楊 玥 王 璞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

西非海域環(huán)境條件下FPSO運動及載荷響應特性研究

楊 玥 王 璞

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］針對在西非海域作業(yè)的某多點系泊30萬噸FPSO，研究西非海域特定環(huán)境條件下的雙向風浪及涌浪的聯(lián)合作用對該FPSO運動及載荷響應的影響。文中基于三維勢流理論對FPSO運動響應進行數(shù)值分析，并與試驗值幅值響應算子（RAO）對比。利用雙Ochi-Hubble譜的短期預報，論述FPSO在雙方向風浪及涌浪作用下的運動幅值、加速度及載荷響應；論述涌浪方向對運動及載荷響應的影響，并考慮涌浪周期敏感性的影響，對FPSO運動加速度、幅值、波浪彎矩、波浪剪力進行數(shù)值分析；總結了FPSO在雙方向風浪及涌浪作用下運動及載荷響應根據(jù)浪向的變化特點，以及FPSO波浪載荷受風浪和涌浪周期敏感性影響的特點，為西非FPSO后續(xù)的結構設計提供參考。

［關鍵詞］西非海域；雙方向風浪及涌浪；運動及載荷響應；敏感性分析

引 言

隨著目前國際市場對石油天然氣資源的需求越來越高，西非海域作為海洋油氣資源開發(fā)的主要熱點地區(qū)之一，也日益受到重視。其中在西非海域的安哥拉深水區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)36個油氣田，并還在增加。由于FPSO生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)快、投資低、儲油能力大、抗風浪環(huán)境能力強、應用靈活、經(jīng)濟性和適用性都較好，在西非海域得到了廣泛應用［1］。目前西非海域主要的FPSO應用分布如圖1所示，主要集中在安哥拉、幾內(nèi)亞等區(qū)域，并有較多的FPSO都用于水深大于500 m的環(huán)境條件下，系泊主要采用多點系泊方式。

圖1 西非海域FPSO應用分布

由于西非海域內(nèi)存在能量較大的長周期涌浪與短周期風浪的共同作用，因此較其他海域的波浪條件有明顯區(qū)別。國內(nèi)外很多學者通過實測數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬的方法，探索西非涌浪和風浪的特點及其對浮式平臺的影響。Violante［2］、Nerzic［3］等通過大量實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)西非海域涌浪對風浪的產(chǎn)生沒有明顯影響，并分別提出涌浪的能量模擬方法及環(huán)境數(shù)據(jù)庫；Elzbieta［4］通過研究提出在西非環(huán)境下，需要雙峰譜模擬風浪及涌浪；Zhao和Wu［5］提出引入兩個控制波浪譜參數(shù)以模擬涌浪和風浪并研究作用在FPSO上的極限波浪載荷等。

本文以一艘作業(yè)于西非安哥拉深水海域下的多點系泊30萬噸FPSO為研究背景，對西非海域的風生浪、涌浪進行詳細研究并總結其特點，利用三維勢流理論對FPSO的運動響應進行數(shù)值分析并與試驗值對比，利用雙波浪譜模擬并分析FPSO風浪和涌浪聯(lián)合分布下的運動及載荷響應，進行FPSO對涌浪方向及周期變化的敏感性分析，為后續(xù)FPSO的結構設計提供依據(jù)。

1 西非海浪條件概述

西非海域的海浪特性較為特殊，與中國南海海域基本由風浪主導的典型特性不同，西非海域的波浪主要包括風生浪及涌浪，兩種波浪的組合較為獨立，可以同時存在不同方向、不同有義波高與周期的風浪和涌浪。涌浪作為西非海域的主要波浪成分，波高條件相對較溫和，以安哥拉某區(qū)塊海域為例，涌浪的百年一遇有義波高僅為4.5 m，但其周期相對較長，90%都集中在14.9 ～ 18.8 s之間，涌浪的方向和形狀也較固定，因此該海域的涌浪能量相對集中在一定方向范圍內(nèi)的低頻區(qū)域；而風浪的不規(guī)則性比較強。西非海域這種特殊的涌浪現(xiàn)象， 會導致更深層水粒子的運動，可能對FPSO這種大面積船底的浮體作用產(chǎn)生較大響應［6］，因此在設計階段應予以重視。

本文以西非海域安哥拉某區(qū)塊為例進行分析，當?shù)氐沫h(huán)境參數(shù)見表1。

表1 西非環(huán)境條件參數(shù)

2 FPSO運動響應數(shù)值分析及試驗數(shù)據(jù)對比

以某30萬噸FPSO為研究對象，其主尺度如下：水線間長LWL為304.0 m、型寬B為62.8 m、型深D為33.2 m、設計吃水T為23.2 m、方形系數(shù) Cb為0.938。利用BV船級社的HydroSTAR軟件對該FPSO進行運動響應數(shù)值分析，得到六自由度運動幅值響應算子（RAO）。三維邊界元模型如圖2所示，水動力性能計算時所取坐標系定義見圖3。

圖2 三維邊界元模型

圖3 水動力性能分析的坐標系及波浪方向定義

圖4 FPSO幅值響應算子（橫搖90°）

圖5 FPSO幅值響應算子（垂蕩90°）

圖6 FPSO幅值響應算子（縱搖0°）

將計算結果與參考的試驗數(shù)據(jù)（白噪聲試驗）對比［7］，發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好，如圖4 -圖6所示。通過RAO結果可以看出，較之升沉運動，縱搖和橫搖運動的響應頻率與西非涌浪的頻率較接近，預報得到的縱搖和橫搖運動響應較大，且對于涌浪周期變化較敏感。通過對FPSO運動RAO數(shù)值分析結果及白噪聲試驗數(shù)據(jù)的擬合，確定了該運動分析結果較可靠，可以繼續(xù)進行波浪載荷RAO的分析求解。

求解FPSO的運動方程后，即可求解并得到各目標剖面的波浪載荷RAO，以RAO幅值最大的剖面為例，其垂向彎矩My、垂向剪力Fz及水平彎矩Mz的RAO結果見下頁圖7 -圖9。

3 雙方向風浪及涌浪下運動及載荷譜分析

圖7 截面垂向彎矩RAO （x = 146.0 m = 0.48L）

圖8 截面垂向剪力RAO （x = 45.0 m = 0.15L）

圖9 截面水平彎矩RAO （x = 156.0 m = 0.51L）

針對西非風浪和涌浪同時存在的水文特征，需要選擇合理的波浪譜對FPSO運動及載荷進行譜分析。就波浪能量而言，不能忽略涌浪作為西非海域影響船體運動及波浪載荷大小的主控因素，因此在進行西非海域運動及波浪載荷研究時，需要考慮各方向風浪和涌浪的聯(lián)合作用。多點系泊FPSO受雙向風浪和涌浪作用示意圖，以及譜分析時的波浪方向定義見圖10。

圖10 多點系泊FPSO受雙向風浪、涌浪作用及譜分析時的波浪方向定義示意圖

進行FPSO運動及載荷譜分析時，結合西非海域波浪能量特點，本文分析中以兩個Ochi-Hubble波浪譜分別模擬西非海域的涌浪和風浪。Ochi-Hubble波浪譜的譜密度函數(shù)如下［8］：

式中：ω為圓頻率（rad/s）， Hs為有義波高， ωp為峰值圓頻率，λ為譜形狀因子。

由于涌浪作為西非海域的主導波浪，因此考慮涌浪和風浪在不同角度下的組合時，指定涌浪角度（即涌浪與船首夾角），風浪在0°～ 360°范圍變化（間隔15°），分析考慮以下七類組合，見表2。

表2 涌浪及風浪組合工況

以西非海域百年一遇的風浪和涌浪的組合作為FPSO生存工況下的環(huán)境條件，以涌浪0°（譜分析中表示船首迎浪）、風浪45°為例，該組合下的波浪譜如圖11所示。

圖11 西非海浪譜密度函數(shù)（雙O-H譜，涌浪方向0°，λ1= 6.0；風浪方向45°，λ2= 1.0°。）

利用這種雙Ochi-Hubble波浪譜，對水動力分析中得到的FPSO運動及載荷響應RAO進行譜分析，可以得到FPSO在西非百年一遇環(huán)境條件下運動及載荷預報值。表3列出了只考慮涌浪或風浪以及以雙O-H譜考慮涌浪和風浪聯(lián)合作用的FPSO運動幅值、加速度以及波浪載荷預報最大值的對比。

表3 FPSO運動及載荷響應預報值對比

通過對FPSO在風浪及涌浪聯(lián)合作用下的運動響應波浪載荷預報結果對比分析發(fā)現(xiàn)：對于FPSO的運動，涌浪是主控條件。這是由于涌浪的周期與橫搖、縱搖及升沉的響應幅值周期較接近，波浪能量較大。對于垂向波浪載荷，由于同樣的原因，涌浪造成的載荷也占較大比重；而對于水平彎矩，其響應幅值周期位于風浪和涌浪周期之間，風浪和涌浪造成的載荷大體相當。因此，進行FPSO波浪載荷分析時，風浪也有不可忽略的作用，考慮不同方向風浪和涌浪的聯(lián)合作用是必要的。

4 涌浪方向對FPSO運動及載荷響應的影響

由于涌浪的能量主要集中在低頻范圍，波長相對較長，對于FPSO這類船長尺度較大的船，由第2節(jié)的運動及載荷RAO結果可以看出，涌浪周期與其運動及波浪載荷幅值周期較接近，因此FPSO的運動及波浪載荷分布都會受到涌浪方向及周期的顯著影響。表4列出了西非百年一遇環(huán)境條件下，F(xiàn)PSO遭遇不同主導涌浪方向下的運動幅值及加速度的對比值，該值為涌浪方向一定、風浪方向在0°～ 345°內(nèi)變化的預報結果最大值。圖12 -圖14分別給出了不同主導涌浪方向下波浪載荷預報值及規(guī)范值的對比結果。

表4 不同主導涌浪方向下FPSO運動幅值及加速度對比值

圖12 不同主導涌浪方向下垂向彎矩分布

圖13 不同主導涌浪方向下垂向剪力分布

圖14 不同主導涌浪方向下水平彎矩分布

以上結果驗證了涌浪方向對于FPSO運動及載荷響應均具有較大影響。橫搖及升沉運動幅值及加速度均隨著涌浪與船首夾角增大而迅速增大。波浪載荷也隨涌浪方向改變而變化顯著，涌浪為0°時出現(xiàn)最大垂向彎矩和剪力，但由于西非環(huán)境較為溫和，因此各波浪載荷均小于規(guī)范值。

根據(jù)西非涌浪和風浪的分布統(tǒng)計資料，涌浪浪向主要集中在一定角度范圍內(nèi)，而風浪分布則跟季節(jié)風向相關。針對西非這種環(huán)境特性，F(xiàn)PSO在多點系泊設計時，可以涌浪方向為主要迎浪方向，將涌浪控制在一定角度迎浪范圍內(nèi)，以達到控制并減小其運動響應的目的，確保FPSO的使用及安全性。

5 涌浪周期敏感性對FPSO運動及載荷響應的影響

由前幾節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，由于涌浪的周期較長，與FPSO運動及載荷的RAO峰值周期較接近，是造成FPSO運動及載荷響應的主導因素。將涌浪的周期范圍擴大15%，研究涌浪周期敏感性對FPSO運動及載荷響應的影響。表5及表6分別列出了FPSO運動幅值及載荷響應隨涌浪周期變化的預報極值。30萬噸FPSO進行運動及波浪載荷響應分析，得出以下主要結論：

表5 FPSO運動幅值隨涌浪周期變化極值

表6 FPSO波浪載荷隨涌浪周期變化極值

（1）通過FPSO運動數(shù)值分析結果與試驗結果的擬合和對比，得到了較可靠的運動響應及載荷響應幅值算子（RAO）以及響應幅值周期。

（2）以雙波浪譜模擬西非海域雙方向風浪及涌浪的聯(lián)合作用，可以較準確反映西非海域的海況特點。涌浪是造成FPSO運動及載荷響應的主導因素，但對于波浪載荷的預報分析，風浪也有不可忽略的作用，考慮不同方向風浪和涌浪的聯(lián)合作用是必要的。

（3）涌浪的方向和周期敏感性對FPSO運動及載荷響應影響較大，在進行西非海域波浪載荷設計分析時，需要結合FPSO載荷響應峰值周期對涌浪周期進行敏感性分析。

由以上分析結果可以看出：對于FPSO的運動響應來說，橫搖和縱搖的響應幅值周期都在17 s附近，而升沉的響應幅值周期在14 s附近，因此擴大涌浪周期范圍后，當涌浪周期朝著遠離其運動固有周期變化時，其運動響應相應減小；反之則迅速增大，如減小涌浪周期后，橫搖和縱搖運動都相應減小，而升沉運動則增大。對于FPSO的波浪載荷來說，也體現(xiàn)了同樣的特點：垂向波浪彎矩和剪力隨著涌浪周期遠離其響應幅值周期（17 s附近）而變小；而水平彎矩則隨著涌浪周期靠近其響應幅值周期（14 s附近）而增大。

由以上分析可知，F(xiàn)PSO運動及載荷響應對于涌浪周期的變化較敏感。在進行西非海域的結構載荷分析時，需要結合FPSO運動及載荷響應幅值周期進行涌浪敏感性分析，才能得到較可靠的運動及載荷響應結果，確保FPSO設計的安全。

［參考文獻］

6 結 論

［1］ 張磊. 西非涌浪環(huán)境下浮式平臺水動力特性［D］. 上海：上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，2012.

［2］ N. Violante-Carvalho， F.J. Ocampo-Torres， I.S. Robinson，Buoy observations of the influence of swell on wind waves in the open ocean［J］. Applied Ocean Research， Volume 26， Issues 1-2， February-April 2004， Pages 49-60.

［3］ Nerzic C R，F(xiàn)relin M. Prevosto V. Quiniou-Ramus， 2007. Joint distributions of Wind/Waves/Current in West Africa and derivation of multivariate extreme I-FORM contours ［C］//Proc. of ISOPE 2007， Lisbon， Portugal.

［4］ Elzbieta M. Bitner-Gregersen， Alessandro Toffoli， 2009. Uncertainties of wind sea and swell prediction from the Thorsethaugen spectrum［C］//Proc. of OMAE 2009，Hawaii， America， OMAE 2009-80261.

［5］ Zhao Chun-tian， Wu Jer-Fang， 2002. Determination of Extreme Wave Loads on an FPSO in Complicated Wave Conditions［C］//Proc. of ISOPE 2002， Kitakyushu，Japan.

［6］ J.M.J. Journée and W.W. Massie， Offshore hydromechanics ［M］. Delft University of Technology.

［7］ 彭濤. 西非多點系泊FPSO、立管及原油外輸裝置模型試驗研究報告，國家科技重大專項， 2012.

［8］ Starspec User Guide［R］. 2012.

本文通過對某一作業(yè)于西非海域的多點系泊

［中圖分類號］U661.1

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0021-07

［收稿日期］2014-10-20；［修回日期］2014-11-23

［作者簡介］楊 玥（1988-），女，碩士，工程師，研究方向：船舶與海洋結構設計與研究。王 璞（1977-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶與海洋結構設計與研究。

Investigation on wave-induced motion and load response performance of FPSO in Offshore West Africa

YANG Yue WANG Pu

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：The investigation on wave-induced motion and load response is conducted for a multi-point moored 3 00 000 t FPSO in bi-directional wind-sea and swell Offshore West Africa （WOA）. It carries out the numerical analysis of the motion response of FPSO by the 3D potential theory and compares with the tested RAO. By the two Ochi-Hubble wave spectrums for a short-term forecasting， this paper discusses the motion amplitude，acceleration and load responses of FPSO in the bi-directional wind-sea and swell， and numerically analyzes motion acceleration， amplitude， wave bending moment and wave shearing force of FPSO with consideration of the infl uence of the swell direction and sensitivity of swell period. It summarizes the characteristics of motion and load responses of FPSO in the bi-directional wind-sea and swell with varied wave direction and its reaction to the sensitivity of swell period， which can provide references for the further structural design of FPSO in WOA.

Keywords：Offshore West Africa； bi-directional wind-sea and swell； motion and load response； sensitivity analysis