在串联卸载作业中FPSO油轮响应的时域分析外文翻译资料
2022-07-20 19:50:42
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J. Marine。 科学。 申请 （2010）9：
200-207 DOI：10.1007 / s11804-010-9070-
在串联卸载作业中FPSO油轮响应的时域分析
王强，孙立平，马山
哈尔滨工程大学船舶与海洋工程学院，哈尔滨150001
摘要：研究了浮式生产储卸油（FPSO）串联卸载作业中遇到的问题。 这项研究的目的是为了提高这些系统的可靠性，并且需要一种方法来评估研究目标的完成情况。 使用多体系泊软件ARIANE 7.0进行卸载系统的时域仿真和分析。 船舶之间的水动力相互作用也被考虑在内。 对卸载系统在不同装载情况下的响应，卸载缆索的不同参数以及具有挑战性的环境条件的影响等进行了计算。讨论了两个船体之间的相对运动问题及其对浩劫强度的影响。通过时域分析获得卸载系统中最小相对距离，最大相对航向和最大张力。时域分析是高效的的，并且可以使用比较研究来优化系统参数并扩大操作范围。
关键词：FPSO; 油船; 串联卸载; 时域仿真
文章ID：1671-9433（2010）02-0200-08
1介绍
FPSO广泛用于海上采油。目前，在南中国海，所有的FPSO卸载系统都是串联配置，其中包括由一根粗缆（2007年）连接的一艘穿梭油轮。 复杂系统对FPSO串列卸载的响应受多种因素的影响，承受极端环境条件的能力差异显着。
FPSO卸载操作可能会受到严格的环境条件的影响，因为这些操作无法预测足够的时间以允许适当的断开。 断开的典型时间范围从45分钟到1小时不等（从决定开始到有效断开截止）。
除风速的突然增加外，风向的变化也将对穿梭油轮的行为产生重大影响，并且动态效应将不仅在系泊绳索或索道中的张力方面，也在相对航向等方面普遍存在。
卸货作业期间通常会提供拖轮协助; 然而，由于拖船也处于与穿梭油轮相同的环境条件，因此它们对于系缆拉力的控制有限，并倾向于通过重新定位或线路收费来使拖轮线中的张力保持在可接受的水平。因此，拖船行动在极端环境条件下不能被认为是有效的。
同时，人们已经注意到，目前在大多数生存分析中发现的准确性水平很少应用于依赖操作员经验的卸载操作。但运营商希望越来越多地优化卸载操作，以限制外部元素（如拖船等）的使用并提高这些操作的可用性。
对南中国海的炮塔FPSO系统串联配置的响应进行了系统研究。从时域分析中获得最小相对距离，最大相对航向和卸载系统中最大张力，并进行比较研究。
2 FPSO卸载系统的类型
FPSO卸载系统的类型基本如下：立管和管道卸载，油轮运输和沿岸卸载（2004年）。
油轮运输主要用于FPSO卸载。 石油直接从FPSO卸载到穿梭油轮或驳船，将油输送到岸上。FPSO和穿梭油船有两种类型的系泊：串联和并排。串联卸载操作的执行方式为穿梭油轮位于FPSO后面的避风区域，而并行卸载操作是在平行位置进行的。
与并排系泊相比，串联系泊可以承受更严格的环境条件，更有利于快速断开。
将FPSO连接到海床的系泊系统可以是分散式或单点式或顺应式配置。一般来说，船只通过一个单一的索缆或一对索缆相互连接。使用推进器、拖船或主引擎可以减小不稳定性和较大的相对航向。
3 FPSO串联系统时域分析的基本理论
3.1基本假设
1)起初，船舶处于平均位置，由系泊线引起的载荷平衡由平均风速和平均波浪漂移引起的载荷。
2)没有考虑系泊线的水动力行为。
3)风和水流之间的船只之间的阴影效应加载过程被忽略。
3.2时域分析的基本方程
复杂系统的低频响应由两个在波浪影响下相互连接的浮子组成，风和流可以通过在每一个时间阶段求解下表中（2007年）的微分方程来确定。
其中，X是表征两个船只重心G的水平位置的六分量矢量。M是在其重心处计算的船只的水平质量矩阵。 它是一个6times;6的对角矩阵，其组成部分是浪涌和摇摆运动的容器的实际的质量（m）和偏航惯性矩（I）。
F（t）是在t时刻应用于每艘船舶重心的水平荷载的六分量矢量；它有助于低频响应：
矢量微分方程表达了相对于全球固定轴系统XY，动态应用于船舶重心的低频运动的基本原理。
由于外部载荷传递函数通常在血管轴系统Oxy中可用，所以投影将由全球轴系统制造。此外，任何时刻均可在该系统的原点O或重心G处计算。
3.3相对速度的定义
船只的低频波动和摇摆由其原点Oi的水平运动确定轴系统。
Oi的绝对速度投影在船舶轴系上的分量由U和V（分别为涌浪和摇摆）表示。相对于同一点的流体的速度分量分别被记录为和。这四个参数通过以下关系链接：
其中是绝对当前速度；是目前角度；是船只i的航向。
3.4在局部坐标系中进行公式化
重心倾向于在船i的中心线上，并且其坐标通过
定义在局部轴线系统上。
因此矢量的加速度公式为
相似的，由到的及时转换可以写成
在船舶轴系统中慢漂移运动的方程组是
其中，是船舶i上的外部负载在ix轴（浪涌轴）上的投影，是船舶i上的外部负载在iy轴（摇摆轴）上的投影，在船舶i轴系统的原点处计算的外部载荷的横摆力矩。
使用相对流体速度的变量，船舶i轴系统中的慢速漂移运动方程变成
3.5阻尼效应
阻尼效应部分由电流负载产生，因为它们是基于相对流体速度计算的，部分是通过与船舶绝对速度成正比的附加项计算。 单点系泊系统的线性阻尼系数的值通过以下经验公式得到：
其中，，分别是浪涌，摇摆和偏航的线性阻尼系数，L和B分别是船只的长度和宽度。
同时，可以在模拟的每个时间步骤激活慢速漂移阻尼。波浪漂移阻尼取决于慢速漂移速度，当前速度和瞬时航向。方法是通过简单地改变QTF矩阵来包含它。
- FPSO卸载系统时域分析的案例研究
4.1模拟的目的和过程
FPSO串列卸载的时域仿真分析主要有两个目的：
1)计算卸载系统对不同加载情况，不同参数和边际环境条件下的响应;
- 评估各操作因素和系统参数对卸载系统响应的影响。
我们关心的模拟结果是两艘船之间的最小相对距离，最大相对航向和最大索道最大张力，它们不同于传统的运动时域分析，如系泊线，立管分析或六自由度分析单船运动。其实，两个过程是用于模拟某些对象的操作：
首先，卸载操作模拟了3个小时。尽管整个操作需要大概15个小时，但建议在3个小时内完成。
其次，三小时时域模拟用随机种子执行五次，以产生风和波的时间序列。 通过将它们的极值（5次模拟中所得）拟合到统计结果中，分析FPSO和油轮之间的模拟相对距离和相关航向。设计值是基于在相同天气条件下使用相同天气条件、不同波信号模拟5次时获得的张力最大值的均值M和张力最大值的标准偏差S的组合，其设计值为：在设计最小距离时，在最大相对航向和最大锚链张力时。
4.2卸载系统模型
油轮与转塔系泊FPSO串联，它们之间的距离为60~100m，系泊布局由3根与内转塔相连的三条线组成，捆的间距为120°，支腿由链条和螺旋股钢丝绳组成。
图1中示出了串联卸载模拟中的两个船模型。
图1串联卸载仿真中的船舶模型
表1中列出了两艘船的主要参数和缆索的参数。Hydrostar软件通过求解频域三维自由曲面的双体的Green函数和水动力相互作用问题来计算两艘船的水动力数据,这些数据被描述为几种源分布模型的合集。尽管如此这个问题并不重要，因为这两艘船的距离并不近。
4.3环境条件
所有的运行计算都处于边际环境条件（2008），这是通过测试计算获得的。环境参数如表2所示。
4.4结果和比较研究
4.4.1在不同的负载情况下的响应
卸货开始时，FPSO满载，油罐车为镇流器。满载的深吃水FPSO和浅浅吃水油罐之间的水下形状和质量差异会导致两艘船的不同流体动力学。因此，加油机上的最佳（风向标）航向可能与FPSO明显不同，这会带来重大的运营困难。在卸载过程中，FPSO变得更轻，受不同流体动力组合的影响，变得比波浪或水流更受风的影响。同样，穿梭油轮的状况变得更重，并且倾向于受波浪和水流的影响比风更大。三种典型的装载情况如下：
案例1：FPSO满载 - 油船压载。
案例2：FPSO半装载 - 半装油船。
案例3：FPSO压载 - 油罐满载。
根据船只的最小相对距离，最大相对航向和最大索道张力，比较不同情况下的卸载系统的响应，如图1和图2所示。2和3.其中，alpha;是当前角度，beta;是风角。
图2和图3显示了不同情况下的比较值。 两艘船的相对距离是最小的情况1和情况3中最大。在大多数当前角度情况下，情况3中的相对航向大于另外两种情况。 在大多数当前角度情况下，情况1中的缆索的张力大于其他情况下的张力。
4.4.2在不同长度的hawser情况下的响应
影响系统反应的索威尔长度分别评估为60米，80米和100米。 响应如图4和图5所示。 其中，alpha;是当前角度，beta;是风角。
在大多数当前角度下，60m小船的相对航向大于其他航向。 如图4和图5所示，在大多数当前角度下，60 m缆绳的张力比其他缆绳的张力小。
4.4.3在不同的缆索EA情况下的响应
影响该系统响应的缆索EA分别评估为38000 kN，43000 kN和48000 kN。 反应如图6和图7所示。 其中，alpha;是当前角度，beta;是风角。
案例2中两艘船的相对距离大于其他两种案例。 这三种情况的相对标题几乎相同。 在大多数当前角度情况下，张力在案例3中最大，在案例1中最小。
4.4.4对环境条件变化的响应
潜在的风力在力和方向上发生变化，油轮受到大的滚动和俯仰运动的影响，结合风/天气/当前条件的影响。 在这种情况下，FPSO可能开始改变航向，并且油罐车必须跟随。 在过渡到下一个平衡（稳定）状态的过程中，偏航可能是问题。 或者，如果FPSO继续前进，油轮可能会被改变的环境力量“漂移”到一个新的方向。 在这种情况下，可能会在短时间内产生显着的偏航（航向偏差）。响应显示在图8和图9中。 其中，alpha;是当前角度。
从图8和图9中可以清楚地看到，当风向稳定时，两个物体之间的悬索和相对航向的最大张力最小。 在风向发生变化后，结果会变得不舒服，并且一个性能良好的系统会突然出现新的不希望的吸引平衡（例如，涉及船只碰撞）。风向变化越大，操作越危险。
4.4.5拖船对卸货作业的影响
在油船尾部使用拖船是控制相对航向和相对距离的一种方法。 拖曳的力量和方向必须适当，以改善系统的行为。结果的比较如图10和图11所示。其中，alpha;是当前角度，beta;是风角。
从图10和图11可以看出，拖船可以控制系统的相对运动，而小索的张力增加，所以拖船的作用特别是在恶劣的环境条件下受到限制。
5结论
对串联配置的炮塔FPSO系统的响应进行了系统调查。 考虑了两艘船之间的水动力相互作用，并且评估了一些相关参数，例如船的装载情况，船长的长度和EA，恶劣的环境条件和拖船的影响。 从时域分析得到卸载系统最小相对距离，最大相对航向和最大张力。 比较研究可用于优化系统参数并延长操作限制。
除了风速突然增加之外，风向的变化对系统的行为有不利影响，并且动态效应普遍存在，不仅在索尼的张力方面，而且在相对航向方面。 所以预测天气并及时采取有效措施非常重要。
在边缘或温和的环境条件下，只要施加适当的油轮力，就可以减少两艘船之间的相对距离和航向。
卸载作业可能遇到南海海域的海流风暴（Yin，2002）。 海上风暴潮对系统的影响尚不明确，需要进一步研究。
参考文献
[1] Ariane7.0 Theoretical Manual (2007). Research Department of BUREAU VERITAS, 41~44
[2]Chen H B, Moan T, Haver S, et al(2004). Prediction of relative motion and probability of contact between FPSO and shuttle tanker in tandem offloading operation. Journal of Offshore Mechanics
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