張海燕

(中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心， 天津 300457)

海上移動(dòng)平臺(tái)和FPSO拖航阻力分析

張海燕

(中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心， 天津 300457)

該文列舉了不同規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)中，海上移動(dòng)平臺(tái)和FPSO拖航時(shí)，對(duì)環(huán)境條件的要求及計(jì)算拖航阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。按照不同經(jīng)驗(yàn)公式得到了自升式鉆井平臺(tái)和FPSO在靜水中的拖航阻力值，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，在航速大于4 kn時(shí)，按照CCS《海上拖航指南》中的經(jīng)驗(yàn)公式，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度更快，剩余阻力起控制作用。采用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值分析對(duì)自升式鉆井平臺(tái)、FPSO和半潛平臺(tái)拖航波浪阻力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，《海上拖航指南》經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的波浪阻力是最小的。

移動(dòng)平臺(tái)；FPSO；拖航阻力

0 引言

隨著我國(guó)海洋石油開發(fā)的逐步深入，包括自升式鉆井平臺(tái)、半潛平臺(tái)和FPSO在內(nèi)的海上移動(dòng)平臺(tái)的數(shù)量在不斷地增長(zhǎng)。這些平臺(tái)大多數(shù)都是非自航的，在從一個(gè)作業(yè)區(qū)到其他作業(yè)區(qū)時(shí)，需要船舶的拖帶才能移動(dòng)。選擇合適的拖帶船舶和拖曳設(shè)備的主要依據(jù)是拖航時(shí)平臺(tái)在可能的最惡劣環(huán)境條件下所受到的阻力(即拖航阻力)，因此，拖航阻力的估算在平臺(tái)管理中起著重要作用。

現(xiàn)階段對(duì)海上移動(dòng)平臺(tái)、FPSO的拖航阻力進(jìn)行了廣泛的研究，各船級(jí)社也給出了拖航阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。侯林等[1]對(duì)一自升式平臺(tái)進(jìn)行了靜水和不規(guī)則波作用下的拖航試驗(yàn)，得到了不同航速和有義波高時(shí)的拖航阻力值。杜慶貴等[2]對(duì)半潛式鉆井平臺(tái)的拖航阻力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同截面形式的拖航阻力。CCS也提出了拖航時(shí)對(duì)海上移動(dòng)平臺(tái)、其他海上設(shè)施、拖船、拖曳設(shè)備及索具的要求，并給出了計(jì)算拖航阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。

該文列舉了不同規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)移動(dòng)平臺(tái)、FPSO拖航時(shí)對(duì)環(huán)境條件的要求和計(jì)算拖航阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。按照不同公式計(jì)算自升式鉆井平臺(tái)和FPSO在靜水中拖航阻力值，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；采用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值分析對(duì)自升式鉆井平臺(tái)、FPSO和半潛平臺(tái)的波浪阻力進(jìn)行計(jì)算；采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)自升式平臺(tái)和半潛平臺(tái)的流阻力進(jìn)行計(jì)算，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 拖航環(huán)境條件

海上移動(dòng)平臺(tái)和FPSO在實(shí)際拖航中的環(huán)境條件遠(yuǎn)比計(jì)算拖航環(huán)境海況好得多，但在拖航過(guò)程中有可能遇到惡劣海況，因此，計(jì)算極端海況下的拖航阻力是能保證拖航安全的必要條件，并需充分考慮拖航時(shí)正常操作和緊急操作的要求，不同規(guī)范中計(jì)算拖航阻力的環(huán)境條件見表1。

表1 環(huán)境條件

注：在靜水中拖航要求：移動(dòng)平臺(tái)拖航時(shí)，拖航速度不小于4kn；拖帶半潛式平臺(tái)，拖航速度不小于5 kn；具有自航能力的半潛式平臺(tái)，拖航時(shí)若同時(shí)開動(dòng)其推進(jìn)主機(jī)，則其疊加拖航速度應(yīng)不大于10 kn

2 靜水中拖航阻力分析

2.1 分析方法

海洋平臺(tái)和FPSO在靜水中的阻力包括裸體阻力和附體阻力。裸體阻力包括摩擦阻力、粘壓阻力(也稱旋渦阻力)和興波阻力。粘壓阻力所占比重不大，且很難和興波阻力分開，通常把粘壓阻力和興波阻力合并在一起稱為剩余阻力。因此，在計(jì)算靜水中拖航阻力時(shí)，僅需計(jì)算摩擦阻力和剩余阻力，必要時(shí)考慮附加阻力[3]。摩擦阻力僅與雷諾數(shù)有關(guān)，剩余阻力僅與傅汝德數(shù)有關(guān)。

(1) ITTC中的經(jīng)驗(yàn)公式

由于在靜水中拖航的速度不小于4 kn，海洋平臺(tái)、 FPSO是在紊流中運(yùn)動(dòng)，可以使用ITTC中的公式計(jì)算摩擦阻力(以下簡(jiǎn)稱“ITTC阻力”)。根據(jù)雷諾數(shù)變化范圍，摩擦阻力按照式(1)、式(2)計(jì)算。

當(dāng)雷諾數(shù)Re<2×107時(shí)，其摩擦阻力為：

(1)

式中：摩擦阻力系數(shù)CF呈指數(shù)分布，CF=0.074×Re-0.2；ρ為海水密度；V為拖航速度；S為被拖物濕表面面積。

當(dāng)雷諾數(shù)Re>2×107時(shí)，其摩擦阻力為：

(2)

式中：CF為摩擦阻力系數(shù)，呈對(duì)數(shù)分布。大量的試驗(yàn)證明，當(dāng)Re≥2×107時(shí)，ΔCF趨于固定值。據(jù)此，在傅妝德?lián)Q算方法中，常取ΔCF=0.4×10-3作為實(shí)船粗糙度補(bǔ)貼。

(3)

式中：L為船長(zhǎng)；ν為水的粘性系數(shù)(與溫度有關(guān))。

(2) 《海上拖航指南》中的經(jīng)驗(yàn)公式

《海上拖航指南》中給出的摩擦阻力RF和剩余阻力RB的計(jì)算公式分別為[3]：

(4)

(5)

(3) 《Towing》中的經(jīng)驗(yàn)公式

英國(guó)OPL出版的油田海船第四卷《Towing》，其摩擦阻力和剩余阻力按照式(6)、式(7)計(jì)算：

(6)

式中：F1為被拖物濕表面海生物生長(zhǎng)狀況系數(shù)。F1=0.3時(shí)，表面清潔無(wú)附著物；F1=0.4時(shí)，表面清潔有粘性物；F1=0.5時(shí)，表面有輕微的海生物；F1=0.6時(shí)，表面有輕微的海生物/小貝殼類附著物；F1=0.7時(shí)，表面有輕微的海生物/貝殼類附著物；F1=0.8時(shí)，表面有中等量的海生物/貝殼類附著物；F1=0.9時(shí)，表面有大量的海生物/貝殼類附著物/明顯外凸表面。

(7)

式中：F2為被拖物拖曳設(shè)備配備的位置，對(duì)于平臺(tái)一般選取0.8～1.0，船型一般選取0.3～0.5。

(4)模型試驗(yàn)

按照相似定律，確定模型和實(shí)物各個(gè)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，制作海洋平臺(tái)、FPSO的簡(jiǎn)化模型，在拖曳水池中做拖航模型試驗(yàn)，測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)、FPSO的拖航阻力。

2.2 實(shí)例分析

對(duì)某自升式鉆井平臺(tái)(四個(gè)圓柱形樁腿)和FPSO拖航阻力進(jìn)行分析，平臺(tái)參數(shù)見表2。

表2 平臺(tái)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

在溫度為0℃、10℃和20℃時(shí)平臺(tái)的雷諾數(shù)、按照不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的拖航阻力及試驗(yàn)測(cè)得的拖航阻力見表3、表4。根據(jù)表3、表4中給出的某自升式平臺(tái)、FPSO在靜水中拖航阻力可知：

(1) 使用ITTC中的經(jīng)驗(yàn)公式得到的平臺(tái)在靜水中拖航阻力偏小，這是由于該公式僅計(jì)算摩擦阻力而沒有考慮剩余阻力。因此，盡量不要使用這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算海上移動(dòng)平臺(tái)和FPSO在靜水中的拖航阻力。

(2) 對(duì)某自升式平臺(tái)，模型試驗(yàn)得到的拖航阻力比《指南》和《Towing》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算數(shù)值要大，且《Towing》中經(jīng)驗(yàn)公式比《指南》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出拖航阻力大；對(duì)FPSO，模型試驗(yàn)得到的拖航阻力比《指南》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值要小，但比《Towing》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值要大。

(3) 《指南》中隨著拖航速度的增加，剩余阻力隨拖航速度呈指數(shù)增加，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度更快，拖航阻力基本上是剩余阻力起控制作用。

表3 某自升式鉆井平臺(tái)靜水中拖航阻力

表4 FPSO靜水中拖航阻力

3 考慮環(huán)境條件拖航阻力分析

海洋平臺(tái)和FPSO在靜水中計(jì)算拖航阻力數(shù)值時(shí)，無(wú)論使用經(jīng)驗(yàn)公式還是模型試驗(yàn)得到的拖航阻力值，都比在考慮環(huán)境條件下得到的結(jié)果小得多，尤其是在極端環(huán)境條件下的拖航阻力值。

3.1 風(fēng)阻力

由于海洋平臺(tái)和FPSO在上甲板以上構(gòu)件較多，受風(fēng)面積較大，致使風(fēng)阻力占的比重較大。有時(shí)風(fēng)阻力能達(dá)到波、流阻力之和的兩倍(尤其是自升式平臺(tái))。各船級(jí)社和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均有計(jì)算風(fēng)阻力的方法，風(fēng)阻力的計(jì)算可參照參考文獻(xiàn)[8]。

3.2 波浪阻力

波浪力的計(jì)算方法有模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)不同船級(jí)的平臺(tái)，選用不同方法，計(jì)算出的波浪阻力會(huì)相差很大。

3.2.1 計(jì)算方法

(1) DNV波浪阻力計(jì)算公式

波浪阻力隨著拖航速度增加呈線性變化，計(jì)算公式為[4]：

(8)

式中：B11為波浪阻力阻尼。

在拖航速度為0時(shí)，波浪阻力簡(jiǎn)化如下：

(9)

式中：HS為有義波高；R為系數(shù)，對(duì)方形面R= 1.00，垂直圓柱R= 0.88。

(2)CCS波浪阻力計(jì)算公式

CCS拖航須知中波浪阻力的計(jì)算公式為[10]：

(10)

(3) 數(shù)值計(jì)算

在軟件中建立平臺(tái)模型，進(jìn)行線性繞射理論分析，確定波浪阻力系數(shù)，波浪阻力按式(11)計(jì)算：

(11)

式中：WD(w)為方向分布函數(shù)；S(w)為波譜。

(12)

3.2.2 實(shí)例分析

對(duì)某自升式平臺(tái)、FPSO和某半潛平臺(tái)波浪阻力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 波浪阻力

注：半潛平臺(tái)參數(shù)為：下浮體長(zhǎng)L=104.5m，單個(gè)下浮體寬B=16.5m，下浮體高D=10.05m，拖航吃水d=9.75m。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)自升式平臺(tái)、FPSO和某半潛平臺(tái)，CCS經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的波浪阻力最小，且遠(yuǎn)小于DNV經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值計(jì)算結(jié)果。而對(duì)于半潛平臺(tái)和FPSO等大尺度結(jié)構(gòu)物，盡量使用模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)或軟件計(jì)算結(jié)果更接近拖航的實(shí)際載荷。

3.3 流阻力

3.3.1 計(jì)算方法

通常采用以下做法計(jì)算拖航時(shí)的流阻力：(1) 在靜水中1 kn拖航速度的拖航阻力記為1 kn流速產(chǎn)生的拖航阻力；(2) 使用風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得在水線以下構(gòu)件的流阻力；(3) 按照式(13)～式(15)計(jì)算。 根據(jù)不同構(gòu)件計(jì)算的流阻力的公式如下[11]：

(1) 首部或尾部流在有線型的船體上產(chǎn)生的力

(13)

式中：Fcx為首部的流力；Ccx為首部的流力系數(shù)；S為船體的濕表面積，包括附件；Vc為設(shè)計(jì)流速。

(2) 橫向流在直線型的船體上產(chǎn)生的力

(14)

式中：Fcy為橫向流力；Ccy為橫向流力系數(shù)，Ccy=72.37N·S2/m4。

(3) 流在半潛式船體上產(chǎn)生的力

(15)

式中：Fcs為流力；Ccs為半潛式船體的流力系數(shù)；Cd為阻力系數(shù)(無(wú)量綱)；Ac為所有水下圓柱形構(gòu)件總投影面積之和；Af為所有水下便平面的構(gòu)件總投影面積之和。

計(jì)算作用在平臺(tái)水下部分構(gòu)件的海流載荷計(jì)算公式如下：

(16)

式中：CD為拖曳力系數(shù)。對(duì)于拖航自升式平臺(tái)、半潛平臺(tái)和FPSO等大尺寸結(jié)構(gòu)物，CD由試驗(yàn)確定。

3.3.2 實(shí)例分析

按照方法1～3對(duì)某自升式平臺(tái)和某半潛平臺(tái)拖航流阻力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表7。

表7 流阻力 單位：kN

注：計(jì)算半潛平臺(tái)拖航流阻力時(shí)流為1 m/s。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由表7可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相差較大。對(duì)半潛式平臺(tái)，撐桿位置及尺寸對(duì)波浪阻力的影響較大，這與自升式平臺(tái)體的計(jì)算是不同的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)海洋移動(dòng)平臺(tái)、FPSO拖航環(huán)境條件比較，及按照不同經(jīng)驗(yàn)公式得到的自升式平臺(tái)、FPSO和半潛平臺(tái)拖航阻力值和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

(1) 對(duì)拖航時(shí)極端環(huán)境條件，除了DNV要求1 m/s流速外，其它船級(jí)社和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求是一致的。

(2) 靜水中拖航的波浪阻力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與其他經(jīng)驗(yàn)公式及模型試驗(yàn)結(jié)果相差很大。公式中拖航阻力僅為浸水部分船中橫剖面積和航速的函數(shù)，缺少摩擦阻力系數(shù)對(duì)拖航阻力的影響，有待于通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

(3) 在考慮惡劣環(huán)境條件拖航時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的波浪阻力是最小的。可以通過(guò)模型試驗(yàn)和多元統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，并針對(duì)海上移動(dòng)平臺(tái)、FPSO的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定相應(yīng)的影響系數(shù)。

(4) 目前，流阻力經(jīng)驗(yàn)公式得到的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在很大差異，有待于通過(guò)模型試驗(yàn)修正不同形式的移動(dòng)平臺(tái)、 FPSO流阻力的經(jīng)驗(yàn)公式。

[ 1 ] 侯金林, 勾 瑩, 譚越，等. 自升式平臺(tái)拖航阻力試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2011, 26(6): 31-34.

[ 2 ] 杜慶貴,馮 瑋, 宴紹枝，等. 半潛式鉆井平臺(tái)幾類橫撐形式的拖航阻力研究[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái), 2011, 26(4): 41-46.

[ 3 ] 中國(guó)船級(jí)社. 海上拖航指南[S]. 2011.

[ 4 ] DNV. Modeling and analysis of marine operations[S]. 2011.

[ 5 ] DNV. Position mooring[S]. 2010.

[ 6 ] IMO MSC. Guidelines for safe ocean towing[S]. 1998.

[ 7 ] GL Noble Denton. Guidelines for marine transportations[S]. 2013.

[ 8 ] 中國(guó)船級(jí)社. 海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S]. 2012.

[ 9 ] 沈浦根. 拖航阻力的分類與計(jì)算[J]. 航海技術(shù), 2007, 29(2): 27-28.

[10] 中國(guó)船級(jí)社. 海上設(shè)施檢驗(yàn)須知[S]. 1995.

[11] American Petroleum Institute. Recommended practice for the analysis of spread mooring systems for floating drilling units [S].1987.

Towing Resistance Analysis of Mobile Offshore Units and FPSO

ZHANG Hai-yan

(Offshore Engineering Technology Center of China Class Society, Tianjin 300457)

Towing requirements to environmental conditions and the towing resistance of experience formula of mobile offshore unit and FPSO are enumerated according to different rules and specification/standard. Towing resistance value of jack-up drilling unit and FPSO in the hydrostatic are obtained according to the different empirical formula and the experimental results. The results show that the residual resistance increases faster than frictional resistance at the speed of more than 4 knots in accordance with the CCS towing guide at the sea. Wave resistance of jack-up drilling unit, FPSO and semi-submersible unit are calculated using the empirical formula and the numerical analysis. The results indicate that wave resistance is least according to CCS towing guide at the sea.

mobile unit; FPSO; towing resistance

2014-12-19

張海燕(1978-)，女，高級(jí)工程師。

1001-4500(2015)05-0074-06

P75

A