极端海况下FPSO系泊系统安全性评估与分析

邹佳星，任慧龙，李陈峰

(哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

超强台风主要出现在7～11月，中心风速主要集中在 55～75 m/s［1］。仅 2011～2013 年中国就有 11 起超强台风，中心风速最高为65 m/s。恶劣的海况增加了浮式海洋平台系泊系统的压力和危险性。现阶段对于浮式结构物系泊系统的研究，多以选定的海洋环境作为计算条件，研究船体运动进而研究系泊缆索的受力和运动问题。文献［2］在百年一遇海况下采用时域非线性数值模拟了缆索的动力响应;文献［3］采用一种时域方法计算系泊缆索的拉力;文献［4］提出缆索动力分析的模型;文献［5］将系泊缆索分为悬浮和拖底两部分，采用三维准静态方法计算缆索张力;文献［6］应用AQWA软件对某平台的水动力性能及极端工况的系泊性能进行了数值计算;文献［7］采用时域耦合动力分析方法，并指出合理选取系泊参数能有效控制系统的运动响应和系泊缆动力效应。在此研究基础上，本文在已知系泊钢缆静强度的条件下评估船体运动，进而确定FPSO系泊系统所能承受环境极值的范围。首先采用准静态方法和频域方法初步评估系泊系统所受外载荷，以确定海况等级的范围，然后利用时域非线性方法分析系泊系统，在钢缆安全系数符合规范要求的情况下，确定现有系泊系统强度下FPSO所能承受的台风等级。同时对服役期的浮式结构物系泊系统进行安全系数评估及计算时考虑系泊钢缆剩余强度。

1 FPSO单点系泊系统强度

1.1 FPSO单点系泊模型

表1给出了FPSO的主尺度参数。依据型值表建立模型并划分网格。

表1 FPSO主尺度Table 1 The principal dimensions of FPSO

文中FPSO采用内转塔式单点系泊系统。布置方式为3组9根锚链，每组之间的夹角为120°。由海底至船体系泊缆索的组成采用锚链-钢缆-锚链-钢缆的形式。系泊缆索参数见表2。

表2 系泊缆索主要参数Table 2 Mooring line paramoters

依据型值表及系泊缆索资料，建立水动力模型，如图1。

图1AQWA水动力模型Fig.1 AQWA hydrodynamic model

表3 主要环境参数Table 3 Environment parameters

环境载荷采用API规范中百年一遇台风进行计算，并分别对空载、压载和满载3种装载状态进行计算。基于FPSO系泊钢缆剩余强度的计算结果，重新计算系泊系统能否抵御百年一遇台风。若不能抵御，则根据现有的系泊系统钢缆强度给出所能抵御的台风等级及对应的安全系数。

1.2 系泊钢缆剩余强度

通常钢缆的最小破断力计算公式通常采用API规范所提及的公式［8］，但由于参数限制无法对螺旋式钢缆进行计算［9］。针对螺旋式钢缆，可采用作者在文献［10］中的计算方法，对其结构进行简化，进而进行强度计算:

利用概率分布原理与式(1)，可对钢缆进行剩余强度计算。

根据该FPSO系泊系统安全检测报告，对系泊钢缆进行剩余强度计算。钢缆组成详细信息及结构如下。

缆绳结构:共由13层(除中心外)、540根缆丝组成，中心 1根缆丝(直径 4.8 mm)+13层(直径4.8 mm)，6 根、12 根、18根、24 根、30 根，假设分布在了a(1≤a≤130，整数)根钢丝上，钢缆钢丝的总数为541根，根据文献［10］所述进行计算，可得出130个断点分布的钢丝数范围为［104，106］，计算得出的钢缆剩余强度范围为［11 133，11 197］。

1.3 系泊系统强度

根据表3提供的百年一遇环境载荷，分别在空载、压载和满载3种工况下进行试算。计算结果显示在当前系泊缆索强度下，3种工况下均无法抵御百年一遇台风，结果列于表4。

表4 百年一遇海况计算结果Table 4 The result of 100-year return period calculation kN

参考该FPSO系泊系统设计文件，在系泊系统完整状态(无钢缆断裂)百年一遇海况、3种装载工况下，9根系泊缆索中受到拉力最大值和对应安全系数见表5。对比文中计算结果可看出，文中计算结果较计算结果偏大，加之考虑系泊缆索的强度缩减，计算结果较设计文件有较大差别。3种装载状态下受力最大的钢缆均断裂。在系泊系统损坏状态(单根钢缆断裂)百年一遇海况、3种装载工况下，9根系泊缆索中受到拉力最大值和对应安全系数见表6。由于钢缆强度的衰减，从表6可看出，受力最大的钢缆断裂后，其余钢缆受力急剧增大，最终导致系泊系统全部钢缆断裂。

表5 百年一遇海况计算结果(完整)Table 5 Results of 100-year return period calculation(intact)

表6 百年一遇海况计算结果(破损)Table 6 Results of 100-year return period calculation(damaged)

考虑软件计算中误差因素，对比设计文件结果和本文中计算结果可看出，对于服役若干年系泊缆索强度下降的系泊系统，其整体强度下降无法抵御百年一遇的海况。压载及满载两种情况的计算结果表明船体在环境载荷的作用下已脱离原固定位置。因此，有必要对服役多年的系泊系统所受环境载荷的等级进行重新分析，并评估系泊系统安全性。

2 系泊系统承受极限环境能力分析

对于现役的FPSO，由于系泊缆索极限强度的降低，系泊系统的定位能力也随之降低。初步估计环境参数，然后利用AQWA建模在时域下对系泊系统进行非线性耦合计算，评估在当前强度下系泊系统所能承受的台风等级。

2.1 模型条件

在评估FPSO系泊系统所能承受的最大海况时，首先要确定FPSO的装载状态。通过表5列出的结果可知，百年一遇海况下FPSO在压载和满载两种装载工况下系泊缆索损坏严重，1#～9#钢缆均由于所受系泊力过大，加之钢缆强度降低，全部发生断裂。空载状态下，受主环境力方向的三根钢缆由于所受拉力值超过钢缆载荷而断裂。9#钢缆所受拉力也临近钢缆破断载荷，其余钢缆受力较小。设计文件评估结果显示，完整状态下系泊系统空载时主受力方向的钢缆拉力值最小。因此，采用空载状态用作评估分析。

2.2 环境参数评估

利用准静态计算和频域计算结合的方法评估风速、波浪速度和流速，对比台风等级表，缩小系泊系统所能承受的台风等级范围。

根据悬链线方程［11］可推导出:

式(2)、(3)中的参数可由相关教材中查得，这里不再赘述。由此可得到浮式结构物水平受力。外力主要有风浪流载荷组成，载荷初步评估可参用规范推荐方法。风、流载荷考虑为定常量计算公式为［12］

式中:Fw为风载荷，Cw为风载荷系数，ρw为空气密度，Vw为海平面10米处风速，A为受风面积，Fc为流载荷，Cc为流载荷系数，ρc为海水密度，Vc为平局海流速度，LBP为船体垂线间长，T为平均吃水。

对于浮体运动计算通常用时域法，但本文在计算过程中浮式结构物只考虑运动的最后位置，不考虑运动过程，计算波浪载荷时可采用频域法计算，利用DNV 规范的估算方法［14］:

2.3 系统承受最大海况评估

经过对环境参数的评估计算，对比台风等级表［15］，对应的海况等级为12～13级。在海况为12～13级条件下利用AQWA重新建模，通过时域动态非线性耦合计算得知，12～13级下，系泊系统临近破断边缘，因此降级海况等级，计算得到空载状态下所能承受的海况等级为10～11级，9根钢缆张力最大值结果列于表7，所受张力的时历曲线见图2。

表7 计算结果统计Table 7 The results statistics

图2 9根系泊缆索所受系泊力的时历曲线Fig.2 The time history curves of nine mooring lines load

3 系泊钢缆安全系数评定

整理计算结果显示安全系数最小为1.33。根据API规范，完整状态下采用动态法计算的系泊系统安全系数为 1.67［8］。

根据表中计算的得到的安全系数可看出，1#～9#钢缆大部分安全系数均满足规范要求。5#钢缆接近安全系数规定水平，6#至9#钢缆安全系数略低于规范要求，但在系泊系统安全评估过程中，考虑了钢缆强度的损失，减少了安全评估过程中带来的误差，因此其安全评估结果可视为安全，具有参考价值。

4 结论

从计算结果可总结以下结论:

1)服役期FPSO有必要对其钢缆强度重新进行强度评估，通过对实际服役6年的钢缆强度计算可看出在服役期间钢缆强度损失较大。

2)经过文中分析可知，服役多年的FPSO由于钢缆强度损失，不足以抵御百年一遇台风。需重新对系泊系统的定位能力和安全性进行重新评估。在相同的海况等级下，通过对FPSO 3种典型装载工况的计算可看出，空载状态是抵御台风的最佳装载状态。

3)已知系泊系统钢缆强度的前提下可利用准静态法法和规范法相结合的方法，估算与环境载荷相关的参数，对比找出系泊系统可能承受的海况等级，然后利用时域非线性分析方法进行校核。文中结果可分析出当下系泊系统所能承受的海况等级，对FPSO应对台风措施具有一定的指导意义。

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