基于不同海域海况特点的通用型FPSO疲劳损伤分析

董震，王璞，张鸣，冯国庆

(1.哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001；2.中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

通用型FPSO是为满足当今石油开发需求而设计的新型FPSO。(相较于传统的FPSO，通用型FPSO具有能够兼容多种系泊方式和缩短建造周期等特点[1]。此前对FPSO疲劳损伤的分析，大多分析FPSO的某一特定运行海域，如FPSO在西非海域[2]、墨西哥湾海域、巴西海域或南海海域[3]下的疲劳损伤；或者是分析FPSO在某一特定系泊方式，如多点系泊、单点系泊内转塔和单点系泊外传塔下的疲劳损伤分析，而对于通用型FPSO,由于其具有多海域、多系泊方式的适配特点，这就要求通用型FPSO能够适应不同海域海况下的疲劳损伤。

通用型FPSO需要在西非海域、墨西哥湾海域和巴西海域等海域下服役，由于不同海域的海况特点存在明显差异，因而造成船体在不同海域海况下的疲劳损伤也将呈现非常明显的差异。有必要对通用型FPSO进行基于不同海域海况特点的疲劳损伤分析。采用疲劳谱分析法，参考相关规范[4-6]，进行基于不同海域海况特点下的通用型FPSO疲劳损伤分析，得出不同海域海况下的通用型FPSO疲劳损伤特点。

1 计算公式

疲劳计算回复期的疲劳累积损伤度表示为

(1)

根据得到的疲劳计算回复期的疲劳累积损伤度D，可得到实际的疲劳寿命，公式如下。

(2)

式中：TL为疲劳计算的回复期，年；Tf为实际疲劳寿命，年。

2 通用型FPSO关键节点疲劳寿命计算

2.1 计算工况

通用型FPSO主尺度见表1。

表1 通用型FPSO主尺度 m

根据通用型FPSO的多海域适配要求，选取3个海域即西非海域、墨西哥湾海域和巴西海域。根据海况恶劣程度及设计经验决定，西非海域采用多点系泊，墨西哥湾海域与巴西海域均采用单点系泊内转塔和单点系泊外转塔。每种系泊方式应至少包括满载及压载2种典型装载工况，满载及压载的时间分配系数均取50%。

3种海域不同系泊方式不同装载工况下船体在谱分析计算过程中的波浪载荷及结构响应均不相同，故在损伤累积计算中需要单独计算各装载工况与其相应时间分配系数下的疲劳损伤度，根据线性损伤累计理论，总损伤度为系泊方式下两种装载工况之和。

通用型FPSO通过系泊的方式固定，其中系泊的影响通过悬链线方法计算，考虑其张力对刚度矩阵的影响，固定通用型FPSO的悬链线预张力见表2。

表2 悬链线预张力

波浪载荷采用三维势流载荷计算方法进行计算，参考中国船级社船体结构疲劳强度指南[7]的规定，其中多点系泊和单点系泊的计算航速和波浪圆频率均相同。

多点系泊和单点系泊的航向角0°均为迎浪。多点系泊航向角取为0°～330°，间隔为30°，共计12个浪向。单点系泊考虑风标效应，单点系泊航向角取为-30°～30°，间隔为15°，共计5个浪向。

2.2 不同海域海浪的能量特点

由于西非海域、墨西哥湾海域和巴西海域具有各自的海况概率及海浪能量特点，因此需要选取不同的功率谱密度。其中西非海域的功率谱密度采用6参数的Ochi_Hubble谱，墨西哥湾海域和巴西海域的功率谱密度采用3参数的Jonswap谱。

6参数的Ochi_Hubble谱表达式为

(3)

式中：HS,i，ωS,i和λi(i=1,2)分别对应于低频和高频部分的有义波高、谱峰频率和形状参数，i=1对应于低频谱，i=2对应于高频谱。

Jonswap谱用谱峰周期TP和有义波高HS以及γ三个参数来表示，波浪谱的表达式为

(4)

式中：ωp=2π/Tp；γ为谱峰升高因子；μ为谱型参数；A=1-0.287ln(γ)为无因次参数；ω为波浪角频率。

选取3个海域的典型海况概率作为输入，其中西非海域的海况主要集中在谱峰周期TP：10～13 s，有义波高HS：1.4～1.6 m的范围内；墨西哥湾海域的海况主要集中在谱峰周期TP：4.5～5.5 s，有义波高HS：0.75～1.25 m的范围内；巴西海域的海况主要集中在谱峰周期TP：5～13 s，有义波高HS：1.5～3.5 m的范围内。

为了进一步考察波浪特点，节选3个海域的部分代表性海况，绘制海浪谱密度曲线图，见图1。

图1 不同海域功率谱密度对比

3个海域呈现了3种能量集中形式。西非海域功率谱密度表现出了能量低频集中的特点，且在圆频率升高时出现了快速的下降趋势。墨西哥湾海域则展现出了能量峰值圆频率更高的特点，且随着圆频率的升高能量下降相对缓慢。巴西海域能量峰值分布相对较为广泛，在低频位置虽不如西非海域能量集中，但相较于墨西哥湾海域要高许多。

2.3 剖面载荷分析

疲劳破坏是结构在波浪载荷作用下的结果，为进一步分析不同海域海况对通用型FPSO疲劳强度的影响，对剖面载荷RAO与波浪功率谱密度S(ω)进行对照分析。剖面载荷RAO通过COMPASS-WALCS进行计算。采用了内转塔、外转塔与多点系泊3种系泊方式，装载工况均为满载。考察船舯剖面垂向弯曲与扭转两种剖面载荷响应。结果见图2～4。

图2 内转塔满载船舯剖面

图3 外转塔满载船舯剖面

图4 西非海域多点系泊满载船舯剖面

3种系泊方式下的剖面载荷RAO具有相近的规律，即垂向弯矩在圆频率0.4 rad/s附近出现了最大值，而转矩在圆频率为0.6 rad/s附近出现最大值。

在疲劳强度计算中，剖面载荷RAO和海浪谱乘积与疲劳损伤成正相关关系，在两者峰值频率吻合时会产生指数级的损伤增大。因此3个海域海况分别对垂向弯曲与扭转两类响应下的疲劳损伤有着不同的影响。通过与海浪谱对比发现，垂向弯矩的整体分布与西非海域海况能量分布重合度较高，巴西海域次之，与墨西哥湾海域重合度较低。转矩方面则恰好相反，其与墨西哥湾海域及巴西海域能量分布重合度较高，与西非海域重合度较低。

2.4 有限元模型

考虑腐蚀余量的影响，建立通用型FPSO全船有限元模型。在热点附近，精细网格尺寸为t×t,其中t是热点附近的最小板的净厚度。热点附近的所有支撑构件(包括板和加强筋)均采用4节点壳单元进行网格划分，从精细网格到普通网格的过渡也足够平滑。通过选取典型剖面和设计波法筛选得到5个船体疲劳关键热点。见图5。

图5 关键热点选择

2.5 应力传递函数

热点应力RAO采用直接计算法进行计算。首先分别将多种系泊方式、多浪向(0°为迎浪)、多圆频率单位波幅下的水动压力加载至有限元模型。通过PCL二次开发程序及批处理程序实现批量计算及数据处理。由于热点RAO较多，限于篇幅，选取具有代表性的典型热点5满载载况的热点应力RAO，见图6～8。

图6 内转塔满载热点5应力RAO

图7 外转塔满载热点5应力RAO

图8 多点系泊满载热点5应力RAO

当圆频率增加时，3种系泊方式下的应力均为先上升后下降。3种系泊方式在浪向为330°圆频率在0.5 rad/s左右时应力为最大。3种系泊方式下外转塔各浪向曲线的重合度最高，内转塔次之，多点系泊各浪向的曲线重合度最低。

2.6 损伤计算结果

选取的相关热点在各海况下的疲劳损伤计算结果见表4。

由表4可知，热点3在5种海域工况下损伤最大，在多点系泊西非海域为4.29×10-2；热点1在5种海域工况下损伤最小，在外转塔墨西哥湾海域为4.29×10-5。在热点相同的情况下，西非海域的损伤最大，巴西海域次之，墨西哥湾海域最小。在海域相同的情况下，热点4在墨西哥湾海域下两种系泊方式下的损伤差距最小，热点3在巴西海域下两种系泊方式下的损伤差距最大。在热点相同，海域相同的情况下，内转塔的损伤大于外转塔的损伤。

表4 热点损伤

3 结论

1)对于通用型FPSO,垂向弯矩对于船体结构疲劳强度影响比转矩对于船体结构疲劳强度的影响要大很多，要优先考虑垂向弯矩对于船体结构疲劳强度的影响；西非海域海况下垂向弯矩对于船体结构疲劳强度的影响最大，巴西海域次之，墨西哥湾海域最小。

2)对于通用型FPSO，不同海域海况，不同系泊方式下的疲劳损伤均具有明显差异。在多数情况下多点系泊西非海域疲劳损伤是3个海域中最大的，在设计时应重点考虑多点系泊西非海域下的疲劳损伤；当通用型FPSO的运行海域为墨西哥湾海域或巴西海域时，在设计时要重点考虑系泊方式为内转塔时的疲劳损伤；当通用型FPSO的系泊方式为内转塔系泊或外转塔系泊时时，在设计时应重点考虑运行海域为巴西海域时的疲劳损伤。