高 巖胡志強姜 哲王 晉

(1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室; 2.中海油研究總院)

守護船撞擊海洋平臺及FPSO碰撞場景研究*

高 巖1胡志強1姜 哲2王 晉1

(1.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室; 2.中海油研究總院)

海洋平臺及FPSO存在遭受守護船撞擊的可能性,由此產生的結構損傷會影響到平臺及FPSO的安全,因此在結構設計時需要考慮其抗撞性能。守護船與平臺及FPSO的碰撞決定著平臺及FPSO結構的合理性和經濟性,目前我國尚沒有相關的碰撞場景規(guī)范,設計時多采用國外有關規(guī)范。碰撞場景取決于海況條件和操作規(guī)定,而我國的海況與國外并不相同,所采用的操作規(guī)定也有差別,因此完全套用國外規(guī)范不盡合理。以一艘5000噸級守護船為研究對象,利用水動力學計算方法,研究守護船與導管架平臺及FPSO的最大碰撞速度。選取我國近海油氣田所在的典型海洋環(huán)境條件,探討了不同水深、波浪條件以及碰撞方向對最大碰撞速度的影響。研究結果表明,守護船側向撞擊FPSO的最大碰撞速度最大,在實際工程作業(yè)中須注意此情景。

碰撞場景;海洋平臺;FPSO;守護船;水動力學計算;最大撞擊速度

海洋平臺及FPSO是海洋石油開采的主要生產設施,守護船與海洋平臺及FPSO的近靠作業(yè)是海洋工程中常見的操作模式。在作業(yè)過程中,由于操作不當等原因,守護船有可能撞擊海洋平臺或FPSO,在此情況下確保生產設施的安全就成為海洋工程技術開發(fā)的關鍵[1]。筆者以一艘5000噸級守護船為研究對象,探討其在海上突然失去動力的情況下,與海洋平臺及FPSO相撞的情景。目前國內沒有專門定義這種場景的相關規(guī)范,因此在平臺結構設計中只能借鑒歐洲的標準或者美國的標準。根據Norsok Standard NO.4[2],歐洲北海海洋工程作業(yè)規(guī)定的碰撞場景為5000噸船,2m/s撞擊速度;美國API(American Petroleum Institute)規(guī)范[3]的碰撞場景為1000噸船, 0.5m/s速度。顯而易見,兩者之間有著明顯的區(qū)別。由于我國的海況與歐洲或者美國并不相同,且海洋工程作業(yè)操作要求也不同,所以提出一套符合我國實際情況的碰撞場景十分必要,其相關技術規(guī)范對我國建立符合自身情況的海洋規(guī)范體系有著重要作用,同時也可為海洋工程作業(yè)提供參考標準。

守護船近靠海洋平臺作業(yè)是關于近靠浮體的水動力學問題。對于近靠浮體的相互作用目前已有廣泛研究和探討[4-13]。筆者試圖利用SESAM軟件探討主尺度相差巨大的多浮體系統(tǒng)在小間隙情況下的水動力相互作用。SESAM軟件是基于三維線性勢流理論和Morison公式設計的用于船舶與海洋工程結構物水動力計算的綜合性軟件,目前在海洋工程領域得到了廣泛的運用。筆者分別建立守護船和FPSO模型,然后分別計算單獨守護船,以及守護船與FPSO 2個近靠浮體的情況下守護船的水動力性能。選取我國渤海和南海海況為地理環(huán)境條件,研究在不同的波浪條件下,守護船可能的撞擊FPSO和導管架平臺的最大運動速度,以這個速度來定義符合我國海況的守護船撞擊海洋平臺的撞擊場景。

1 理論基礎

各單體在波浪中的運動方程可表示為

式(1)中:M為結構質量矩陣;A為水動力附加質量矩陣;B為系統(tǒng)線性阻尼矩陣;C為系統(tǒng)總剛度矩陣;X為浮體的位移矩陣;X的一階導數和二階導數為浮體的運動速度和加速度矩陣。

根據勢流理論,流場中為理想流體,流體不可壓縮、無粘性、無旋度,速度勢滿足拉普拉斯方程和定解條件。設守護船的速度勢為

速度勢滿足以下控制方程:

拉普拉斯方程

線性自由面條件

守護船對自身產生的繞射勢物面邊界條件

FPSO對守護船的繞射勢物面邊界條件

式(3)～(6)中:n是物面的外法向;φI是入射波速度勢。

輻射勢滿足以下控制方程:

守護船自由振蕩,FPSO不動,守護船產生的輻射勢對自身的邊界條件

FPSO自由振蕩,守護船固定不動,FPSO產生的輻射勢在守護船的邊界條件

底部條件

無窮遠處輻射條件

2 模型參數與環(huán)境條件

2.1 守護船與FPSO模型參數

根據統(tǒng)計數據[14],在我國近海作業(yè)的大部分守護船的最大排水量在5000噸級左右,因此本文研究選取一艘5000噸守護船;研究選用的FPSO的排水量為15萬噸左右,由于FPSO的排水量比守護船的排水量大2個數量級,其模型可近似由200m×50m×15m的長方體代替。坐標系x方向指向船首,y方向指向左舷,z方向垂直向上。水動力學模型主要用于計算動水壓力、附加水質量和流體阻尼[15]。表1為本次研究守護船與FPSO的模型參數,圖1為數值模擬水動力模型圖。

表1 守護船與FPSO模型參數

圖1 守護船與FPSO水動力學數值模擬模型圖

2.2 碰撞場景參數設定

由于導管架平臺對波浪場影響不大,因此守護船與導管架平臺的碰撞場景可近似為守護船單獨運動場景。當守護船近靠FPSO作業(yè)時,其作業(yè)場景為在y方向與FPSO間距5m。5m的間隙對FPSO和守護船來說可界定為小間隙,因此水動力學分析計算過程中FPSO靠近守護船的地方網格單位很小,這樣計算結果更加準確。在一般情況下,海浪被視為由無限多個頻率不等、方向不同、振幅變化且相位雜亂的微幅簡諧波疊加而成的不規(guī)則波系,這些特征可用海浪譜表示。本文選取JONSWAP譜和PM譜為環(huán)境海浪譜[16],具體海況條件參數見表2。

表2 海況條件參數

有義波高的選取依據中海油服操作手冊:3m的有義波高為不允許在上風舷進行靠船作業(yè)的場景參數;4m有義波高的設定為供應船在500m安全控制區(qū)外待命并討論決定是否進行靠船作業(yè)的場景參數。本文假定的海況條件是判斷守護船能否進行作業(yè)的臨界值,因此選擇以上2個波高海況對計算結果而言偏于保守。

3 守護船的運動響應計算結果

3.1 守護船的運動RAO

RAO本質上是波浪激勵到船體運動的傳遞函數,通過計算守護船的運動RAO,可得到單位幅值波浪條件下守護船的運動響應,由此分析守護船的水動力性能。

3.1.1 守護船單獨存在情況下的運動RAO

圖2為守護船單獨存在的6自由度運動RAO。在0～180°浪向中,垂蕩和縱搖在105°浪向處最為敏感,橫搖在90°浪向處達到峰值。

3.1.2 有FPSO存在情況下守護船的運動RAO

圖3示出的是守護船近靠FPSO時的運動RAO。

以上計算中浪向設定為0°～180°,以15°為步長。比較不同浪向守護船的運動RAO,可發(fā)現此守護船的橫蕩運動在105°浪向最為敏感,響應幅值最大,因此在進行守護船作業(yè)期間,應注意105°浪向的來流。對比圖2與圖3,守護船的RAO發(fā)生了較大變化。圖3中6個運動方向的響應幅值明顯變大,守護船的6自由度運動更加激烈,同時垂蕩、縱蕩和橫搖方向的RAO出現明顯的雙峰,說明與導管架平臺相比,FPSO對守護船的水動力性能有較大影響。因此,FPSO對守護船的水動力作用是計算守護船動力響應時必須考慮的因素。

3.2 近靠導管架平臺與FPSO時守護船的運動響應

3.1節(jié)只是對RAO進行了定性研究,在具體的碰撞場景中,守護船撞向平臺的速度是其中一個很重要的參數。FPSO和導管架平臺是在我國海洋油氣田開發(fā)中應用最廣泛的2種裝置。本文以這2種生產裝置為例,分別討論5000噸級守護船與這2種裝置的最大碰撞速度。

圖2 守護船近靠導管架平臺時的運動RAO

3.2.1 守護船近靠導管架平臺時的運動響應

當守護船近靠導管架平臺時,由于導管架結構對于波浪場的影響不十分明顯,因此可以將單獨守護船水動力性能計算結果近似看作守護船近靠導管架平臺時的運動響應。通過計算,守護船正向撞擊導管架平臺的速度為0.248m/s,側向的撞擊速度為2.3m/s,側向撞擊速度最大。選取的浪向為縱搖運動RAO幅值最大的105°,以預報最大的碰撞速度。圖4為守護船單體在橫蕩方向速度Vy的運動響應譜。表3為Vy的響應幅值,即最大碰撞速度。

圖3 守護船近靠FPSO時的運動RAO

比較不同波譜在其他條件相同情況下守護船的Vy(表3)可知,不同的波譜對守護船y方向的速度影響并不大,因此進行水動力計算時,波譜選擇沒有特殊的限定。對相同波譜、波高情況下南海和渤海守護船的運動響應進行比較可知,水深對守護船響應的幅值有一定影響:4m有義波高條件下,守護船失去動力時,在南海會以2.90～2.92m/s的速度側向撞向FPSO,在渤海則是2.94～2.96m/s,比南海稍大(表3)。守護船的吃水為7.5m,南海300m的水深對守護船運動的影響較小,在進行水動力計算時可當做無限水深。顯然,渤海30m的水深對此守護船是有限水深,由于淺水效應,當其他條件相同時,守護船在渤海的運動比南海稍劇烈。

導管架平臺由于其自身的結構特點對波浪場的影響較小,故3.2中計算的守護船單體運動速度可應用為守護船與導管架平臺的最大碰撞速度。因此,在船舶結構設計中,3m波高條件下的守護船撞擊導管架平臺最大速度可設定為2.3m/s。

3.2.2 守護船近靠FPSO作業(yè)時的運動響應

守護船近靠FPSO作業(yè)時,由于FPSO的排水體積巨大,其對守護船的水動力響應會產生明顯影響,必須看做是近靠浮體間的運動性能研究。

圖4 近靠導管架平臺時守護船的運動響應譜

表3 近靠導管架平臺時守護船的Vy響應幅值

1)守護船旁靠FPSO撞擊速度研究。旁靠作業(yè)是目前主要的作業(yè)方式之一。圖5為守護船在FPSO存在的條件下橫蕩方向速度Vy的運動響應譜。表4為Vy的響應幅值,即最大碰撞速度。

圖5 近靠FPSO時守護船Vy方向的運動響應譜

表4 近靠FPSO時守護船的Vy響應幅值

由表4可知,由于FPSO的存在,守護船的碰撞速度明顯變大。本例中FPSO為15萬噸級,相對于守護船來說是巨型浮體,可把FPSO看成在海面上的固定浮體,其慣性半徑和慣性矩設定為無限大。守護船相當于在有固壁的限制性水域進行作業(yè),其運動RAO已受到很大影響,比較表3與表4可知,在相同環(huán)境條件下,近靠FPSO時守護船的響應更加劇烈:以南海300m水深、JONSWAP譜、4m有義波高條件為例,守護船與導管架平臺的撞擊最大速度為2.90m/s,而守護船與FPSO的側向撞擊速度為4.00m/s。此變化同樣也體現了FPSO對守護船的水動力作用比較顯著,在實際作業(yè)中必須考慮。守護船在波浪的激勵下產生運動,與開放海面不同,輻射波與原波浪疊加之后在遇到FPSO時又被反射回來再次對守護船進行激勵,這對守護船的運動將產生較大影響。在本場景中,此影響表現為守護船的運動更加激烈,對實際作業(yè)安全會產生不利影響。此次研究設定守護船與FPSO的間距為5m,在此場景下,守護船在較短的時間內就撞向FPSO,對平臺的結構會產生不利影響,同時也影響到作業(yè)安全?？紤]4.00m/s的碰撞速度,以確保平臺作業(yè)安全性為出發(fā)點,守護船與FPSO作業(yè)距離應大于5m。

2)不同方向撞擊FPSO的碰撞速度研究。碰撞位置對守護船和FPSO的安全性也很重要。表5為在南海JONSWAP譜波譜參數1條件下守護船分別以正向、側向和斜向撞擊FPSO的最大速度模擬計算結果,圖6為相應條件下的數值模擬模型圖。由表5數據可知,在南海守護船撞向FPSO的最大速度為3.34m/s,碰撞方式為側向撞擊。

表5 不同撞擊方向守護船最大碰撞速度模擬結果

圖6 守護船正向(a)和斜向(b)撞擊FPSO示意圖

3.3 建議

本文以我國南海和渤海為例,探討了5000噸級守護船在突然失去動力的情況下,對FPSO與導管架平臺的最大撞擊速度。根據統(tǒng)計數據[4],本文所采用的5000噸級守護船基本上為我國近海作業(yè)排水量最大的船型之一。表6為根據計算結果分析總結出的在船舶結構設計中應參考的守護船最大碰撞速度,與歐洲的2m/s和美國的0.5m/s對比可知,由于海況條件不同,撞擊速度差別很大。

本研究中沒有考慮守護船的動力定位作用,因為本文研究的是極端的碰撞場景,假設守護船動力定位系統(tǒng)失效,這樣的研究成果是偏保守的。

表6 可提供我國船舶結構設計參考的守護船最大碰撞速度

4 結論

1)波譜對守護船最大碰撞速度影響較小。

2)水深對守護船碰撞速度有一定影響,守護船在渤海的最大碰撞速度稍大于南海。

3)FPSO對守護船的水動力作用不可忽略,在進行數值模擬時應該考慮此因素。

4)正向、側向和斜向3種不同碰撞位置比較,側向最大碰撞速度最大,對安全性的不利影響也最大。

5)在本文研究條件下,3m有義波高環(huán)境守護船與導管架平臺和FPSO的最大碰撞速度分別為2.40m/s和3.35m/s,4m有義波高環(huán)境相應的碰撞速度為2.92m/s和4.00m/s。

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Investigation onscenarios for collision ofsupply vessels to offshoreplatform and FPSO

Gao Yan1Hu Zhiqiang1Jiang Zhe2Wang Jin1
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200240;2.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

There is apotential threat that offshoreplatform and FPSOsuffer from collisions withsupply vessels,resulting inseverestructural damage and adverse effects onplatform and FPSOproductionsafety.Therefore,more attentions need to bepaid toplatform and FPSO crashworthiness in the designstage.The collisionscenario betweensupply vessels and offshoreplatforms directly determine the rationality and economy of the designedstructures.Atpresent,China lacks of relevant collision norms,and generally adopts foreign relevantspecifications instead.Nevertheless,it is in-appropriate to use directly the foreignstandards considering the differentsea conditions and userdependent operational requirements,which account for the definitions of collisionscenarios during design.In thispaper,a 5 000-tonsupply vessel is chosen as the object and investigated with hydrodynamic analysis to estimate themax impact velocity.Under typicalmarine conditions of Chinese offshore oil and gas fields,the effects on themaximum impact velocity of different water depths,wave conditions and collision directions are investigated.The resultsshow that themax impact velocity occurs insupply vessel-FPSOside collisionscenario.Thus thisscenarioshould bepaid themost attention.

scenarios for collision;offshoreplatform;floatingproductionstorage and offloading (FPSO);supply vessels;hydrodynamic calculation;themax impact velocity

2013-06-05改回日期:2013-07-26

(編輯:葉秋敏)

*美國船級社與上海交通大學合作研究項目部分成果。

高巖,女,碩士,主要從事船舶與海洋工程結構物水動力分析研究。地址:上海市閔行區(qū)東川路800號上海交通大學(郵編:200240)。E-mail:eab2012@sjtu.edu.cn。