曲開成 張 旭

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098)

CALM 系統(tǒng)(catenary leg mooring system),即懸鏈錨腿系泊系統(tǒng),是世界上最早被采用也是應(yīng)用較為廣泛的一種單點(diǎn)系泊形式[1],FPSO(Floating Production Storage and Offloading)與 CALM 系統(tǒng)的組合在海上石油運(yùn)輸中得到了廣泛的應(yīng)用.CALM 系統(tǒng)作為FPSO 的輸油中轉(zhuǎn)站,將FPSO 儲(chǔ)存的原油通過(guò)若干柔性管傳輸?shù)礁⊥?CALM buoy)上,輸送給穿梭油輪.在風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用下,浮筒和穿梭油輪會(huì)發(fā)生六自由度運(yùn)動(dòng).此外,浮筒與系泊纜、油輪之間還會(huì)發(fā)生復(fù)雜的耦合運(yùn)動(dòng)[2].準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)CALM 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),掌握系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律,對(duì)于輸油系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及事故防范具有重要意義.

近年來(lái)許多學(xué)者開展了相關(guān)的研究.Wang等[3]采用SESAM 軟件對(duì)風(fēng)、浪、流載荷作用下的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析,認(rèn)為風(fēng)和流對(duì)錨鏈張力影響較大,尤其是流.垂蕩是由隨機(jī)波浪引起的.Cunff等[4]利用頻域和時(shí)域內(nèi)的非線性耦合分析,得出了浮筒系泊系統(tǒng)的RAO(response amplitude

operator,幅值響應(yīng)算子),并通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn),兩者存在較大的耦合效應(yīng),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)浮筒和系泊線的非線性阻尼是構(gòu)成非線性項(xiàng)的主要原因.Umar與Datta[5]對(duì)浮筒非線性響應(yīng)因素的研究結(jié)果表明,系泊線的非線性是產(chǎn)生浮筒運(yùn)動(dòng)非線性的主要因素,并計(jì)算了浮筒的一階與二階波浪力.Ryu等[6]進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)與耦合分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于浮筒縱搖運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào),利用基于相對(duì)流速的莫里森公式對(duì)裙板進(jìn)行粘性建模將取得較好的結(jié)果.在對(duì)浮筒的垂直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)(縱蕩、縱搖和垂蕩)進(jìn)行頻域分析和時(shí)域分析后的結(jié)果表明：縱搖與縱蕩和垂蕩之間有耦合作用,裙板阻力的作用對(duì)于縱搖較為明顯.作者還研究了水的粘性效應(yīng)的影響,這是在時(shí)域完全耦合分析中實(shí)現(xiàn)的,而且將時(shí)域的分析結(jié)果與無(wú)系泊的自由浮筒和有系泊浮筒的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證了時(shí)域結(jié)果.王冬姣,孫世鵬[7]采用特征函數(shù)展開及邊界匹配的方法求解含裙板的CALM 浮筒作縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)引起的輻射載荷,并研究了裙板參數(shù)對(duì)浮筒運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律.張大朋,劉建,白勇,等[8]研究了FPSO 的動(dòng)力定位系統(tǒng)失效對(duì)CALM 浮筒的運(yùn)動(dòng),以及對(duì)系泊纜、系船纜及輸油軟管有效張力的影響,研究表明在側(cè)推器失效后,系泊系統(tǒng)中的突變張力無(wú)法有效分散到每根系泊纜繩上.康莊,張橙,孫麗萍[9]研究了FPSO 和外輸系統(tǒng)的模型試驗(yàn)截?cái)嗉夹g(shù),并基于此開展了截?cái)鄬?shí)驗(yàn)以研究系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律.

上述研究表明,對(duì)于系泊浮筒結(jié)構(gòu),不同的結(jié)構(gòu)形式與系泊方等因素對(duì)其水動(dòng)力響應(yīng)特性有顯著影響.本文的研究對(duì)象為FPSO 外輸CALM 系統(tǒng),存在浮筒、纜繩、輸油管、穿梭油輪等多結(jié)構(gòu)間的耦合作用,水動(dòng)力響應(yīng)特性更加復(fù)雜.因此,本文擬基于水動(dòng)力分析軟件,建立包括浮筒、穿梭油輪、系泊線及系船纜在內(nèi)的不同類型結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值模型,考慮結(jié)構(gòu)間的相互影響,對(duì)風(fēng)浪流作用下的CALM 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析,旨在對(duì)CALM 系統(tǒng)在自存工況中的水動(dòng)力響應(yīng)特性及其環(huán)境敏感性進(jìn)行分析,以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考和建議.

1 數(shù)值模擬模型

首先基于AQWA 軟件進(jìn)行頻域分析,得到了浮筒與穿梭油輪的幅值響應(yīng)算子(RAO)、附加質(zhì)量和輻射阻尼等參數(shù).在此基礎(chǔ)上,基于OrcaFlex軟件建立包括浮筒、穿梭油輪、系泊線及系船纜在內(nèi)的耦合數(shù)值模型,考慮結(jié)構(gòu)間的相互影響,對(duì)風(fēng)浪流作用下的CALM 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析.

1.1 載荷計(jì)算方法

外載荷主要包括風(fēng)、浪、流以及系泊纜的拉力.

1.1.1 流載荷

流載荷的作用力和力矩可表示如下：

式中：Fxc、Fyc和Mxyc分別是縱向流體力、橫向流體力以及流體力矩；Cxc、Cyc與Cxyc分別為縱向流體力系數(shù)、橫向流體力系數(shù)、流體力系數(shù)；ρc為流體密度；T為平均吃水；VcR為相對(duì)速度.

1.1.2 風(fēng)載荷

風(fēng)力和力矩可表示如下：

其中：Fxw、Fyw和Mxyw分別為縱向風(fēng)力、橫向風(fēng)力和風(fēng)力矩；Cxw、Cyw和Cxyw分別為縱向風(fēng)力系數(shù)、橫向風(fēng)力系數(shù)和風(fēng)力矩系數(shù)；ρcw為空氣密度；VwR為10 m 高處的風(fēng)速；AL為橫向受風(fēng)面積；AT為縱向受風(fēng)面積.本文采用DNP 風(fēng)譜,參數(shù)的取值可以參考OCIMF規(guī)范[10].

1.1.3 波浪載荷與纜繩張力

基于勢(shì)流理論,根據(jù)輻射/繞射理論計(jì)算一階波浪載荷.采用近場(chǎng)法計(jì)算平均二階波浪漂移力,即直接將濕表面上的壓力變化進(jìn)行積分,用集中質(zhì)量法計(jì)算系泊纜的動(dòng)力學(xué)特性[11].

1.2 模型主尺度

FPSO 外輸CALM 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.需要注意的是,M1組系泊纜的參數(shù)與其他兩組系泊纜的參數(shù)存在差異.系統(tǒng)的工作水深為1 500 m,浮筒與穿梭油輪的詳細(xì)主尺度見表1.系泊纜的具體參數(shù)見表2.

圖1 FPSO 外輸CALM 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

表1 浮筒和穿梭油輪主尺度

表2 系泊纜參數(shù)

建立的基于AQWA 的浮筒與穿梭油輪頻域分析模型以及基于OrcaFlex的水動(dòng)力計(jì)算模型分別如圖2與圖3所示.具體可參考文獻(xiàn)[12].

圖2 浮筒與穿梭油輪AQWA 計(jì)算模型

圖3 整體系統(tǒng)OrcaFlex計(jì)算模型

2 自存工況分析

卸油系統(tǒng)的工作地點(diǎn)是西非海域.該海域波浪條件相對(duì)溫和,主要波浪成分為長(zhǎng)周期的涌浪,局部地區(qū)也有風(fēng)浪[13-14].根據(jù)波浪的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),波浪類型可以分為主涌、次涌和風(fēng)浪[15].考慮到次涌的能量密度相對(duì)較弱,因此在環(huán)境敏感性分析中重點(diǎn)考慮主涌和風(fēng)浪的作用.

為了研究CALM 系統(tǒng)在自存工況下的響應(yīng),參考西非指定海域的海況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),選取西非海域百年一遇的海況作為環(huán)境載荷進(jìn)行數(shù)值模擬.考慮到目的是研究CALM 系統(tǒng)的水動(dòng)力響應(yīng)對(duì)于不同環(huán)境參數(shù)的敏感性,因此分別選取了涌浪、風(fēng)浪(風(fēng)速與風(fēng)浪參數(shù)高度相關(guān))以及流主導(dǎo)的海況進(jìn)行計(jì)算.具體的參數(shù)見表3.其中,Hs代表有義波高,Tp代表波浪周期.在自存工況中,穿梭油輪將停止作業(yè),系統(tǒng)中主要包括浮筒和系泊纜繩.

表3 自存工況的環(huán)境參數(shù)

選取了環(huán)境方向?yàn)?°、180°、240°和300°的4個(gè)典型工況進(jìn)行計(jì)算(方向的定義可見圖1),并假定環(huán)境載荷同向.為了對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)特征進(jìn)行分析,選取240°方向的涌浪主導(dǎo)海況為典型工況進(jìn)行分析.選取具有代表性的(900 s～1 200 s內(nèi)的)浮筒六自由度運(yùn)動(dòng)歷時(shí)曲線,如圖4所示.

從圖4所示的歷時(shí)曲線的整體變化趨勢(shì)來(lái)看,各自由度的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律存在一定的相關(guān)性,因此可以推斷浮筒的各自由度運(yùn)動(dòng)存在相同的激勵(lì)力.雖然各自由度運(yùn)動(dòng)之間存在相關(guān)性,但還是存在一些差異,特別是橫蕩、橫揺與艏揺曲線中明顯可以發(fā)現(xiàn)大振幅低頻運(yùn)動(dòng)的特征.因此,為了更準(zhǔn)確地分析浮筒的運(yùn)動(dòng)特性,對(duì)各自由度的運(yùn)動(dòng)開展相應(yīng)的頻譜分析,如圖5所示.

圖4 浮筒六自由度運(yùn)動(dòng)歷時(shí)曲線(涌浪主導(dǎo)工況,240°)

圖5 浮筒六自由度運(yùn)動(dòng)頻譜分析(涌浪主導(dǎo)工況,240°)

由圖5可知縱搖(Pitch)運(yùn)動(dòng)的頻譜中均存在約0.07 Hz與0.13 Hz兩個(gè)主頻率,分別與主涌和風(fēng)浪的頻率相對(duì)應(yīng)(見表3).此外,與主涌相對(duì)應(yīng)的頻率分量明顯強(qiáng)于與風(fēng)浪相對(duì)應(yīng)的頻率分量.由此可以推斷,浮筒的縱搖運(yùn)動(dòng)受涌浪與風(fēng)浪的共同激勵(lì),并且受涌浪的影響更大.在縱蕩(Surge)與橫蕩(Sway)運(yùn)動(dòng)的頻譜中,除了與主涌和風(fēng)浪對(duì)應(yīng)的頻率分量之外,還存在一個(gè)較大的低頻分量.表明在波浪的激勵(lì)下,浮筒在縱蕩與橫蕩方向上除了隨波浪運(yùn)動(dòng)之外還會(huì)受到二階波浪力的影響,產(chǎn)生明顯的低頻大幅運(yùn)動(dòng).同理,對(duì)各自由度的運(yùn)動(dòng)頻譜進(jìn)行分析,可以得到以下結(jié)論：浮筒的升沉與縱搖運(yùn)動(dòng)主要受涌浪的影響,運(yùn)動(dòng)頻率與涌浪頻率接近.縱蕩、橫蕩與橫揺運(yùn)動(dòng)的主要激勵(lì)力為涌浪,其在隨著涌浪頻率運(yùn)動(dòng)的同時(shí),還會(huì)受到二階波浪力的作用,產(chǎn)生明顯的低頻運(yùn)動(dòng).而艏揺主要隨風(fēng)浪運(yùn)動(dòng),并存在低頻運(yùn)動(dòng).

為研究浮筒運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)環(huán)境參數(shù)的敏感性,分別給出浮筒各自由度的運(yùn)動(dòng)在不同主導(dǎo)環(huán)境載荷中各方向上的運(yùn)動(dòng)幅值,如圖6所示.其中橫坐標(biāo)為環(huán)境載荷方向(environmental drections),用參數(shù)e表示；縱坐標(biāo)為最大幅值(maximum amplitude),用參數(shù)Amax表示.

圖6 浮筒各自由度的運(yùn)動(dòng)在不同主導(dǎo)環(huán)境載荷中各方向上的運(yùn)動(dòng)幅值

由圖6(a)與圖6(e)可知,縱蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)在涌浪主導(dǎo)的環(huán)境下始終最大,并且當(dāng)環(huán)境載荷方向發(fā)生變化時(shí),縱蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)的幅值也會(huì)隨之發(fā)生明顯變化.結(jié)合上文中的頻域分析可以得出,浮筒的縱蕩與縱搖主要是涌浪引起的,并且對(duì)于環(huán)境載荷的方向較為敏感.由圖6(c)可知,垂蕩的最大位移在涌浪主導(dǎo)的環(huán)境下始終最大,并且當(dāng)環(huán)境載荷方向發(fā)生變化時(shí),其幅值基本保持不變.結(jié)合上文中的頻域分析可以得出,浮筒的垂蕩運(yùn)動(dòng)主要受涌浪的影響,且對(duì)環(huán)境方向不敏感.由圖6(b)與圖6(d)可知,浮筒的橫搖與橫蕩運(yùn)動(dòng)的最大幅值在主涌浪以流主導(dǎo)的環(huán)境中較為接近,并且當(dāng)環(huán)境載荷方向發(fā)生變化時(shí),其幅值變化明顯.表明浮筒的橫搖與橫蕩運(yùn)動(dòng)受涌浪與流的影響均很大,特別是在橫浪與橫流的情況下,兩者的共同作用將使浮筒產(chǎn)生較大的幅值.因此,在實(shí)際工程中,應(yīng)該根據(jù)相關(guān)海域的風(fēng)浪流特征,盡量避免橫浪或者橫流方向布置.圖6(f)的現(xiàn)象非常有趣,頻域分析表明,當(dāng)環(huán)境載荷方向?yàn)?40°時(shí),艏揺運(yùn)動(dòng)主要隨風(fēng)浪運(yùn)動(dòng),但其在涌浪主導(dǎo)工況中的運(yùn)動(dòng)幅值卻遠(yuǎn)大于風(fēng)浪主導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)幅值.由此可以推斷,艏揺運(yùn)動(dòng)中的高頻分量主要受風(fēng)浪的影響,但其運(yùn)動(dòng)中的低頻分量主要是由涌浪造成的.

不同環(huán)境工況下,系泊纜繩的受力情況見表4.由表4可知,涌浪造成的系泊纜繩最大應(yīng)力對(duì)于環(huán)境載荷方向并不敏感,并且其最大值始終小于風(fēng)浪主導(dǎo)的工況.風(fēng)浪與流主導(dǎo)的工況中,隨著環(huán)境載荷方向從0°增加到300°,系泊纜繩的最大應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),并且當(dāng)環(huán)境載荷方向?yàn)?80°左右時(shí)應(yīng)力最大.其中,流載荷造成的最大應(yīng)力對(duì)環(huán)境載荷更加敏感,在入射方向?yàn)?80°～240°左右的區(qū)間內(nèi)將造成比波浪載荷更大的纜繩應(yīng)力.從總體上看,最危險(xiǎn)的工況出現(xiàn)在環(huán)境載荷方向180°,并且風(fēng)和流較大時(shí)；當(dāng)環(huán)境載荷方向?yàn)?°時(shí),系泊纜的受力最小.

表4 不同環(huán)境工況下系泊纜繩受力情況

3 作業(yè)工況分析

本節(jié)主要研究CALM 系統(tǒng)在作業(yè)工況下的響應(yīng),選取西非海域一年一遇的海況作為環(huán)境載荷進(jìn)行數(shù)值模擬,具體參數(shù)見表5.

表5 作業(yè)工況的環(huán)境參數(shù)

在作業(yè)工況中,穿梭油輪與浮筒相連進(jìn)行正常作業(yè),此時(shí)的CALM 系統(tǒng)中包括浮筒、系泊纜繩和穿梭油輪.系船纜的參數(shù)見表6.數(shù)值模擬中,穿梭油輪的阻尼等參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[16]的相關(guān)模型實(shí)驗(yàn)確定.

表6 系船纜參數(shù)

對(duì)于單點(diǎn)系泊穿梭油輪,由于“風(fēng)標(biāo)效應(yīng)”,在不同的環(huán)境載荷下,其平衡位置也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,從而保證受力最小.因此,為了研究穿梭油輪在不同環(huán)境條件下的響應(yīng),以環(huán)境載荷方向?yàn)?40°的工況為例,分別分析了涌浪主導(dǎo)以及風(fēng)浪主導(dǎo)這兩種海況下穿梭油輪的運(yùn)動(dòng)以及系船纜的頂部張力響應(yīng).在相應(yīng)的海況中,穿梭油輪的艏揺角度以及系船纜的受力情況如圖7所示.

圖7 環(huán)境載荷方向?yàn)?40°時(shí)穿梭油輪的艏揺以及系船纜的頂部張力響應(yīng)

由圖7可知,在涌浪主導(dǎo)的海況中,最大艏揺角為67°,系船纜最大張力為725 k N.而在風(fēng)浪主導(dǎo)的海況中,最大艏揺角度為90°,系船纜最大張力2 900 k N.顯然,在風(fēng)浪主導(dǎo)的環(huán)境工況中,穿梭油輪的擺動(dòng)更劇烈,并且系船纜的張力更大,因此風(fēng)浪對(duì)于CALM 系統(tǒng)的威脅更大.對(duì)其他環(huán)境載荷方向的工況進(jìn)行類似分析,在最危險(xiǎn)的工況中,系船纜的最大張力約為3 000 k N,小于其破斷力.與此同時(shí),系泊纜的最大張力約為2 800 k N,遠(yuǎn)小于其破斷力.因此,所研究的外輸系統(tǒng)的安全性滿足要求.

此外,根據(jù)計(jì)算得到的穿梭油輪極限位置,在圖8中繪出了穿梭油輪低頻運(yùn)動(dòng)的最大掃掠面積,旨在為輸油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考.輸油系統(tǒng)中其他結(jié)構(gòu)與設(shè)備的布置應(yīng)當(dāng)盡量遠(yuǎn)離圖示區(qū)域.

圖8 穿梭油輪的極限掃掠面積

4 結(jié) 論

本文基于水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件,對(duì)風(fēng)浪流作用下的CALM 系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合分析,分析了其水動(dòng)力響應(yīng)特性及其對(duì)環(huán)境載荷的敏感性.主要得到以下結(jié)論：

1)浮筒的縱搖運(yùn)動(dòng)受涌浪影響較大,并且對(duì)于環(huán)境載荷的方向較為敏感；浮筒的垂蕩運(yùn)動(dòng)主要受涌浪的影響,且對(duì)環(huán)境方向不敏感；浮筒的縱蕩、橫蕩與橫揺運(yùn)動(dòng)除了隨涌浪運(yùn)動(dòng)外,還會(huì)在二階波浪力的作用下產(chǎn)生大幅低頻運(yùn)動(dòng)；艏揺運(yùn)動(dòng)中的高頻分量主要受風(fēng)浪的影響,低頻分量主要是由涌浪造成的.

2)涌浪造成的系泊纜繩最大應(yīng)力對(duì)于環(huán)境載荷方向并不敏感,而風(fēng)浪與流載荷造成的系泊纜繩最大應(yīng)力對(duì)于環(huán)境載荷卻很敏感.

3)在作業(yè)工況中,穿梭油輪在風(fēng)浪主導(dǎo)的環(huán)境條件中擺動(dòng)更劇烈,并且系船纜的張力更大.

4)本文的CALM 系泊系統(tǒng)在環(huán)境載荷方向在0°時(shí)最安全,而最危險(xiǎn)的工況出現(xiàn)在風(fēng)和流較大時(shí)環(huán)境載荷方向180°左右.