采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法對(duì)單點(diǎn)系泊FPSO進(jìn)行系泊分析，并采用T-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷理論以及雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞分析，研究每一根系泊纜不同位置處的疲勞壽命，研究發(fā)現(xiàn)每一根系泊纜觸地點(diǎn)位置的疲勞壽命最短。

　　[關(guān)鍵詞]FPSO;單點(diǎn)系泊;疲勞壽命

　　引言

　　FPSO長(zhǎng)期定位于某個(gè)特定海域作業(yè)，所受到的環(huán)境載荷方向和幅值都在不斷變化，從而導(dǎo)致系泊纜受到循環(huán)載荷的作用，產(chǎn)生疲勞累積損傷。對(duì)于永久系泊定位的FPSO，在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析。

　　Jun等[1]采用時(shí)域分析和S-N曲線方法對(duì)一艘作業(yè)于墨西哥灣海域FPSO的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞壽命分析，研究了兩種不同布錨方式的多點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊纜的疲勞壽命。這兩種多點(diǎn)系泊系統(tǒng)分別采用16根系泊纜分4組(每組4根)和12根系泊纜分4組(每組3根)。兩種系泊系統(tǒng)具有相同的靜水剛度。研究表明兩種系泊系統(tǒng)系泊纜的疲勞壽命差別不大。Low等[2]提出混合頻域/時(shí)域方法，對(duì)四點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)和立管疲勞壽命進(jìn)行分析，該方法即可達(dá)到一定的進(jìn)算精度，又節(jié)省時(shí)間。Huang等[3]研究了單點(diǎn)系泊網(wǎng)箱系泊纜的疲勞壽命，并對(duì)其失效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。李焱等[4]采用時(shí)域耦合分析的方法對(duì)服務(wù)于中國(guó)南海的多筒式FDPSO概念的系泊系統(tǒng)開(kāi)展分析疲勞壽命分析，并采用DNV規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。

　　本文采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法對(duì)作業(yè)于中國(guó)南海海域單點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊分析，并結(jié)合南海海域的波浪散布圖，采用T-N曲線和Miner線性疲勞累積損傷理論，以及雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞分析，并研究每一根系泊纜導(dǎo)纜器處的疲勞壽命。

　　1理論方法

　　1.1準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法

　　準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法在求解船體運(yùn)動(dòng)時(shí)每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)低頻運(yùn)動(dòng)和波頻運(yùn)動(dòng)單獨(dú)計(jì)算。低頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過(guò)求解時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程得到，考慮波浪漂移力、風(fēng)力、流力和系泊力等。波頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在低頻運(yùn)動(dòng)位置和船體首搖角基礎(chǔ)上，通過(guò)線性疊加每個(gè)波浪成分的波頻運(yùn)動(dòng)得到。在時(shí)間步結(jié)束時(shí)，低頻運(yùn)動(dòng)和波頻運(yùn)動(dòng)疊加，確定導(dǎo)纜器位置后通過(guò)靜力方法計(jì)算系泊力。

　　1.1.1低頻運(yùn)動(dòng)求解

　　船體低頻運(yùn)動(dòng)受到風(fēng)力、流力、二階波浪漂移力和系泊力的影響，低頻運(yùn)動(dòng)求解方程如下[5]：

　　式中:為船體質(zhì)量矩陣;為船體所受到的外載荷，形式分別為：

　　式中：m為船體排水量;為船體質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

　　式中：H為水動(dòng)力載荷;M為系泊載荷;B為阻尼載荷;D為二階波浪漂移力;W為風(fēng)載荷;C為流載荷。

　　1.1.2波頻運(yùn)動(dòng)求解

　　根據(jù)三維頻域水動(dòng)力性能計(jì)算可以得到船體質(zhì)心處六自由度運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)(RAOs)結(jié)果，結(jié)合波浪時(shí)歷，可以得到船體質(zhì)心處的波頻運(yùn)動(dòng)。假設(shè)船體運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)和相位分別為R和，則其同步和異步的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)為：

　　船體質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)為：

　　式中：L為波浪的方向;為組成Airy波的波浪成分; 為船體低頻運(yùn)動(dòng)重心在大地坐標(biāo)系下的位置;為低頻運(yùn)動(dòng)船體首搖角;為船體重心在低頻運(yùn)動(dòng)位置的六自由度波頻運(yùn)動(dòng)。

　　在知道了船體質(zhì)心處的波頻運(yùn)動(dòng)后，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以得到導(dǎo)纜器位置處的波頻運(yùn)動(dòng)，從而可確定導(dǎo)纜孔和錨泊點(diǎn)之間的水平距離以及系泊力。

　　1.2系泊纜疲勞壽命分析

　　系泊纜疲勞設(shè)計(jì)與分析方法主要是基于T-N曲線和Palsren-Mine線性累計(jì)損傷理論方法。

　　1.2.1T-N曲線

　　系泊纜疲勞性能以系泊纜張力與破壞時(shí)的壽命之間關(guān)系描述，即T-N曲線：

　　式中：N為疲勞壽命，即構(gòu)件達(dá)到疲勞破壞所需的循環(huán)次數(shù);R為張力與參考破斷強(qiáng)度的比值，對(duì)錨鏈來(lái)說(shuō)，參考破斷強(qiáng)度即為最小破斷強(qiáng)度(MBS);K為T-N曲線的截距參數(shù);M為T-N曲線的斜率參數(shù)。

　　根據(jù)BV NR493規(guī)范[6]，T-N曲線中K和M的取值如表1。

　　1.2.2Miner理論

　　Miner理論是線性疲勞累積損傷理論，根據(jù)Miner理論，一個(gè)循環(huán)造成的損傷為：

　　式中：N對(duì)應(yīng)于當(dāng)前載荷水平的疲勞壽命。

　　等幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷為：

　　對(duì)于給定的海洋環(huán)境條件，根據(jù)Miner理論，系泊纜一年的疲勞壽命損傷為：

　　式中： j為環(huán)境條件序號(hào);Dj為環(huán)境條件j作用下系泊纜一年內(nèi)的疲勞損傷;pj為環(huán)境條件j出現(xiàn)的概率(所有的環(huán)境條件出現(xiàn)概率的和為1); dj為環(huán)境條件j作用的時(shí)間;njk為環(huán)境條件j作用下第k個(gè)張力出現(xiàn)的循環(huán)次數(shù)(由雨流法計(jì)數(shù)得到);Nk為第k個(gè)張力使構(gòu)件損壞所需的循環(huán)次數(shù)(由T-N曲線得到)。

　　在所有不同的環(huán)境條件作用下，系泊纜一年內(nèi)總的疲勞壽命損傷為：

　　在計(jì)算出系泊纜一年內(nèi)總的疲勞壽命損傷后，系泊纜的疲勞壽命(年)可以由式(11)計(jì)算得到：

　　2單點(diǎn)系泊FPSO系統(tǒng)

　　對(duì)作業(yè)于中國(guó)南海海域1700m水深單點(diǎn)系泊FPSO的系泊纜開(kāi)展疲勞壽命分析研究，F(xiàn)PSO船體主尺度參數(shù)如表2。

　　FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)共有12根系泊纜，分為3組，每組4根，相鄰兩組對(duì)應(yīng)的系泊纜之間的夾角為120°，每一組內(nèi)相鄰兩根系泊纜之間的夾角為5°。每一根系泊纜由三部分組成：上部與船體連接的為無(wú)檔錨鏈(R4)，中間為螺旋鋼絲繩，下端為無(wú)檔錨鏈(R4)。系泊纜參數(shù)見(jiàn)表3。

　　3環(huán)境條件

　　采用波浪散布圖開(kāi)展系泊纜長(zhǎng)期疲勞壽命分析。選定中國(guó)南海海域8個(gè)不同方向的波浪散布圖。由于波浪散布圖中給出的波浪數(shù)目較多，在進(jìn)行疲勞分析時(shí)把每一個(gè)波浪都考慮進(jìn)去計(jì)算是不現(xiàn)實(shí)的，工程上常用的方法是分塊法，即將散布圖按照波浪集中出現(xiàn)的情況分成有限的塊，每一塊選定一個(gè)有義波高和譜峰周期，塊內(nèi)波浪出現(xiàn)的概率相加。每一個(gè)波浪用JONSWAP譜模擬。風(fēng)的模擬采用NPD風(fēng)譜，風(fēng)速采用相應(yīng)波高的非超越概率計(jì)算得到。進(jìn)而取波浪散布圖八個(gè)方向上波浪的參數(shù)分別與不同方向的風(fēng)、流疊加組合而成，共計(jì)576種海況數(shù)據(jù)，并采用平均概率分布對(duì)其進(jìn)行時(shí)域計(jì)算。

　　4結(jié)果與分析

　　根據(jù)系泊纜布置方式和單根系泊纜參數(shù)，采用ARIANE軟件建立系泊分析計(jì)算模型如圖2所示。

　　為了詳細(xì)分析不同位置系泊纜的疲勞壽命，在每根系泊纜上建立了15個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的位置如圖3所示。

　　首先根據(jù)中國(guó)南海海域波浪散布圖的數(shù)據(jù)和不同方向風(fēng)、流載荷組成的多種海況，對(duì)單點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞壽命分析，結(jié)果如圖4所示。

　　圖4給出單點(diǎn)系泊系統(tǒng)12根系泊纜導(dǎo)纜器位置處的疲勞壽命結(jié)果。從圖中可以看出，由于風(fēng)浪流海況從第三組系泊纜(9、10、11、12號(hào)系泊纜)方向出現(xiàn)的海況更為惡劣，該方向系泊纜受力最大，疲勞壽命最短。為了詳細(xì)分析每根系泊纜不同位置處的疲勞壽命，對(duì)疲勞壽命最短的一組(9、10、11、12號(hào)系泊纜)每根系泊纜上設(shè)置15個(gè)控制點(diǎn)，計(jì)算這15個(gè)控制點(diǎn)位置處的疲勞壽命，研究疲勞壽命沿整根系泊纜的分布，分析結(jié)果如圖5所示。

　　從圖5可以看出，由于錨鏈和鋼絲繩材料屬性不同，T-N曲線中K和M的取值不同，鋼絲繩的疲勞壽命結(jié)果約為錨鏈疲勞壽命的219倍。

　　每根系泊纜上控制點(diǎn)疲勞壽命的趨勢(shì)大致相同，即在錨鏈與鋼索的結(jié)合點(diǎn)處疲勞壽命最長(zhǎng)，在底部錨鏈與海底接觸點(diǎn)處疲勞壽命最短。因此，在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注該位置的疲勞壽命。

　　按照BV規(guī)范NR 493對(duì)系泊疲勞分析計(jì)算得到的系泊纜疲勞壽命結(jié)果進(jìn)行衡準(zhǔn)。

　　如表4所示，按照FPSO系統(tǒng)30年的服役壽命來(lái)計(jì)算，疲勞壽命最短的安全系數(shù)為4.8，符合規(guī)范要求。

　　5結(jié)論

　　本文采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法、T-N曲線、Miner線性疲勞累積損傷理論，以及雨流計(jì)數(shù)方法對(duì)單點(diǎn)系泊FPSO的系泊系統(tǒng)進(jìn)行疲勞壽命分析，計(jì)算每根系泊纜不同位置處的疲勞壽命，得到如下結(jié)論：

　　(1)根據(jù)工作海域波浪散布圖，8個(gè)不同方向的波浪與風(fēng)、流疊加后，較惡劣海況的上風(fēng)方向處，系泊纜受力較大、疲勞壽命較短。本文中布置于東南方向的系泊纜疲勞壽命最短。

　　(2)對(duì)每根系泊纜來(lái)說(shuō)，鋼索與錨鏈結(jié)合處疲勞壽命最長(zhǎng)，在底部錨鏈與海底接觸處疲勞壽命最短。

　　(3)為更好地發(fā)揮單點(diǎn)系泊的特點(diǎn)，對(duì)系泊纜選型與設(shè)計(jì)的優(yōu)化是進(jìn)一步研究的目標(biāo)，以使環(huán)境載荷可以合理分布在每根系泊纜上，并采用一些方法或裝置對(duì)系泊纜的關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)或監(jiān)測(cè)。

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