基于频域的系泊载荷快速预报方法

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(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

基于频域的系泊载荷快速预报方法

李牧，田冠楠，李德斌，李鹏

(中海油能源发展采油服务公司，天津 300451)

针对FPSO系泊载荷的快速预报问题，将频域求解方法与规范相结合，提出一种适用于单点系泊型FPSO系泊力的快速计算方法，利用编制不同装载工况下的水动力参数数据库，基于线性插值方法，能够快速获得最大载荷及最大纵荡。与时域计算结果对比表明，该方法具有良好的准确度。

FPSO；快速预报；载荷；频域分析

目前国内所应用的FPSO均采用单点系泊系统，此种系泊系统可使得FPSO在海上作业时具备风向标效应，使其受到最小的系泊力[1]。然而，恶劣的海洋环境使得系泊系统的安全性经受考验，受到国内外学者的关注和研究[2-4]。目前，针对系泊系统载荷的主要研究方法为数值模拟和实验研究，也形成了较为成熟的系泊分析软件，如Araine，OrcaFlex，Moses，AQWA等，应用这些方法都取得了较好的仿真计算效果，并获得验证[5-6]。但是，应用数值仿真软件对专业技术要求较高、且计算速度较慢，对于海上作业人员无法短时间获取系泊系统载荷、位移等信息，在实际的快速预报中无法得到应用。因此，考虑以作业于渤海地区的海洋石油112FPSO为研究对象，基于频域求解方法与规范相结合，开发一种能够进行海上系泊载荷快速预报方法。

1 理论基础

频域求解方法描述浮体响应的总体方程是解耦的，且分解为平均、低频和波频响应。平均响应通过环境荷载和系泊系统恢复力共同作用而达到的静平衡状态计算得到。波频和低频浮体运动可通过频域方法计算并得到运动响应标准差，然后可以基于峰值响应分布而求得诸如有义值和最大值等统计峰值，并将波频和低频响应进行适当的组合以得到对应于指定风暴持续时间的最大组合响应。最后将最大相应组合带入FPSO系泊刚度曲线，取得系泊力极值。

使用频域浮体动力方法对具有风向标特性的浮体进行性能分析时，浮体的浪向必须是固定的。在固定设计浪向上计算浮体系泊系统响应时，固定设计浪向应在考虑平均的平衡浪向和低频首摇运动的基础上确定。

1.1 环境载荷

作用于FPSO上的环境载荷包括波浪载荷、风载荷和流载荷。在系泊计算采用频域计算波浪载荷主要考虑二阶波浪平均漂移力，其中波浪漂移力采用谱方法进行求解。

(1)

式中：QTF为二阶平均漂移力传递函数；S(ω)为波浪谱，该海域应用Jonswap谱[7]。

将风视作均匀风，不同入射角度对应不同的风载荷系数，流载荷也作同样处理。

1.2 最大位移

根据API规范规定[8]，采用频域方法计算，最大位移为以下2式最大值。

Smax=SLFmax+SWFsig+Smean

(2)

Smax=SLFsig+SWFmax+Smean

(3)

式中：Smean为FPSO平均位移；SWFsig为波频有义位移；SWFmax为波频最大位移；SLFsig为低频有义位移；SLFmax为低频最大位移。

根据3 h内Rayleigh分布，最大波频位移、波频有义位移、最大低频位移、波频有义位移为

SWFmax=3.72σWF

(4)

SWFsig=2σWF

(5)

SLFmax=3.06σLF

(6)

SLFsig=2σLF

(7)

其中标准差σWF、σLF采用谱方法求得，分别为

(8)

(9)

上式中低频波浪漂移力谱密度为

(10)

1.3 快速预报数值方法

快速预报方法即能够根据输入数据快速对最大位移、最大系泊力进行快速计算，实现环境与载荷、位移的实时对应。所以针对上述一阶力、二阶力传递函数，基于势流理论对不同吃水装载下的FPSO进行计算，获得RAO及QTF。利用商用软件获得FPSO在不同吃水下的刚度，见图1，编制成数据库。在快速预报时，利用输入值与数据库线性插值，进而获得传递函数和刚度曲线。

图1 不同吃水下系泊系统的刚度

2 研究对象

本文研究对象为作业于渤海海域的海洋石油112FPSO，其主尺度见表1，该条FPSO作业水深24.0 m，采用水下软刚臂式单点系泊系统，系泊系统主要由塔架、刚性的Yoke结构及锚链组成。

3 数值结果对比验证

为了验证该算法的合理性，通过与目前较为认可的OrcaFlex软件计算结果进行对比验证。

表1 FPSO主要参数表

OrcaFlex软件目前广泛应用系泊系统设计，该软件能够进行考虑系泊系统与船体间全耦合的时域分析[9]，图2为数值仿真模型。针对FPSO在满载及压载，不同环境条件下的工况进行对比分析，对比计算工况见表2。

图2 海洋石油112FPSO数值仿真模型

表2 对比验证工况

分别采用频域方法和全耦合的时域方法对以上4种工况进行计算，获得最大纵荡值、最大系泊力等统计值。

图3 频域与时域计算值对比

满载工况和压载工况时域与频域计算结果对比见图3，压载工况由于装载量较小，整体系泊刚度较小，因而最大纵荡值较大。对比发现，频域计算值与时域计算值变化规律一致，随着海洋环境的愈加恶劣，纵荡值与系泊力值均有所增加。对比值存在一定误差，但误差范围较小。满载工况位移最大误差为8.9%，系泊力的最大误差为10.1%；压载工况位移最大误差为12.4%，满载工况为7.9%。

4 结论

为了提高计算效率和船载软件的可靠性，该快速预报方法没有采用多个种子的时域分析方法，而是采用了谱分析的频域计算分析方法，提高了计算及应用效率。

该频域计算值与时域计算对比值存在小范围内的误差，通过工程实际应用，均在可接受范围内，验证了该方法的合理性。

该方法已实现软件化且成功应用于海洋石油112FPSO，现场操作人员通过输入未来气象环境条件，可以快速准确预测系泊受力及水平偏移情况。

[1] 梁修锋,杨建民,李欣,等.FPSO甲板上浪的数值模拟[J].水动力学研究与进展,2007,22(2):229-236.

[2] 刘成义,唐友刚,李焱.水深对软刚臂单点系泊FPSO动力响应的影响[J].海洋工程，2016,34(1):25-32.

[3] 夏华波.水下软刚臂单点系泊研究[J].船海工程，2014,43(3):166-170.

[4] 肖龙飞,杨建民,胡志强.极浅水单点系泊FPSO低频响应分析[J].船舶力学，2010,14(4):372-378.

[5] 林伍雄.多点系泊型式浮式生产储油船(FPSO)的运动响应预报[J].2007(1):9-12.

[6] 祁祺,张涛,文攀,等.基于AQWA的FPSO系泊系统响应数值模拟[J].舰船科学技术,2011,33(12):14-18.

[7] 窦培林,朱建,陈刚,等.风浪流成长全过程单点系泊FPSO运动低频响应极值研究[J].江苏科技大学学报，2014，28(2)：1-6.

[8] API. Design and analysis of station keeping systems for floating structures[S]. API，2010.

[9] 王文伟,孙丽萍.西非海域FPSO系泊系统动力响应及设计分析[J].船海工程，2014,43(6):126-131.

The Quick Forecasting Method of Mooring Load Based on Frequency Domain Analysis

LIMu,TIANGuan-nan,LIDe-bin,LIPeng

(CNOOC Energy Technology & Services-Oil Production Services Company, Tianjin 300451, China)

A quick forecasting method of the mooring loads was proposed for FPSO with single point mooring system. The method combined the frequency domain analysis with the rules’ requirements. It can get the maximum load and surge by using the hydrodynamic database for different loading based on linear interpolation. Compared with the results from the time domain calculation, it was shown that the method has high precision.

FPSO; quick forecast; load; frequency domain analysis

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0034-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.009

2016-09-14

修回日期：2016-10-09

李牧(1986—)，女，硕士，工程师

研究方向：浮体结构