调整油船规范中主要载荷和运动的规范值，以使其比较合理地适用于FPSO的设计。下面以某载重量15万t的FPSO为例，说明环境烈度在FPSO结构强度评估中的应用。

应用上述环境烈度因子的计算方法计算在特定海域作业的FPSO不同动载荷分量的环境烈度因子，以修正油船规范中不同动载荷分量包络值的计算公式。以垂向波浪弯矩为例，在油船规范中[6]，其表达式如下。

Mwv-hog=fprob0.19fwv-vCwvL2BCb

Mwv-sag=-fprob0.11fwv-vCwvL2B(Cb+0.7)

(4)

经环境烈度因子修正后的FPSO规范中的计算公式为

Mwv-hog=fprobβVBM0.19fwv-vCwvL2BCb

Mwv-sag=-fprobβVBM0.11fwv-vCwvL2B(Cb+0.7)

(5)

式中：βVBM——垂向波浪弯矩的环境烈度因子;

L，B——船长和船宽。

其他参数见文献[2]。类似于上述的垂向波浪弯矩，其他的动载荷分量同样可以经环境烈度因子的修正后，使之适用于FPSO的规范构件尺寸确定和强度校核。

6 计算实例

6.1 ESF计算实例

应用上述环境烈度因子计算方法，计算某载重量15万t FPSO在南海某海域的环境烈度因子。分长峰波和短峰波两情况。将计算得到的环境烈度因子值应用于FPSO的强度评估。对于外部水压力的环境烈度因子，计算每间隔0.15L船长处水线、舭部和底部的外部水压力环境烈度因子值，见表2。(表2中结果中只给出了船中处的计算值)。

表2 载重量15万t FPSO环境烈度因子计算结果

6.2 ESF应用实例

应用上述环境烈度因子计算结果，修正油船规范中垂向弯矩和垂向剪力的大小。应用CCS油船直接计算指南[7]建立该FPSO的有限元模型，分别加载用环境烈度因子修正后的主导载荷为垂向弯矩和垂向剪力下的动载荷(舷外动压力、舱室惯性力等)、静载荷和相应的边界条件，对其进行准静态结构计算。评估其特定板格单元的屈服和屈曲强度，见表3～6。

上述计算结果显示：使用环境烈度因子后，以垂向剪力和垂向波浪弯矩为控制载荷的计算工况的米塞斯应力和剪切应力均有了一定程度的提高，并且导致某些结构构件的屈服强度校核结果不合格；考虑环境烈度因子后的屈曲安全因子值小于不考虑环境烈度因子的屈曲安全因子，但计算结果仍在合格范围内。上述计算结果表明：该海域的波浪环境条件要恶劣于无线航区的环境条件。在进行FPSO的结构设计和强度评估时，必须考虑使用环境烈度因子修正油船规范强度评估的主导载荷，以考虑特定海域实际环境条件，使评估结果更符合实际情况、更准确。