单铁兵;潘方豪
【摘 要】文章首先采用三维频域理论分析西非海域FPSO的水动力性能,得到船体各自由度的运动响应,慢漂载荷,附加质量和势流阻尼等;随后,利用分块法将波浪散点图离散为若干个海况,基于准动态方法对多点系泊系统进行分析,得到各海况下船体的漂移和各系泊缆的张力;最后,结合前两步的计算结果,采用T-N曲线,雨流计数和Miner线性累计损伤理论对系泊缆的疲劳寿命进行预报.研究结果表明,各系泊缆的疲劳寿命沿长度方向的分布趋势基本一致,锚链顶端和触底部分的疲劳寿命较短.此外,西非海域的涌浪对系泊缆的疲劳损伤较大,系泊设计时应予以重点关注.%Firstly, the hydrodynamic performance of Floating Production Storage and Offloading (FPSO) in West Africa Sea is analyzed by the three dimensional frequency domain theory, in order to get the motion response, slow drift loading, added mass and potential damping for each degree of freedom. Secondly, wave scatter diagram is discretized into several sea states by block method. It analyzes the multi-point mooring system based on the quasi-dynamic method to obtain hull offset and tension of each moori ng line. Finally, the fatigue life of mooring lines is predicted by T-N curve, Rainflow counting algorithm and Miner linear cumulative fatigue damage theory, together with the above results. The results show that the longitudinal distribution of the fatigue life of each mooring line is almost consistent with each other, whereas, the fatigue life is relatively short on top and touch-down point. In addition, the fatigue damage of mooring line is affected largely by the swell in West Africa, which should be paid more attention in the design of the mooring system.
【期刊名称】《船舶》
【年(卷),期】2015(026)005
【总页数】7页(P1-7)
【关键词】FPSO;多点系泊;涌浪;疲劳寿命
【作 者】单铁兵;潘方豪
【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011;中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011
【正文语种】中 文
【中图分类】U661.1
引 言
虽然单点系泊系统对于FPSO来说是较为常见的系泊方式，但对于环境较为温和或环境载荷方向较固定的海域（如西非海域），多点系泊系统同样获得较多的应用。
FPSO通过若干系泊系统定位于某一特定海域，服役时间往往长达几十年，属于永久系泊范畴，对于永久系泊的海上结构物，因系泊缆长期受到外部环境条件变化引起的循环载荷作用，将引起疲劳损伤，故有必要对其进行疲劳寿命分析。
单桂敏［1］采用准动态法对南海某一油田FPSO的单点系泊系统进行了疲劳寿命分析。系泊系统设计为绷紧式，由10根缆绳组成。初步考察了预张力、T-N曲线和聚酯缆的动刚度
对疲劳寿命的影响。王颢然等［2］同样采用准动态方法对南海FPSO单点式系泊系统的疲劳寿命展开数值预报。研究表明，底部锚链与海底接触处的疲劳寿命最短。郑长新［3］采用基于时域分析的锚泊线动力分析方法计算单根系泊缆的应力-时间历程曲线，同时结合Miner线性累计损伤理论对其疲劳性能进行评估。
本文采用三维势流理论，准动态方法，T-N疲劳寿命曲线，Miner理论并结合西非海域的波浪散点图对服役于西非海域的FPSO多点系泊系统的疲劳寿命进行分析。
“系泊系统的疲劳寿命分析”仅针对“顶部锚链、底部锚链以及中间段钢丝绳”。其他系泊设备，如FPSO舷侧导缆器，系泊定位绞车的疲劳分析均归类于结构疲劳范畴，不在本文的讨论范围。
1 理论分析方法
系泊缆的疲劳分析过程分为以下三部分：按顺序依次为船体水动力频域计算、系泊定位分析和疲劳寿命分析。
船体水动力频域计算可获得运动RAO，波浪慢漂载荷传递函数以及附加质量和阻尼等系泊
定位分析所需的参数；系泊定位分析可得到船体的波频和低频运动以及系泊缆疲劳分析所需的张力时间历程；疲劳分析可得到系泊缆的疲劳寿命。
FPSO多点系泊系统完整的疲劳寿命分析流程如图1所示。
1.1 频域分析
图1 系泊缆疲劳分析的流程
FPSO的频域分析是进行系泊定位分析和疲劳寿命分析的基础。采用三维频域势流理论［4］可计算出FPSO船体的运动响应函数、一阶波浪力传递函数、二阶慢漂力的传递函数、附加质量和势流阻尼系数等。
流场中的总速度势可分为入射势ΦI、辐射势Φj和绕射势Φ7，即：
理想流体的速度势Φ需满足Laplace方程，自由面边界条件、海底条件、物面条件和辐射条件：
采用格林函数法对FPSO上的面网格进行离散处理，可求解出外部波浪激励力、静水回复
力、附加质量和粘性阻尼等。
根据牛顿第二定律计算浮体的六自由度运动［5］：
式中：为浮体的质量矩阵为由辐射势引起的附加质量矩阵为势流阻尼矩阵为船体静水回复力；X为浮体的运动矢量；F为通过格林函数法计算获得的外部激励力。
1.2 系泊定位强度分析方法
采用BV船级社开发的系泊定位程序Ariane对FPSO的系泊定位能力进行计算，并获得各系泊缆的张力特性，是系泊缆疲劳寿命分析的基础。
准动态分析是一种时域模拟方法，在计算船体的运动时，将其分离成低频部分和波频部分。低频运动直接由时域运动方程求出，波频运动则通过各入射波浪成分对应的运动响应线性叠加得到。
在计算结束后，将低频和波频运动合并得到船体的总运动，并通过坐标转换得到各导缆孔处的运动。最后，将该运动时历加至系泊缆顶端，应用悬链线方程计算得到系泊缆各处的张力。
1.2.1 浮体的低频运动
每一时间步长dt，浮体的低频运动通过牛顿第二定律进行求解［6］为船体质量矩阵为船体重心位置处的低频运动，包括横荡运动，纵荡运动和首摇运动为船体在三个方向所受的外部激励力。
1.2.2 浮体的波频运动
船体的波频运动通过线性叠加若干个Airy波作用下船体的响应获得，并假设波频运动不受低频运动引起系泊刚度变化的影响［7］。
随机波浪的时历信号由若干个Airy波组成，任意一点的波面高度可表示为：
式中为坐标点为（x，y）处，t时刻的波面高度；n为Airy波的组成数；ai、ωi和φi分别为第i个Airy波的波幅，圆频率和相位；β为入射波浪的传播方向；ki为波数，可式（10）计算得出：
已知随机波浪的能量谱密度函数，假设其在频率ωm和ωM之间可分成n份，每份间隔均为Δω，则ai可表示为：
式中：h为水深，g为重力加速度，为第i个Airy波的能量谱密度。
将式（10）和式（11）代入式（9）中即可得到随机波浪的时间历程。根据船体运动幅值响应（RAOs），结合入射波浪的时间历程，可得到对应的波频运动时历。
1.3 疲劳寿命分析方法
Ariane软件的疲劳寿命计算方法主要是以T-N曲线和Miner线性累计损伤理论为基础展开的。
T-N曲线可表示为：
式中：N为达到破坏所需的循环次数；R为张力范围与名义破断强度的比值；M为T-N曲线斜率；K为 T-N 曲线截距［8］。
Miner线性累计损伤理论认为：在循环载荷作用下，疲劳损伤可以线性地累加，各个应力之间相互独立，当累加的损伤达到某一数值时，构件就发生疲劳损坏。基于Miner理论，单根系泊缆总的疲劳寿命（年）为：
式中：j为海洋环境编号；Dj为第j个海况下对应的疲劳损伤；pj为第j个海况出现概率；dj为第j个海况作用时间；njk为第j个海况中第k个张力的循环次数；Nk为第k个张力使缆绳损坏所需的循环次数［9］。
2 多点式FPSO系泊系统
2.1 船体水动力模型
FPSO水动力分析是研究其系泊系统疲劳寿命的基础。根据某西非作业的FPSO船体主尺度参数，结合船体型线图，采用Patran软件建立适用于水动力计算的面元模型，如图2所示。
图2 FPSO水动力网格图
FPSO船体主尺度参数如表1所示。
表1 FPSO船体主尺度船体符号及单位 主尺度总长LOA /m 304.0垂线间长LPP /m 304.0型宽B /m 62.8型深D /m 33.2平均吃水Tmid /m 25.3排水量D /t 467 014
