基于风洞试验的FPSO风载荷特性研究

王忠畅，易 丛，李 达，白雪平，郑文涛，彭 超

(1.中海石油研究总院，北京 100027；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

基于风洞试验的FPSO风载荷特性研究

王忠畅1，易 丛1，李 达1，白雪平1，郑文涛2，彭 超2

(1.中海石油研究总院，北京 100027；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

当FPSO服役于目标油田时，将受到风浪流的作用力。其中，风力给FPSO一个恒定的静力，使其偏离原来的位置。风力计算在FPSO系泊系统的分析过程中是非常重要的。设计人员常常参考OCIMF进行风力计算，或者参考API规范得出。OCIMF为针对油轮的计算规范，但使用OCIMF计算FPSO风力及流力的方法，与FPSO的适应性仍需要进一步论证。API规范针对海上浮式系统，其计算风流力的方法使用也非常广泛，其原理为将FPSO上部各个模块风力叠加得出。以FPSO风载荷为研究对象，开展了风洞模型试验，获得了典型FPSO风载荷特性曲线，并将试验结果分别与OCIMF结果和API规范计算结果进行对比分析，最终给出FPSO风力计算方法的建议。本数据可用于FPSO的风力计算，也可为FPSO运动、系泊的设计研究提供参考。

风载荷；FPSO；风洞试验；OCIMF；API规范

Abstract：When FPSO is operating in an given oilfield,the environment load including wind,wave and current force will act on it.The wind force is a constant force which will drag the hull away from the original position.It is very important to calculate the wind force correctly in FPSO mooring system and motion analysis.The engineers usually do the calculation according to OCIMF or API rules.OCIMF is a rule established for the oil tanker,and it is usually used for FPSO too.But the oil tanker arrangement is different from FPSO.There are live quarter,pipelines and passage way on the deck of oil tanker,and there are more stuffs such as the process utilities,flare booms,and power stations on the deck of FPSO.Thus,it should be argued deductively whether it is right to calculate the FPSO wind force using the method described in OCIMF.API rules are worked out for the offshore floating system,and the method in the rules to get the wind force is also used widely by people.Its theory is to get the wind force by summing all the facilities on the FPSO topside.Aiming at the wind loads on FPSO,the model test is carried out in wind tunnel and typical curves of wind loads on FPSO are obtained.The test results are compared with those data from OCIMF and API formula calculation.The differences among those results are presented,and suggestions to get the FPSO wind force are given too.The result in the paper can be used for the FPSO wind force calculation and can be a valuable reference to the design and research of FPSO.

Keywords：wind load; FPSO; wind tunnel test; OCIMF；API rules

FPSO(fIoating production storage and offIoading system)是浮式生产储卸油系统的简称，同时具备生产、储油、外输等多种功能，具有很好的经济性、可靠性、海域适应性以及可重复利用性，成为当今海洋油气开发的主流方式，被称为海工装备中最耀眼的“明星”[1-7]。FPSO一般固定于一个位置较长时间，即使面临恶劣海况也不易规避，因此，需要具有较普通船舶更强的抵抗极端环境的能力。海洋工程装备遭受的环境载荷除了波浪载荷、流载荷之外，风载荷也是另一个主要因素之一。

由于FPSO船型与VLCC(Very Large Crude Carrier)接近，在进行FPSO性能分析时，常采用OCIMF[8]的风载荷、流载荷系数进行载荷预报[9]。但是FPSO通常装有大量的生产模块、吊车、火炬塔等生产处理设备，上层建筑远较VLCC复杂，如图1和图2所示。参考OCIMF的风载荷、流载荷系数进行FPSO的风载荷预报是否可行，需要进行论证。对于风载荷预报，也可依据各船级社或API的规范进行。

物理模型试验是海洋工程结构物动力性能与载荷研究的重要手段，由于其可靠性高，是数值计算、经验方法的参照依据。为了论证进行FPSO风载荷估算的更好方法，以15万吨级FPSO为例进行了风洞模型试验，并获得其风载荷特性，对FPSO风载荷估算方法提出了推荐方案。由于FPSO的上层建筑基本类似，一艘FPSO的试验结果可作为其它FPSO研究的参考。因此，开展FPSO风载荷的模型试验具有重要意义。

图1 FPSOFig.1 FPSO

图2 VLCCFig.2 VLCC

1 模型试验方法

1.1试验模型

FPSO模型由上层建筑和船体干舷组成，缩尺比1∶180，主尺度见表1，总体布置见图3。

表1 模型主尺度Tab.1 FPSO dimension

图3 FPSO总布置Fig.3 FPSO overall arrangement

1.2试验方法

模型试验采用常温常压拘束模测试方法。模型按等缩尺比制作，满足几何相似；船模风向角保持与实船情况相等，满足运动相似；该类船风载荷试验模型的水上部分多为不规则体，大量模型试验表明，较低的试验风速就能实现与实体原型相似的流动状态，此时继续增加试验雷诺数Re，流体动力系数基本保持不变，在此条件下认为试验近似满足动力相似准则，测得的流体动力系数可外推到实船应用。本次试验雷诺数Re为1.56×106。

模型试验在大型低速风洞试验室中进行。该风洞为闭口单回流式低速风洞，试验段长8.5 m，高3 m、宽3 m。试验风速3～93 m/s连续可调。

模型通过应变天平与转动机构连接，模型所受风载荷通过应变天平、信号分析系统等进行测量记录。风向角通过转动机构实现，试验风向角0°～360°，间隔15°。模型试验照片见图4。

图4 模型试验照片Fig.4 FPSO model in wind tunnel

图5 风剖面模拟Fig.5 The wind profile

1.3风剖面模拟

图 6 FPSO船模坐标系Fig.6 The coordinate system

1.4坐标系与数据表达

本次风载荷试验采用船体坐标系o-xyz进行数据处理，如图6所示。坐标系原点o位于船体中纵剖面、中横剖面(船体10站位置)以及水平面的交点，ox轴平行水平面指向船首，oz轴垂直水平面指向上方，oy轴根据右手法则确定。船体和上层建筑流体载荷三个方向的力表示为：纵向力X沿ox轴方向、侧向力Y沿oy轴方向、垂向力Z沿oz轴方向；而绕ox、oy和oz轴的三个力矩表示为K(横倾力矩)、M(纵倾力矩)、N(偏航力矩)。

ψ为风向角，ψ=0°时船体顺风，ψ=180°时船体逆风，船体右侧来风时定义为正风向角。

试验测得的力、力矩采用无因次化的系数形式来表达：

(1)

式中：ρ为试验环境下的空气密度(kg/m3),V为试验参考风速(m/s),L为特征长度(取垂线间长)(m),AT为正向投影面积(m2),AL为侧向投影面积(m2)。

2 风载荷结果分析

2.1试验风载荷系数与OCIMF结果对比

水面船舶及FPSO风载荷系数常参照OCIMF[8]数据。OCIMF根据15～50万吨VLCC风洞试验结果，给出了满载吃水和压载吃水状态下的风载荷系数CX、CY、CN。根据本次试验风载荷系数，与OCIMF结果进行对比。

2.1.1 纵向力系数CX

试验获得的风载荷纵向力系数CX与OCIMF结果对比见图7。由图可知：

1)试验结果与OCIMF结果的变化趋势总体一致；

2)试验所得纵向力系数曲线出现明显的极值点，出现在风向30°、150°、210°、330°，即在逆风或顺风时的±30°处，OCIMF结果的极值点不十分明显，出现在10°、180°、350°附近；试验所得CX的极值较顶风时CX大幅增加，风向150°时CX较风向180°(逆风)时增加67%，风向330°的CX较风向0°(顺风)增加68%；而OCIMF的CX极值较逆风时略有增加，风向10°时CX较风向0°(顺风)仅增加2%～5%。

②泵送与充灌作业人员之间应随时联系，紧密配合，充灌到位后及时停机，以防充灌过程产生鼓包或鼓破。出现鼓胀时应及时停机，查找原因并处理。

3) 试验所得纵向力系数CX与OCIMF的结果存在差别，特别是极值点附近差别较大。总体上试验结果较OCIMF结果大；这是因为试验中的FPSO上层建筑非常复杂，而OCIMF中的VLCC上层建筑较简单，二者上层建筑差别较大的原因。

图7 纵向力系数比较Fig.7 The longitudinal force coefficient

图 8 侧向力系数比较Fig.8 The lateral force coefficient

图 9 偏航力矩系数比较Fig.9 Yawing moment coefficient

2.1.2 侧向力系数CY

试验获得的风载荷侧向力系数CY与OCIMF结果对比见图8。由图可知：

1) 试验结果与OCIMF结果的变化趋势总体一致，且CY极值点均出现在风向90°、270°；

2) 试验中CY极值为1.47，OCIMF压载时峰值为1.0，满载时仅0.72，可见FPSO的侧向力系数整体较OCIMF大。

2.1.3 偏航力矩系数CN

试验获得的风载荷偏航力矩系数与OCIMF结果对比见图9。由图可知：

1) 试验结果随吃水变化较小，而OCIMF结果随吃水变化较大；

2) 试验结果与OCIMF满载吃水的结果符号相反，且试验所得CN整体较OCIMF小，这是因为OCIMF中的VLCC一般仅存艉楼，其首尾不对称性较FPSO强；同时，本次试验FPSO艏部面积较艉部大，因此，导致偏航力矩与OCIMF符号相反；

3) OCIMF的偏航力矩结果与FPSO试验结果差别很大，不适用于FPSO的偏航力矩估算。

2.2试验风载荷与API规范计算结果对比

API规范计算方法是风载荷预报的重要手段之一。API[10]给出的FPSO风载荷计算公式为沿风吹方向的力：

(2)

式中：Fw为风载荷(N)；Cw为密度相关系数，Cw=0.615；CS为形状系数；Ch为高度系数；A为受风面积；Vw为设计风速。

图 10 试验风载荷与API计算结果比较Fig.10 The comparison between data from wind tunnel and API

根据API计算公式，对风速41.6 m/s时的风载荷进行了计算，与试验数据预报结果对比见表2、图10(已换算为实船数据)。从中可以看出：

1) 规范计算风载荷与试验结果随风向的变化趋势一致，在风向90°、270°附近达到极值；

2) 规范计算结果较试验结果大，正向来风时，规范结果较试验结果大49%，横向来风时，规范结果较试验结果大22%；规范结果较试验结果平均增加30%。差异原因主要由于API计算风力的原理为将FPSO或者其他浮式平台上的设备等受风部位逐个叠加，而形状系数的取法和受风部位的叠加方式往往因人而异，形状系数常常倾向于取较大的值，而将各个受风部件逐个叠加形成风力的方法，本身容易导致更大的风载荷。解决办法是适当的引入遮蔽系数，对于不是第一排受风的物体，进行风力折减，或者仅计算第一排受风物体的风力，并谨慎的进行形状系数的取值。

表 2 风载荷与API计算结果对比表Tab.2 Wind force and the data calculated according to API

3 结 语

通过开展FPSO的风洞模型试验，获得了FPSO的风载荷特性，并与OCIMF结果及API规范计算结果进行了对比，得出以下结论：

1) FPSO风力与FPSO总体布置方法关系密切。

2) 总体上FPSO模型试验的纵向力系数CX较OCIMF结果大，二者极值点位置不一致；侧向力系数CY试验结果与OCIMF结果的变化趋势总体一致，FPSO模型试验的侧向力系数整体较OCIMF大；OCIMF结果用于上层建筑复杂的FPSO风载荷估算时会有风力偏小的风险，需谨慎使用；

3) API规范计算风载荷与试验结果随风向的变化趋势一致，在风向90°、270°附近达到极值；规范计算结果较试验结果大，规范结果较试验结果平均增大约30%。与OCIMF相比，API更加适用于上部建筑复杂的FPSO船型。但由于API风力计算方法常常导致比实物更大的风力，需要谨慎选取形状系数和需要考虑的受风物体，在必要的情况下引入遮蔽系数，使风载荷预测结果更加接近真实值。

4) 在没有风洞试验数据并需要进行FPSO的风载荷评估时，建议采用API规范进行风载荷的估算。

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Wind load analysis for FPSO based on wind tunnel experiments

WANG Zhongchang1，YI Cong1，LI Da1，BAI Xueping1，ZHENG Wentao2，PENG Chao2

(1.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China; 2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.015

1005-9865(2016)05-0125-06

2015-10-28

王忠畅(1974-)，男，河北人，高级工程师，主要从事导管架平台、FPSO研究。E-mail:wangzhch3@cnooc.com.cn。