第36卷第1期2021年02月
中国海洋平台
CHINA OFFSHORE PLATFORM
Vol.36N o.1
Feb.,2021
文章编号：100-4500(2021)0-0070-05DOI：10.12226/j.issn.1001-4500.2021.01.20200612
FPSO时域动态拖航分析
赵强#，朱为全2，高巍2，于常宝#，李晓明#
(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；
2.北京高泰深海技术有限公司，北京100029)
摘要：以某油田弃置退役浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)为研
究目标，采用非线性时域动态分析方法考虑不同环境条件组合影响，对FPSO的拖航进行时域下拖缆张力响应和FPSO艏摇运动响应分析。结果表明，在给定海况下，被拖物FPSO的拖缆最大张力小于设计破断力，其最大艏摇角度接近30°在分析过程中系统处于稳定状态，没有出现发散现象。出于保守考虑，在分析中假定拖船固定，给出的计算结果偏保守。
关键词：FPSO；拖航；时域分析；OrcaFlex
中图分类号：U674.38文献标志码：A
FPSO Time Domain Dynamic Towing Analysis
ZHAO Qiang,ZHU Weiquan,GAO Wei2,YU Changbao1,LI Xiaoming
(1.Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin300452,China；
2.COTECO f shoreEngineeringSolutions:Beijing100029:China)
Abstract:Taken a decommissioned Floating Production Storage and Offloading(FPSO)in an oil field as the research target,the towing analysis of the FPSO in time domain is carried out using the method of non-linear time-d5maindynamicanalysisandc5nsideringthec5mbinede f ects5fdi f erentenvi
r5nmentalc5nditi5ns.The towline tension response and FPSO yaw motion response are analyzed and studied.The results show that the maximum tension of the towline is less than the designed breaking load and the maximum yaw motion angle of VheVowedFPSOiscloseVo30°underVhegivenseasVaVes.InVheprocessofanalysis,VhesysVemisinasVable state,and there is no numerical divergence.For conservative consideration,the tugboats are assumed to be fixed inVheanalysis,andVhecalculaVedresulsareconservaive.
Key words:FPSO;towing；time domain analysis;OrcaFlex
0引言
目标浮式生产储卸油装置(Floating
Production Storage and Offloading,FPSO)位于泰国某海域，油田服役年限已到，作为油田重要的生产设施，该FPSO需要进行解脱并拖航至附近船厂进行退役处理。FPSO在拖航过程中的拖缆张力响应和风浪流作用下的运动特性，尤其是艏摇运动特性和被拖物的稳定性是拖航作业所关注的重点％自20世纪60年代开始，不断有学者研究拖航的操纵性能和拖航航行性能的影响因素。STRANDHAGEN等#采用线性理论发现改变拖
作者简介：赵强(#987)，男，工程师，主要从事海泮工程钢结构设计工作
第1期赵强，等FPSO时域动态拖航分析-71-
缆长度和拖带点位置可使拖航物保持稳定。
BERNITSAS等2研究在弹性拖缆作用下被拖物的
非线性稳定性。JIANG等3研究自动舵控制下的
拖航航向稳定性并与以往方法进行对比。张文乐
等4研究拖船通过弹性拖缆拖拉船舶，在忽略被拖
物反作用力的情况下对被拖物的运动特性进行模拟
并对稳定性进行判断。严似松等5研究被拖物在静
水和波浪中的运动特性。李强6研究拖船、拖缆、
被拖物整体三自由度数学模型，对整体拖航进行仿真。
本文出于工程目的对目标FPSO在给定拖航海况条件下、考虑不同风浪流角度组合条件下的拖缆张力
响应与FPSO的艏摇运动进行非线性时域动态分析，给出拖缆在分析工况下的张力响应值和FPSO艏摇运动值，为拖缆选型与实际拖航作业提供参考。
1基本信息
图1风力系数
图2流力系数S
S
1.1FPSO信息
目标FPSO为15万吨级，主要信息如表1所示。FPSO拖航状态下的风面积、流面积如表2所示。风、流力系数如图1和图2所示。1.2环境条件
根据DNV GL-ST-N001()进行动态拖航分析，采用JONSWAP谱拟合波浪，环境条件如表3所示。
表1FPSO主要信息
主尺度数值垂线间长/m272
型宽/m43.4
型深/m20.6
空船质量/t25662拖航平均吃水/m  5.1
拖航排水量/t47670
船首吃水/m  4.1
船尾吃水/m  6.1重心纵向位置(相对于艏垂线)/m
113.5重心横向位置/m0
重心垂向位置(相对于基线)/m 12.46
表3环境条件
有义波高$s/m5
谱峰周期几/s
谱峰升高因子
风载荷类型
风速/(m•sD1)
流载荷类型
流速/(m•s D1)
&1、9.5、12.2
4.9、2.4、1.0
定常风
20
定常流
0.5
1.3拖缆信息
拖缆具体信息如表4所示。拖缆共2根，拖缆的导缆孔位于FPSO船首甲板，具体位置如表
4所示。
表2风、流面积参数
船体+上部组块横截面迎风
面积/n?
纵截面迎风
面积/m?
艏摇方向风
载荷面积矩/m? 1998.66443.2  1.753X106横截面迎流纵截面迎流艏摇方向流
船体面积/n?面积/m?载荷面积矩/m?
1387.2
1387.2  3.773X105
表4拖缆信息
缆绳类型夕卜径/m m轴向刚度/'N破断力/t 6X19钢芯钢缆88  3.1286X105500
FPSO导缆孔位置
连接缆名称x/m y/m z/m 拖缆1—18.81523
拖缆2—18.8—15
23
-72-中国海洋平台第36卷第1期
1.4FPSO船体阻尼
在时域动态分析中阻尼起到的作用不可忽视。阻尼主要包括辐射阻尼和黏性阻尼％
辐射阻尼可通过水动力计算软件获得。黏性阻尼和黏性力可分为纵荡黏性运动阻尼B#i&横荡黏性运动阻尼B l、艏摇黏性运动阻尼B Q、艏摇黏性拖曳力M&Y%
黏性阻尼在缺乏模型试验依据的情况下需要通过近似方法进行计算。根据WISHER8的方法，油船的线性纵荡黏性阻尼计算式为
B#—p g槡'S(1)式中：$为流体密度，取1.025t/m3；g为重力加速度，取9.806m/s2；S为5.1m吃水船体湿表面式(2)和式(3)中：T为船体平均吃水；P，为船首垂线位置；P a为船尾垂线位置；b?和b6为对应系数。当>c数为4时，bz2=1.01,bt s6=1.01。>c数为
K&
2%A sway
(4)式中：A say为横荡简谐运动幅值；B为油船型宽%在OrcaFlex中艏摇黏性拖曳力M&y⑼为
M&y=,1W1K yw(5)式中：，1为艏摇运动速率；K yw为用户指定参数％假定船体为圆柱体，则艏摇黏性拖曳力为
M C y=2，1(C d DL4/32)(6)
B
面积；'为黏性系数，取1.18831X10-6m2/s；，为纵荡运动固有周期％
油船纵荡、艏摇运动黏性阻尼估算式为
B22—0.5ggTb22(P F—P A)(2)
B66—0.125ggTb66(P,+P A)(3)
K yw=C d DL4/32(7)式(6)和式(7)中：D为船体吃水；L为垂线间长；C d为因数，一般取为5。
根据上述方法估算黏性阻尼，如表5所示。
表5黏性阻尼估算
纵荡固有周期/s船体湿表面面积/m?B i#/(kN•m•s-1)K yaw/m C d 930091500016.73  4.36X1095
横荡运动幅值/m FPSO型宽/m KC B22/(kN•m•s-1)B66/(kN•m•s-1) 93043.4  4.3720.0  4.47X#09
2分析方法
2.1设计要求
通过时域分析给出拖缆的最大张力结果和FPSO运动结果，主要包括：
(1)拖缆的最大张力应小于拖缆破断力；
(2)FPSO的艏摇运动小于45。；
(3)在规定海况下FPSO不失去位置；
(4)拖船的系柱拉力能够满足要求。
2.2分析流程与工况
主要分析流程如下：
(1)根据目标FPSO型线建立拖航吃水状态下的水动力计算模型，将水动力数据输入OrcaFlex；
(2)在OrcaFlex中建立风、流力参数和拖缆模型；
3"根据计算工况进行时域分析；
(4)对阻尼影响进行敏感性分析。
出于保守考虑假设拖船固定。拖船之间距离为100m，拖缆长度为900m%环境条件组合包括：
(1"风、浪、流均指向船首；
(2)船体迎风、迎浪，流速与风浪方向夹角为30°；
(3)船体迎风、迎浪，流速与风浪方向夹角为90°；
计算工况如表6所示，每个工况进行5个波浪种子模拟％
表6计算工况
工况有义波高谱峰周期波浪方向/风方向/流速方向/名称H s/m T/s(°)(°$(°$ R#
5&7
#80#80#80 R259.5
#80#80#80 R3512.2
#80#80#80 R45&7
#80#802#0flex软件
R559.5
#80#802#0
R6512.2
#80#802#0
R75&7
#80#80
270 R859.5
#80#80
270 R9512.2
#80#80
270
第1期赵强，等FPSO时域动态拖航分析-73-
2.3频域水动力分析
WAMIT是一款被广泛认可的三维绕射/辐射水动力计算软件，采用该软件计算船体水动力系数、一阶波浪载荷和二阶差频载荷(0)，频域水动力计算采用WAMIT的低阶面元法，船体水动力面元计算模型如图3所示。
图3FPSO水动力面元计算模型
2.4时域全耦合分析
时域拖航计算通过OrcaFlex软件实现，整体计算模型如图4所示。在该模型中，拖缆模型采用三维梁单
元计算理论进行计算和模拟，系泊缆被划分为适宜数量的单元。
图4时域拖航耦合计算模型
FPSO的流载荷、风载荷通过流面积、风面积和相关系数来定义。
浮式基础的水动力计算数据从WAMIT导入OrcaFlex。船体的整体运动、拖缆响应等结果完全由时域模拟计算得出，最终给出的计算结果均为5个波浪种子模拟结果的均值结果。
FPSO重心位置6个自由度的运动方程(1)表达式为
[M—!"+D/(t)+>x!)=F(t)(8) F(t)=f w,1—f w,2—f w—f c—f o(9)式(8)和式(9)中：x为对应自由度运动位移; t为时域模拟时刻；F()为对应时刻外界载荷；M 为船体的整体质量；R为船体的附加质量；D i为船体的阻尼；>为船体的恢复刚度；f w，为船体受到的一阶波浪载荷；f w,2为船体受到的二阶波浪载荷；f w为船体受到的风载荷；f c为船体受到的流载荷；f o为船体受到的其他外部载荷。
在时域计算中，船体运动方程表达式为
[M——「R(t一%)x(i)df1—
—t
>x(t)=F(t)(10)式中：R t为船体低频附加质量；R(t—%)为船体阻尼迟滞函数；5为模拟时间步长。
式(9)中的参数通过频域水动力计算程序求解得出。在时域分析中，船体的附加质量和辐射阻尼将转换为迟滞函数作用到时域分析方程中。
3拖缆响应和FPSO艏摇运动分析结果拖缆最大张力发生在迎风、迎浪、流速夹角为30°的工况，对应表6工况R4。拖缆最大张力为172t。FPSO最大艏摇角为26°，发生在迎风、迎浪、流速夹角为30°的工况，有义波高为5m，谱峰周期为12.1s。
FPSO最大艏向为17.1°，发生在横流工况，有义波高为5.0m，谱峰周期为12.1s，具体结果如表7所示。
对于设计值，在设计海况下拖船的有效比为75%，则拖船系柱拉力为230t。
表7在不同工况下拖缆响应和FPSO艏摇运动主要分析结果
拖缆响应FPSO艏摇运动
工况名称平均张力/最大张力/张力标准差/缆绳名称
t t t 平均艏向/
(°)
最大艏摇角/
(°)
最小艏摇角/
(°)
艏摇运动
标准差/(°)
R1 R2拖缆14015112
拖缆24015912
拖缆14013310
拖缆24014511
—
0.1182—20.080
019.0—18.88
1
-74-中国海洋平台第36卷第1期
续表7在不同工地下拖缆响应和FPSO艏摇运动主要分析结果
拖缆响应FPSO艏摇运动
工况名称
缆绳名称平均张力/最大张力/张力标准差/
t t t
平均艄向/
(°)
最大艄摇角/
(°)
最小艄摇角/
(°)
艄摇运动
标准差/(°)
R3拖缆1391069拖缆2391199
R4拖缆14417216拖缆2361078
R5拖缆14313813拖缆236887
R6拖缆14210910拖缆235776
R7拖缆14014612拖缆233775
R8拖缆1401079拖缆233615
R9拖缆138887
拖缆233564
023.1—23.210.2
6.522.9—
7.67.2
6.623.1
—7.8
7.3
6.326.0
—11.6
9.8
16.122.9&0  2.7
16.322.99.3  2.6
17.124.69.8  2.7
4结论
对某FPSO进行时域动态拖航分析，在有义波高为5m、风速为20m/s、流速为0.5m/s的环境条件下，
假定拖船固定，此时拖缆最大张力为189t,FPSO最大艏摇角为26。，发生在迎风、迎浪、流的夹角为30。的工况下。
在具体分析中由于假定拖船固定不变'拖缆的张力计算偏于保守，拖船系柱拉力要求偏于保守。
在实际操作中应尽可能保持迎浪拖航，避免斜流和横流作用。
更进一步，需详细考虑拖船绞车的参数来进行模拟，以给出更合理的拖缆要求与拖船要求。FPSO船体阻尼情况需要模型试验进行进一步的估计。
参考文献
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