深水FPSO拖航性能模型试验

赵战华， 范亚丽， 匡晓峰， 周春锋

(1.中国船舶科学研究中心 水动力学重点实验室， 江苏 无锡 214082；2.武昌船舶重工集团有限公司， 湖北 武汉 430060)

0 引 言

随着海洋油气资源开发逐步走向深海，深水油气开发装备的设计和研究得到了快速的发展。浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)[1-2]依靠其建造周期短、储油能力强、便于改装等优点广泛应用于深、浅海油气资源的开发中，成为目前海上油气开发的重要装置。FPSO通常不具备自航能力，在出厂投入运营、返厂维修改造以及海上迁移过程中都需要通过拖航来完成。拖航过程中的拖航稳定性和拖航阻力直接影响着拖航的安全和效率，是拖航设计中重点研究的内容[3]。

国内外学者[4-6]在相关理论方面有过一定的研究，尤其是针对拖航过程中存在的大幅偏荡问题进行了很多的理论分析和模型试验，对影响拖航系统运动的关键因素进行了较为深入的研究，取得了一些成果。然而，由于拖航过程中的偏荡运动周期较大，实船通常达到400 s以上，拖航模型试验需要采用足够长的大型拖曳水池，才能保证单航次内获得足够多稳定的运动数据，使统计结果更具可靠性。目前国内适宜开展拖航模型试验的大型水池十分有限，对拖航过程中不同影响因素的系统性模型试验研究尚不充分。

本文对某一作业水深2 000 m的FPSO模型在中国船舶科学研究中心大型拖曳水池(长474 m)开展拖曳模型试验。通过改变拖缆长度、龙须缆夹角分别进行静水和波浪中的拖航性能模型试验研究，测试参数包括拖缆张力和FPSO运动。通过模型试验研究拖缆长度、龙须缆夹角和环境条件对拖航阻力特性和稳定性的影响。

1 模型试验

1.1 试验对象

试验对象的原型是某深水FPSO储油船，作业水深2 000 m，目标海域为中国南海。船体主尺度及主要状态参数见表1。试验模型缩尺比取1∶80，加工线型与实船几何相似，试验前对模型重心和惯量进行调试，满足与实船的相似要求，试验模型如图1所示。

图1 深水FPSO试验模型

表1 FPSO主尺度及主要状态参数(实船)

1.2 试验海况及环境条件模拟

模型试验在中国船舶科学研究中心大型拖曳水池进行，水池主尺度为474 m×14 m×7 m，如图2所示。拖车车速 0.01～15 m/s，在水池一端布置16单位摇板式造波机，频率0.3～1.2 Hz，波高250 mm。

拖航模型试验分别在静水和5级海况下进行，试验的环境参数见表2，航速10 kn。正式试验前，在水池中对给定波浪条件进行调试，使其满足试验精度要求，调试结果如图3所示。

表2 拖航试验环境参数(实船)

图2 中国船舶科学研究中心大型拖曳水池 图3 波浪谱模拟结果(5级海况)

图4 水平系泊系统布置示例

1.3 拖缆系统模拟

从船首部导缆孔处引出2条拖缆集合于集线盘，再从集线盘引出主拖缆与拖车拖点连接，如图4所示。龙须缆之间的夹角为α，简称龙须缆夹角。主拖缆和龙须缆为钢缆，拖缆材料和布置参数见表3。试验中拖缆用细钢丝模拟，在拖点处布置弹簧模拟拖缆刚度。

表3 FPSO主尺度及主要状态参数

1.4 试验内容

主拖缆与被拖船的连接方式一般有单点和多点2种：单点连接是将主拖缆一端直接与船首中间位置连接，该方法操作简单，适用于较大长宽比船型；多点连接通常采用2条龙须缆分别在被拖船首部两侧连接，另一端与主拖缆连接，该方式一般用于肥大型船舶，有利于减小船舶艏摇运动。

龙须缆夹角的选择是设计的重点，过大或过小都不利于运动的控制。本文取900 m长主拖缆，分别改变龙须缆夹角(75°，52°，25°)开展模型试验，研究龙须缆夹角对拖航运动性能的影响。由于拖缆长度过短不利于拖航安全，过长不利于拖航稳定，必须选择合适的拖缆长度。本文分别选择900 m、787 m和675 m 等3个不同长度的主拖缆，选择52°的龙须缆夹角，分别开展模型试验，研究拖缆长度对拖航稳定性和拖缆张力的影响。

波浪中拖航与静水中拖航存在显著不同，除了一阶波浪力、二阶平均波浪力作用于船体之外，波浪对被拖船尾部边界层的分离也会有直接影响，进而改变拖航过程中发生的大幅偏荡运动。为深入研究波浪对被拖船的运动和拖缆张力的影响，选择52°龙须缆夹角，900 m、787 m和 675 m 等3个不同长度的主拖缆，分别开展静水中和5级海况下的拖航模型试验。典型试验照片如图5和图6所示。

图5 静水中拖航模型试验 图6 波浪中拖航模型试验

1.5 拖航张力换算方法

拖航过程中测量得到的总阻力R包括摩擦阻力Rf、剩余阻力Rs和波浪阻力Rw3部分。Rs和Rw可根据Froude数相似，确定模型与实船之间转换关系为λ3，模型和实船的摩擦阻力则根据国际拖曳水池规范ITTC推荐的转换公式计算：

(1)

式中：Cf为摩擦阻力系数；Re为雷诺数。

按照式(1)转换后得到目标航速下FPSO模型的摩擦阻力为2.826 N，实船摩擦阻力为516.13 kN。

2 试验结果分析

在拖航过程中，被拖船长周期、大幅度的偏荡、艏摇运动和拖缆张力是需要重点关注的因素，对拖航设计、安全防护有直接的影响。因此，本文针对FPSO偏荡运动、艏摇运动和拖缆张力进行统计和对比分析。

2.1 龙须缆夹角影响分析

对主拖缆900 m，龙须缆夹角分别为75°、52°和25°等3种情况分别进行模型试验，分别统计FPSO偏荡、艏摇和拖缆张力，结果如图7～图9和表4所示，可以看出：过大或者过小的龙须缆夹角都会导致FPSO偏荡增大，从而造成FPSO拖航运动不稳定性加剧；龙须缆夹角增大会引起FPSO艏摇运动增加，同样不利于拖航的稳定性；随着龙须缆夹角增大，拖缆张力的最大值和平均值均有小幅增加的趋势。因此，综合各方因素考虑，对于拖航设计中龙须缆夹角的选取不应过大或过小，在50°左右较为合理，具体设计中还应根据船型特点，通过模型试验进一步确定。

图7 FPSO偏荡最大值 图8 FPSO艏摇最大值 图9 拖缆张力

夹角/(°)偏荡/m静水中 波浪中 艏摇/(°)静水中 波浪中 拖缆张力最大值/kN 静水中 波浪中 拖缆张力平均值/kN 静水中 波浪中 25685.1645.214.7010.956 082.515 856.492 903.132 938.2952603.7435.618.3115.466 640.046 107.633 073.903 445.5975896.2677.219.2615.706 690.266 233.203 340.113 601.29

2.2 拖缆长度影响分析

对龙须缆夹角52°，主拖缆长度分别为900 m、787 m和675 m 等3种情况分别进行模型试验，分别统计FPSO偏荡、艏摇和拖缆张力，结果如图10～图12和表5所示，可以看出：随着拖缆长度的增加，FPSO偏荡运动逐渐减小，艏摇运动有增大趋势，拖缆张力的平均值和最大值相差不大。因此，对拖缆长度的选取应综合考虑偏荡、艏摇因素，同时结合拖船和FPSO总长以及地形条件等因素进行选取。

图10 FPSO偏荡最大值 图11 FPSO艏摇最大值 图12 拖缆张力

缆长/m偏荡/m静水中 波浪中 艏摇/(°)静水中 波浪中 拖缆张力最大值/kN 静水中 波浪中 拖缆张力平均值/kN 静水中 波浪中 675679.3552.414.5813.586 507.626 208.083 083.953 631.42787669.0574.117.2314.177 147.336 338.673 360.213 586.22900603.7435.618.3115.706 640.046 107.633 340.113 445.59

2.3 环境因素影响分析

本文对FPSO模型分别进行静水中和波浪中的拖航试验，以900 m缆长、50°龙须缆夹角工况为例，其偏荡和拖缆张力的时历曲线如图13和图14所示。

图13 静水中与波浪中拖航偏荡对比 图14 静水中与波浪中拖航拖缆力对比

从图7、图8和图10、图11的统计结果中可知：静水中的艏摇和偏荡运动均大于波浪中。从图13可以看出：波浪中偏荡运动更加稳定且幅值较静水中明显减小。这主要是由于二阶平均波浪力和拖缆之间形成了稳定的回复力矩，有效减小FPSO的艏摇和偏荡运动。

从图9和图12的统计结果以及图14的时历对比结果可知：由于二阶平均波浪力的存在，波浪中拖缆的平均作用力大于静水中，静水中拖缆的最大作用力大于波浪中，这主要是由于静水中大幅的偏荡和艏摇运动引起拖航过程中拖缆力的瞬时增加。但是，这一现象的发生还取决于波高、周期的大小。如果在较大的波浪环境中，由于二阶平均波浪力的作用，拖缆张力的最大值可能会大于静水中。

因此，相比小波高，静水中FPSO的拖航稳定性更差，应充分重视该条件下FPSO的偏荡和艏摇运动以及拖缆张力。

3 结 论

(1) 合适的龙须缆夹角能够有效减小FPSO的偏荡作用，综合考虑艏摇运动拖缆张力因素，龙须缆夹角应在50°左右为宜。

(2) 增加拖缆长度会减小FPSO的偏荡作用，但艏摇运动有增加趋势，拖缆长度选取应综合考虑多种因素。

(3) 由于二阶平均波浪力的存在，相比小波高环境，静水中拖航稳定性更差，而且拖缆的最大张力更大，在拖航过程中应给予重视。