守护船撞击海洋平台及FPSO碰撞场景研究*

高 岩胡志强姜 哲王 晋

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室; 2.中海油研究总院)

守护船撞击海洋平台及FPSO碰撞场景研究*

高 岩1胡志强1姜 哲2王 晋1

(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室; 2.中海油研究总院)

海洋平台及FPSO存在遭受守护船撞击的可能性,由此产生的结构损伤会影响到平台及FPSO的安全,因此在结构设计时需要考虑其抗撞性能。守护船与平台及FPSO的碰撞决定着平台及FPSO结构的合理性和经济性,目前我国尚没有相关的碰撞场景规范,设计时多采用国外有关规范。碰撞场景取决于海况条件和操作规定,而我国的海况与国外并不相同,所采用的操作规定也有差别,因此完全套用国外规范不尽合理。以一艘5000吨级守护船为研究对象,利用水动力学计算方法,研究守护船与导管架平台及FPSO的最大碰撞速度。选取我国近海油气田所在的典型海洋环境条件,探讨了不同水深、波浪条件以及碰撞方向对最大碰撞速度的影响。研究结果表明,守护船侧向撞击FPSO的最大碰撞速度最大,在实际工程作业中须注意此情景。

碰撞场景;海洋平台;FPSO;守护船;水动力学计算;最大撞击速度

海洋平台及FPSO是海洋石油开采的主要生产设施,守护船与海洋平台及FPSO的近靠作业是海洋工程中常见的操作模式。在作业过程中,由于操作不当等原因,守护船有可能撞击海洋平台或FPSO,在此情况下确保生产设施的安全就成为海洋工程技术开发的关键[1]。笔者以一艘5000吨级守护船为研究对象,探讨其在海上突然失去动力的情况下,与海洋平台及FPSO相撞的情景。目前国内没有专门定义这种场景的相关规范,因此在平台结构设计中只能借鉴欧洲的标准或者美国的标准。根据Norsok Standard NO.4[2],欧洲北海海洋工程作业规定的碰撞场景为5000吨船,2m/s撞击速度;美国API(American Petroleum Institute)规范[3]的碰撞场景为1000吨船, 0.5m/s速度。显而易见,两者之间有着明显的区别。由于我国的海况与欧洲或者美国并不相同,且海洋工程作业操作要求也不同,所以提出一套符合我国实际情况的碰撞场景十分必要,其相关技术规范对我国建立符合自身情况的海洋规范体系有着重要作用,同时也可为海洋工程作业提供参考标准。

守护船近靠海洋平台作业是关于近靠浮体的水动力学问题。对于近靠浮体的相互作用目前已有广泛研究和探讨[4-13]。笔者试图利用SESAM软件探讨主尺度相差巨大的多浮体系统在小间隙情况下的水动力相互作用。SESAM软件是基于三维线性势流理论和Morison公式设计的用于船舶与海洋工程结构物水动力计算的综合性软件,目前在海洋工程领域得到了广泛的运用。笔者分别建立守护船和FPSO模型,然后分别计算单独守护船,以及守护船与FPSO 2个近靠浮体的情况下守护船的水动力性能。选取我国渤海和南海海况为地理环境条件,研究在不同的波浪条件下,守护船可能的撞击FPSO和导管架平台的最大运动速度,以这个速度来定义符合我国海况的守护船撞击海洋平台的撞击场景。

1 理论基础

各单体在波浪中的运动方程可表示为

式(1)中:M为结构质量矩阵;A为水动力附加质量矩阵;B为系统线性阻尼矩阵;C为系统总刚度矩阵;X为浮体的位移矩阵;X的一阶导数和二阶导数为浮体的运动速度和加速度矩阵。

根据势流理论,流场中为理想流体,流体不可压缩、无粘性、无旋度,速度势满足拉普拉斯方程和定解条件。设守护船的速度势为

速度势满足以下控制方程:

拉普拉斯方程

线性自由面条件

守护船对自身产生的绕射势物面边界条件

FPSO对守护船的绕射势物面边界条件

式(3)～(6)中:n是物面的外法向;φI是入射波速度势。

辐射势满足以下控制方程:

守护船自由振荡,FPSO不动,守护船产生的辐射势对自身的边界条件

FPSO自由振荡,守护船固定不动,FPSO产生的辐射势在守护船的边界条件

底部条件

无穷远处辐射条件

2 模型参数与环境条件

2.1 守护船与FPSO模型参数

根据统计数据[14],在我国近海作业的大部分守护船的最大排水量在5000吨级左右,因此本文研究选取一艘5000吨守护船;研究选用的FPSO的排水量为15万吨左右,由于FPSO的排水量比守护船的排水量大2个数量级,其模型可近似由200m×50m×15m的长方体代替。坐标系x方向指向船首,y方向指向左舷,z方向垂直向上。水动力学模型主要用于计算动水压力、附加水质量和流体阻尼[15]。表1为本次研究守护船与FPSO的模型参数,图1为数值模拟水动力模型图。

表1 守护船与FPSO模型参数

图1 守护船与FPSO水动力学数值模拟模型图

2.2 碰撞场景参数设定

由于导管架平台对波浪场影响不大,因此守护船与导管架平台的碰撞场景可近似为守护船单独运动场景。当守护船近靠FPSO作业时,其作业场景为在y方向与FPSO间距5m。5m的间隙对FPSO和守护船来说可界定为小间隙,因此水动力学分析计算过程中FPSO靠近守护船的地方网格单位很小,这样计算结果更加准确。在一般情况下,海浪被视为由无限多个频率不等、方向不同、振幅变化且相位杂乱的微幅简谐波叠加而成的不规则波系,这些特征可用海浪谱表示。本文选取JONSWAP谱和PM谱为环境海浪谱[16],具体海况条件参数见表2。

表2 海况条件参数

有义波高的选取依据中海油服操作手册:3m的有义波高为不允许在上风舷进行靠船作业的场景参数;4m有义波高的设定为供应船在500m安全控制区外待命并讨论决定是否进行靠船作业的场景参数。本文假定的海况条件是判断守护船能否进行作业的临界值,因此选择以上2个波高海况对计算结果而言偏于保守。

3 守护船的运动响应计算结果

3.1 守护船的运动RAO

RAO本质上是波浪激励到船体运动的传递函数,通过计算守护船的运动RAO,可得到单位幅值波浪条件下守护船的运动响应,由此分析守护船的水动力性能。

3.1.1 守护船单独存在情况下的运动RAO

图2为守护船单独存在的6自由度运动RAO。在0～180°浪向中,垂荡和纵摇在105°浪向处最为敏感,横摇在90°浪向处达到峰值。

3.1.2 有FPSO存在情况下守护船的运动RAO

图3示出的是守护船近靠FPSO时的运动RAO。

以上计算中浪向设定为0°～180°,以15°为步长。比较不同浪向守护船的运动RAO,可发现此守护船的横荡运动在105°浪向最为敏感,响应幅值最大,因此在进行守护船作业期间,应注意105°浪向的来流。对比图2与图3,守护船的RAO发生了较大变化。图3中6个运动方向的响应幅值明显变大,守护船的6自由度运动更加激烈,同时垂荡、纵荡和横摇方向的RAO出现明显的双峰,说明与导管架平台相比,FPSO对守护船的水动力性能有较大影响。因此,FPSO对守护船的水动力作用是计算守护船动力响应时必须考虑的因素。

3.2 近靠导管架平台与FPSO时守护船的运动响应

3.1节只是对RAO进行了定性研究,在具体的碰撞场景中,守护船撞向平台的速度是其中一个很重要的参数。FPSO和导管架平台是在我国海洋油气田开发中应用最广泛的2种装置。本文以这2种生产装置为例,分别讨论5000吨级守护船与这2种装置的最大碰撞速度。

图2 守护船近靠导管架平台时的运动RAO

3.2.1 守护船近靠导管架平台时的运动响应

当守护船近靠导管架平台时,由于导管架结构对于波浪场的影响不十分明显,因此可以将单独守护船水动力性能计算结果近似看作守护船近靠导管架平台时的运动响应。通过计算,守护船正向撞击导管架平台的速度为0.248m/s,侧向的撞击速度为2.3m/s,侧向撞击速度最大。选取的浪向为纵摇运动RAO幅值最大的105°,以预报最大的碰撞速度。图4为守护船单体在横荡方向速度Vy的运动响应谱。表3为Vy的响应幅值,即最大碰撞速度。

图3 守护船近靠FPSO时的运动RAO

比较不同波谱在其他条件相同情况下守护船的Vy(表3)可知,不同的波谱对守护船y方向的速度影响并不大,因此进行水动力计算时,波谱选择没有特殊的限定。对相同波谱、波高情况下南海和渤海守护船的运动响应进行比较可知,水深对守护船响应的幅值有一定影响:4m有义波高条件下,守护船失去动力时,在南海会以2.90～2.92m/s的速度侧向撞向FPSO,在渤海则是2.94～2.96m/s,比南海稍大(表3)。守护船的吃水为7.5m,南海300m的水深对守护船运动的影响较小,在进行水动力计算时可当做无限水深。显然,渤海30m的水深对此守护船是有限水深,由于浅水效应,当其他条件相同时,守护船在渤海的运动比南海稍剧烈。

导管架平台由于其自身的结构特点对波浪场的影响较小,故3.2中计算的守护船单体运动速度可应用为守护船与导管架平台的最大碰撞速度。因此,在船舶结构设计中,3m波高条件下的守护船撞击导管架平台最大速度可设定为2.3m/s。

3.2.2 守护船近靠FPSO作业时的运动响应

守护船近靠FPSO作业时,由于FPSO的排水体积巨大,其对守护船的水动力响应会产生明显影响,必须看做是近靠浮体间的运动性能研究。

图4 近靠导管架平台时守护船的运动响应谱

表3 近靠导管架平台时守护船的Vy响应幅值

1)守护船旁靠FPSO撞击速度研究。旁靠作业是目前主要的作业方式之一。图5为守护船在FPSO存在的条件下横荡方向速度Vy的运动响应谱。表4为Vy的响应幅值,即最大碰撞速度。

图5 近靠FPSO时守护船Vy方向的运动响应谱

表4 近靠FPSO时守护船的Vy响应幅值

由表4可知,由于FPSO的存在,守护船的碰撞速度明显变大。本例中FPSO为15万吨级,相对于守护船来说是巨型浮体,可把FPSO看成在海面上的固定浮体,其惯性半径和惯性矩设定为无限大。守护船相当于在有固壁的限制性水域进行作业,其运动RAO已受到很大影响,比较表3与表4可知,在相同环境条件下,近靠FPSO时守护船的响应更加剧烈:以南海300m水深、JONSWAP谱、4m有义波高条件为例,守护船与导管架平台的撞击最大速度为2.90m/s,而守护船与FPSO的侧向撞击速度为4.00m/s。此变化同样也体现了FPSO对守护船的水动力作用比较显著,在实际作业中必须考虑。守护船在波浪的激励下产生运动,与开放海面不同,辐射波与原波浪叠加之后在遇到FPSO时又被反射回来再次对守护船进行激励,这对守护船的运动将产生较大影响。在本场景中,此影响表现为守护船的运动更加激烈,对实际作业安全会产生不利影响。此次研究设定守护船与FPSO的间距为5m,在此场景下,守护船在较短的时间内就撞向FPSO,对平台的结构会产生不利影响,同时也影响到作业安全。考虑4.00m/s的碰撞速度,以确保平台作业安全性为出发点,守护船与FPSO作业距离应大于5m。

2)不同方向撞击FPSO的碰撞速度研究。碰撞位置对守护船和FPSO的安全性也很重要。表5为在南海JONSWAP谱波谱参数1条件下守护船分别以正向、侧向和斜向撞击FPSO的最大速度模拟计算结果,图6为相应条件下的数值模拟模型图。由表5数据可知,在南海守护船撞向FPSO的最大速度为3.34m/s,碰撞方式为侧向撞击。

表5 不同撞击方向守护船最大碰撞速度模拟结果

图6 守护船正向(a)和斜向(b)撞击FPSO示意图

3.3 建议

本文以我国南海和渤海为例,探讨了5000吨级守护船在突然失去动力的情况下,对FPSO与导管架平台的最大撞击速度。根据统计数据[4],本文所采用的5000吨级守护船基本上为我国近海作业排水量最大的船型之一。表6为根据计算结果分析总结出的在船舶结构设计中应参考的守护船最大碰撞速度,与欧洲的2m/s和美国的0.5m/s对比可知,由于海况条件不同,撞击速度差别很大。

本研究中没有考虑守护船的动力定位作用,因为本文研究的是极端的碰撞场景,假设守护船动力定位系统失效,这样的研究成果是偏保守的。

表6 可提供我国船舶结构设计参考的守护船最大碰撞速度

4 结论

1)波谱对守护船最大碰撞速度影响较小。

2)水深对守护船碰撞速度有一定影响,守护船在渤海的最大碰撞速度稍大于南海。

3)FPSO对守护船的水动力作用不可忽略,在进行数值模拟时应该考虑此因素。

4)正向、侧向和斜向3种不同碰撞位置比较,侧向最大碰撞速度最大,对安全性的不利影响也最大。

5)在本文研究条件下,3m有义波高环境守护船与导管架平台和FPSO的最大碰撞速度分别为2.40m/s和3.35m/s,4m有义波高环境相应的碰撞速度为2.92m/s和4.00m/s。

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Investigation onscenarios for collision ofsupply vessels to offshoreplatform and FPSO

Gao Yan1Hu Zhiqiang1Jiang Zhe2Wang Jin1
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240;2.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

There is apotential threat that offshoreplatform and FPSOsuffer from collisions withsupply vessels,resulting inseverestructural damage and adverse effects onplatform and FPSOproductionsafety.Therefore,more attentions need to bepaid toplatform and FPSO crashworthiness in the designstage.The collisionscenario betweensupply vessels and offshoreplatforms directly determine the rationality and economy of the designedstructures.Atpresent,China lacks of relevant collision norms,and generally adopts foreign relevantspecifications instead.Nevertheless,it is in-appropriate to use directly the foreignstandards considering the differentsea conditions and userdependent operational requirements,which account for the definitions of collisionscenarios during design.In thispaper,a 5 000-tonsupply vessel is chosen as the object and investigated with hydrodynamic analysis to estimate themax impact velocity.Under typicalmarine conditions of Chinese offshore oil and gas fields,the effects on themaximum impact velocity of different water depths,wave conditions and collision directions are investigated.The resultsshow that themax impact velocity occurs insupply vessel-FPSOside collisionscenario.Thus thisscenarioshould bepaid themost attention.

scenarios for collision;offshoreplatform;floatingproductionstorage and offloading (FPSO);supply vessels;hydrodynamic calculation;themax impact velocity

2013-06-05改回日期:2013-07-26

(编辑:叶秋敏)

*美国船级社与上海交通大学合作研究项目部分成果。

高岩,女,硕士,主要从事船舶与海洋工程结构物水动力分析研究。地址:上海市闵行区东川路800号上海交通大学(邮编:200240)。E-mail:eab2012@sjtu.edu.cn。