王顥然　魏躍峰　潘方豪

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

單點(diǎn)系泊FPSO系泊纜疲勞壽命研究

王顥然魏躍峰潘方豪

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法對(duì)單點(diǎn)系泊FPSO進(jìn)行系泊分析，并采用T-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷理論以及雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞分析，研究每一根系泊纜不同位置處的疲勞壽命，研究發(fā)現(xiàn)每一根系泊纜觸地點(diǎn)位置的疲勞壽命最短。

FPSO；單點(diǎn)系泊；疲勞壽命

引 言

FPSO長(zhǎng)期定位于某個(gè)特定海域作業(yè)，所受到的環(huán)境載荷方向和幅值都在不斷變化，從而導(dǎo)致系泊纜受到循環(huán)載荷的作用，產(chǎn)生疲勞累積損傷。對(duì)于永久系泊定位的FPSO，在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析。

Jun等［1］采用時(shí)域分析和S-N曲線方法對(duì)一艘作業(yè)于墨西哥灣海域FPSO的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞壽命分析，研究了兩種不同布錨方式的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊纜的疲勞壽命。這兩種多點(diǎn)系泊系統(tǒng)分別采用16根系泊纜分4組（每組4根）和12根系泊纜分4組（每組3根）。兩種系泊系統(tǒng)具有相同的靜水剛度。研究表明兩種系泊系統(tǒng)系泊纜的疲勞壽命差別不大。Low等［2］提出混合頻域/時(shí)域方法，對(duì)四點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)和立管疲勞壽命進(jìn)行分析，該方法即可達(dá)到一定的進(jìn)算精度，又節(jié)省時(shí)間。Huang等［3］研究了單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱系泊纜的疲勞壽命，并對(duì)其失效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。李焱等［4］采用時(shí)域耦合分析的方法對(duì)服務(wù)于中國(guó)南海的多筒式FDPSO概念的系泊系統(tǒng)開(kāi)展分析疲勞壽命分析，并采用DNV規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。

本文采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法對(duì)作業(yè)于中國(guó)南海海域單點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊分析，并結(jié)合南海海域的波浪散布圖，采用T-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷理論，以及雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞分析，并研究每一根系泊纜導(dǎo)纜器處的疲勞壽命。

1　理論方法

1.1準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法在求解船體運(yùn)動(dòng)時(shí)每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)低頻運(yùn)動(dòng)和波頻運(yùn)動(dòng)單獨(dú)計(jì)算。低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過(guò)求解時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程得到，考慮波浪漂移力、風(fēng)力、流力和系泊力等。波頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在低頻運(yùn)動(dòng)位置和船體首搖角基礎(chǔ)上，通過(guò)線性疊加每個(gè)波浪成分的波頻運(yùn)動(dòng)得到。在時(shí)間步結(jié)束時(shí)，低頻運(yùn)動(dòng)和波頻運(yùn)動(dòng)疊加，確定導(dǎo)纜器位置后通過(guò)靜力方法計(jì)算系泊力。

1.1.1低頻運(yùn)動(dòng)求解

船體低頻運(yùn)動(dòng)受到風(fēng)力、流力、二階波浪漂移力和系泊力的影響，低頻運(yùn)動(dòng)求解方程如下［5］：

式中：H為水動(dòng)力載荷；M為系泊載荷；B為阻尼載荷；D為二階波浪漂移力；W為風(fēng)載荷；C為流載荷。

1.1.2波頻運(yùn)動(dòng)求解

根據(jù)三維頻域水動(dòng)力性能計(jì)算可以得到船體質(zhì)心處六自由度運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)（RAOs）結(jié)果，結(jié)合波浪時(shí)歷，可以得到船體質(zhì)心處的波頻運(yùn)動(dòng)。假設(shè)船體運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)和相位分別為R和，則其同步和異步的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)為：

船體質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)為：

在知道了船體質(zhì)心處的波頻運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以得到導(dǎo)纜器位置處的波頻運(yùn)動(dòng)，從而可確定導(dǎo)纜孔和錨泊點(diǎn)之間的水平距離以及系泊力。

1.2系泊纜疲勞壽命分析

系泊纜疲勞設(shè)計(jì)與分析方法主要是基于T-N曲線和Palsren-Mine線性累計(jì)損傷理論方法。

1.2.1T-N曲線

系泊纜疲勞性能以系泊纜張力與破壞時(shí)的壽命之間關(guān)系描述，即T-N曲線：

式中：N為疲勞壽命，即構(gòu)件達(dá)到疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù)；R為張力與參考破斷強(qiáng)度的比值，對(duì)錨鏈來(lái)說(shuō)，參考破斷強(qiáng)度即為最小破斷強(qiáng)度（MBS）；K為T(mén)-N曲線的截距參數(shù)；M為T(mén)-N曲線的斜率參數(shù)。

根據(jù)BV NR493規(guī)范［6］，T-N曲線中K和M的取值如表1。

表1　T-N曲線中K和M的值

1.2.2Miner理論

Miner理論是線性疲勞累積損傷理論，根據(jù)Miner理論，一個(gè)循環(huán)造成的損傷為：

式中：N對(duì)應(yīng)于當(dāng)前載荷水平的疲勞壽命。

等幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷為：

對(duì)于給定的海洋環(huán)境條件，根據(jù)Miner理論，系泊纜一年的疲勞壽命損傷為：

式中： j為環(huán)境條件序號(hào)；Dj為環(huán)境條件j作用下系泊纜一年內(nèi)的疲勞損傷；pj為環(huán)境條件j出現(xiàn)的概率（所有的環(huán)境條件出現(xiàn)概率的和為1）； dj為環(huán)境條件j作用的時(shí)間；njk為環(huán)境條件j作用下第k個(gè)張力出現(xiàn)的循環(huán)次數(shù)（由雨流法計(jì)數(shù)得到）；Nk為第k個(gè)張力使構(gòu)件損壞所需的循環(huán)次數(shù)（由T-N曲線得到）。

在所有不同的環(huán)境條件作用下，系泊纜一年內(nèi)總的疲勞壽命損傷為：

在計(jì)算出系泊纜一年內(nèi)總的疲勞壽命損傷后，系泊纜的疲勞壽命（年）可以由式（11）計(jì)算得到：

2　單點(diǎn)系泊FPSO系統(tǒng)

對(duì)作業(yè)于中國(guó)南海海域1 700 m水深單點(diǎn)系泊FPSO的系泊纜開(kāi)展疲勞壽命分析研究，F(xiàn)PSO船體主尺度參數(shù)如表2。

表2　FPSO船體主尺度參數(shù)

FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)共有12根系泊纜，分為3組，每組4根，相鄰兩組對(duì)應(yīng)的系泊纜之間的夾角為120°，每一組內(nèi)相鄰兩根系泊纜之間的夾角為5°。每一根系泊纜由三部分組成：上部與船體連接的為無(wú)檔錨鏈（R4），中間為螺旋鋼絲繩，下端為無(wú)檔錨鏈（R4）。系泊纜參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1　FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)布置

表3　單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊纜參數(shù)

3　環(huán)境條件

采用波浪散布圖開(kāi)展系泊纜長(zhǎng)期疲勞壽命分析。選定中國(guó)南海海域8個(gè)不同方向的波浪散布圖。由于波浪散布圖中給出的波浪數(shù)目較多，在進(jìn)行疲勞分析時(shí)把每一個(gè)波浪都考慮進(jìn)去計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，工程上常用的方法是分塊法，即將散布圖按照波浪集中出現(xiàn)的情況分成有限的塊，每一塊選定一個(gè)有義波高和譜峰周期，塊內(nèi)波浪出現(xiàn)的概率相加。每一個(gè)波浪用JONSWAP譜模擬。風(fēng)的模擬采用NPD風(fēng)譜，風(fēng)速采用相應(yīng)波高的非超越概率計(jì)算得到。進(jìn)而取波浪散布圖八個(gè)方向上波浪的參數(shù)分別與不同方向的風(fēng)、流疊加組合而成，共計(jì)576種海況數(shù)據(jù)，并采用平均概率分布對(duì)其進(jìn)行時(shí)域計(jì)算。

4　結(jié)果與分析

根據(jù)系泊纜布置方式和單根系泊纜參數(shù)，采用ARIANE軟件建立系泊分析計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　單點(diǎn)系泊FPSO系泊分析模型

為了詳細(xì)分析不同位置系泊纜的疲勞壽命，在每根系泊纜上建立了15個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的位置如圖3所示。

圖3　系泊纜疲勞壽命分析控制點(diǎn)位置

首先根據(jù)中國(guó)南海海域波浪散布圖的數(shù)據(jù)和不同方向風(fēng)、流載荷組成的多種海況，對(duì)單點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞壽命分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4　各系泊纜疲勞壽命

圖4給出單點(diǎn)系泊系統(tǒng)12根系泊纜導(dǎo)纜器位置處的疲勞壽命結(jié)果。從圖中可以看出，由于風(fēng)浪流海況從第三組系泊纜（9、10、11、12號(hào)系泊纜）方向出現(xiàn)的海況更為惡劣，該方向系泊纜受力最大，疲勞壽命最短。為了詳細(xì)分析每根系泊纜不同位置處的疲勞壽命，對(duì)疲勞壽命最短的一組（9、10、11、12號(hào)系泊纜）每根系泊纜上設(shè)置15個(gè)控制點(diǎn)，計(jì)算這15個(gè)控制點(diǎn)位置處的疲勞壽命，研究疲勞壽命沿整根系泊纜的分布，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　系泊纜的疲勞壽命沿長(zhǎng)度的分布

從圖5可以看出，由于錨鏈和鋼絲繩材料屬性不同，T-N曲線中K和M的取值不同，鋼絲繩的疲勞壽命結(jié)果約為錨鏈疲勞壽命的219倍。

每根系泊纜上控制點(diǎn)疲勞壽命的趨勢(shì)大致相同，即在錨鏈與鋼索的結(jié)合點(diǎn)處疲勞壽命最長(zhǎng)，在底部錨鏈與海底接觸點(diǎn)處疲勞壽命最短。因此，在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注該位置的疲勞壽命。

按照BV規(guī)范NR 493對(duì)系泊疲勞分析計(jì)算得到的系泊纜疲勞壽命結(jié)果進(jìn)行衡準(zhǔn)。

如表4所示，按照FPSO系統(tǒng)30年的服役壽命來(lái)計(jì)算，疲勞壽命最短的安全系數(shù)為4.8，符合規(guī)范要求。

表4　系泊纜的安全系數(shù)

5　結(jié) 論

本文采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法、T-N曲線、Miner線性疲勞累積損傷理論，以及雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)單點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞壽命分析，計(jì)算每根系泊纜不同位置處的疲勞壽命，得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)工作海域波浪散布圖，8個(gè)不同方向的波浪與風(fēng)、流疊加后，較惡劣海況的上風(fēng)方向處，系泊纜受力較大、疲勞壽命較短。本文中布置于東南方向的系泊纜疲勞壽命最短。

（2）對(duì)每根系泊纜來(lái)說(shuō)，鋼索與錨鏈結(jié)合處疲勞壽命最長(zhǎng)，在底部錨鏈與海底接觸處疲勞壽命最短。

（3）為更好地發(fā)揮單點(diǎn)系泊的特點(diǎn)，對(duì)系泊纜選型與設(shè)計(jì)的優(yōu)化是進(jìn)一步研究的目標(biāo)，以使環(huán)境載荷可以合理分布在每根系泊纜上，并采用一些方法或裝置對(duì)系泊纜的關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)或監(jiān)測(cè)。

［1］ Jun S H， Yun H K， Young J S， et al. A comparative study on the fatigue life of mooring systems with different composition ［C］// 9th International Conference on Hydrodynamics， Shanghai， 2010： 435-439.

［2］ Low Y M. Extending a time/frequency domain hybrid method for riser fatigue analysis ［J］. Applied Ocean Research，2011， 33： 79-87.

［3］ Huang C C， Pan J Y. Mooring line fatigue： A risk analysis for an SPM cage system ［J］. Aquacultural Engineering，2010， 42：8-16.

［4］ 李焱，唐友剛，趙志鵑，等.新型多筒式FDPSO概念設(shè)計(jì)及其系泊系統(tǒng)分析 ［J］.中國(guó)艦船研究，2013（5）：97-103.

［5］ Bureau Veritas. Ariane 7 Theoretical Manual ［R］. 2007.

［6］ Bureau Veritas. NR 293 Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units ［S］. 2012.

On fatigue life of a single point mooring system on FPSO

WANG Hao-ran WEI Yue-feng PAN Fang-hao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

In this paper, the quasi-dynamic method has been adopted to perform mooring analysis of FPSO with a single point mooring system. It carries out the fatigue analysis of the mooring system by T-N curve, Miner linear cumulative fatigue damage theory, and rainflow counting algorithm. By the investigation of the fatigue life of different locations at each mooring line, it is found that the fatigue life of touch-down point is the shortest one.

FPSO; single point mooring; fatigue life

U653.2

A

1001-9855（2015）02-0101-05

2014-11-07；

2014-12-26

王顥然（1990-），男，碩士研究生在讀，研究方向：船舶與海洋工程系泊定位。魏躍峰（1981-），男，博士，工程師，研究方向：船舶及海洋工程水動(dòng)力性能及系泊定位。潘方豪（1978-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶及海洋工程舾裝研究設(shè)計(jì)。