工程师论文单点系泊FPSO系泊缆疲劳寿命研究

　　采用准动态方法对单点系泊FPSO进行系泊分析，并采用T-N曲线和Miner线性疲劳累积损伤理论以及雨流计数方法对系泊系统进行疲劳分析，研究每一根系泊缆不同位置处的疲劳寿命，研究发现每一根系泊缆触地点位置的疲劳寿命最短。

　　[关键词]FPSO;单点系泊;疲劳寿命

　　引言

　　FPSO长期定位于某个特定海域作业，所受到的环境载荷方向和幅值都在不断变化，从而导致系泊缆受到循环载荷的作用，产生疲劳累积损伤。对于永久系泊定位的FPSO，在进行系泊系统设计时需对其进行疲劳寿命分析。

　　Jun等[1]采用时域分析和S-N曲线方法对一艘作业于墨西哥湾海域FPSO的多点系泊系统进行疲劳寿命分析，研究了两种不同布锚方式的多点系泊系统系泊缆的疲劳寿命。这两种多点系泊系统分别采用16根系泊缆分4组(每组4根)和12根系泊缆分4组(每组3根)。两种系泊系统具有相同的静水刚度。研究表明两种系泊系统系泊缆的疲劳寿命差别不大。Low等[2]提出混合频域/时域方法，对四点系泊FPSO的系泊系统和立管疲劳寿命进行分析，该方法即可达到一定的进算精度，又节省时间。Huang等[3]研究了单点系泊网箱系泊缆的疲劳寿命，并对其失效进行风险评估。李焱等[4]采用时域耦合分析的方法对服务于中国南海的多筒式FDPSO概念的系泊系统开展分析疲劳寿命分析，并采用DNV规范对计算结果进行校核。

　　本文采用准动态方法对作业于中国南海海域单点系泊FPSO的系泊系统进行系泊分析，并结合南海海域的波浪散布图，采用T-N曲线和Miner线性疲劳累积损伤理论，以及雨流计数方法对系泊系统进行疲劳分析，并研究每一根系泊缆导缆器处的疲劳寿命。

　　1理论方法

　　1.1准动态方法

　　准动态方法在求解船体运动时每一个时间步内低频运动和波频运动单独计算。低频运动响应通过求解时域运动方程得到，考虑波浪漂移力、风力、流力和系泊力等。波频运动响应在低频运动位置和船体首摇角基础上，通过线性叠加每个波浪成分的波频运动得到。在时间步结束时，低频运动和波频运动叠加，确定导缆器位置后通过静力方法计算系泊力。

　　1.1.1低频运动求解

　　船体低频运动受到风力、流力、二阶波浪漂移力和系泊力的影响，低频运动求解方程如下[5]：

　　

 

　　式中:为船体质量矩阵;为船体所受到的外载荷，形式分别为：

　　

 

　　式中：m为船体排水量;为船体质心处的转动惯量。

　　式中：H为水动力载荷;M为系泊载荷;B为阻尼载荷;D为二阶波浪漂移力;W为风载荷;C为流载荷。

　　1.1.2波频运动求解

　　根据三维频域水动力性能计算可以得到船体质心处六自由度运动幅值响应(RAOs)结果，结合波浪时历，可以得到船体质心处的波频运动。假设船体运动幅值响应和相位分别为R和，则其同步和异步的运动幅值响应为：

　　

 

　　船体质心处的运动为：

　　

 

　　式中：L为波浪的方向;为组成Airy波的波浪成分; 为船体低频运动重心在大地坐标系下的位置;为低频运动船体首摇角;为船体重心在低频运动位置的六自由度波频运动。

　　在知道了船体质心处的波频运动后，通过坐标转换，可以得到导缆器位置处的波频运动，从而可确定导缆孔和锚泊点之间的水平距离以及系泊力。

　　1.2系泊缆疲劳寿命分析

　　系泊缆疲劳设计与分析方法主要是基于T-N曲线和Palsren-Mine线性累计损伤理论方法。

　　1.2.1T-N曲线

　　系泊缆疲劳性能以系泊缆张力与破坏时的寿命之间关系描述，即T-N曲线：

　　

 

　　式中：N为疲劳寿命，即构件达到疲劳破坏所需的循环次数;R为张力与参考破断强度的比值，对锚链来说，参考破断强度即为最小破断强度(MBS);K为T-N曲线的截距参数;M为T-N曲线的斜率参数。

　　根据BV NR493规范[6]，T-N曲线中K和M的取值如表1。

　　

 

　　1.2.2Miner理论

　　Miner理论是线性疲劳累积损伤理论，根据Miner理论，一个循环造成的损伤为：

　　

 

　　式中：N对应于当前载荷水平的疲劳寿命。

　　等幅载荷下，n个循环造成的损伤为：

　　

 

　　对于给定的海洋环境条件，根据Miner理论，系泊缆一年的疲劳寿命损伤为：

　　

 

　　式中： j为环境条件序号;Dj为环境条件j作用下系泊缆一年内的疲劳损伤;pj为环境条件j出现的概率(所有的环境条件出现概率的和为1); dj为环境条件j作用的时间;njk为环境条件j作用下第k个张力出现的循环次数(由雨流法计数得到);Nk为第k个张力使构件损坏所需的循环次数(由T-N曲线得到)。

　　在所有不同的环境条件作用下，系泊缆一年内总的疲劳寿命损伤为：

　　

 

　　在计算出系泊缆一年内总的疲劳寿命损伤后，系泊缆的疲劳寿命(年)可以由式(11)计算得到：

　　

 

　　2单点系泊FPSO系统

　　对作业于中国南海海域1700m水深单点系泊FPSO的系泊缆开展疲劳寿命分析研究，FPSO船体主尺度参数如表2。

　　

 

　　FPSO单点系泊系统共有12根系泊缆，分为3组，每组4根，相邻两组对应的系泊缆之间的夹角为120°，每一组内相邻两根系泊缆之间的夹角为5°。每一根系泊缆由三部分组成：上部与船体连接的为无档锚链(R4)，中间为螺旋钢丝绳，下端为无档锚链(R4)。系泊缆参数见表3。

　　

 

　　3环境条件

　　采用波浪散布图开展系泊缆长期疲劳寿命分析。选定中国南海海域8个不同方向的波浪散布图。由于波浪散布图中给出的波浪数目较多，在进行疲劳分析时把每一个波浪都考虑进去计算是不现实的，工程上常用的方法是分块法，即将散布图按照波浪集中出现的情况分成有限的块，每一块选定一个有义波高和谱峰周期，块内波浪出现的概率相加。每一个波浪用JONSWAP谱模拟。风的模拟采用NPD风谱，风速采用相应波高的非超越概率计算得到。进而取波浪散布图八个方向上波浪的参数分别与不同方向的风、流叠加组合而成，共计576种海况数据，并采用平均概率分布对其进行时域计算。

　　4结果与分析

　　根据系泊缆布置方式和单根系泊缆参数，采用ARIANE软件建立系泊分析计算模型如图2所示。

　　

 

　　为了详细分析不同位置系泊缆的疲劳寿命，在每根系泊缆上建立了15个控制点，控制点的位置如图3所示。

　　

 

　　首先根据中国南海海域波浪散布图的数据和不同方向风、流载荷组成的多种海况，对单点系泊FPSO的系泊系统进行疲劳寿命分析，结果如图4所示。

　　图4给出单点系泊系统12根系泊缆导缆器位置处的疲劳寿命结果。从图中可以看出，由于风浪流海况从第三组系泊缆(9、10、11、12号系泊缆)方向出现的海况更为恶劣，该方向系泊缆受力最大，疲劳寿命最短。为了详细分析每根系泊缆不同位置处的疲劳寿命，对疲劳寿命最短的一组(9、10、11、12号系泊缆)每根系泊缆上设置15个控制点，计算这15个控制点位置处的疲劳寿命，研究疲劳寿命沿整根系泊缆的分布，分析结果如图5所示。

　　

 

　　从图5可以看出，由于锚链和钢丝绳材料属性不同，T-N曲线中K和M的取值不同，钢丝绳的疲劳寿命结果约为锚链疲劳寿命的219倍。

　　每根系泊缆上控制点疲劳寿命的趋势大致相同，即在锚链与钢索的结合点处疲劳寿命最长，在底部锚链与海底接触点处疲劳寿命最短。因此，在进行系泊系统设计时应特别关注该位置的疲劳寿命。

　　按照BV规范NR 493对系泊疲劳分析计算得到的系泊缆疲劳寿命结果进行衡准。

　　

 

　　如表4所示，按照FPSO系统30年的服役寿命来计算，疲劳寿命最短的安全系数为4.8，符合规范要求。

　　5结论

　　本文采用准动态方法、T-N曲线、Miner线性疲劳累积损伤理论，以及雨流计数方法对单点系泊FPSO的系泊系统进行疲劳寿命分析，计算每根系泊缆不同位置处的疲劳寿命，得到如下结论：

　　(1)根据工作海域波浪散布图，8个不同方向的波浪与风、流叠加后，较恶劣海况的上风方向处，系泊缆受力较大、疲劳寿命较短。本文中布置于东南方向的系泊缆疲劳寿命最短。

　　(2)对每根系泊缆来说，钢索与锚链结合处疲劳寿命最长，在底部锚链与海底接触处疲劳寿命最短。

　　(3)为更好地发挥单点系泊的特点，对系泊缆选型与设计的优化是进一步研究的目标，以使环境载荷可以合理分布在每根系泊缆上，并采用一些方法或装置对系泊缆的关键部位进行加强或监测。

　　[参考文献]

　　[1] Jun S H， Yun H K， Young J S， et al. A comparative study on the fatigue life of mooring systems with different composition [C]// 9th International Conference on Hydrodynamics， Shanghai， 2010： 435-439.

　　[2] Low Y M. Extending a time/frequency domain hybrid method for riser fatigue analysis [J]. Applied Ocean Research， 2011， 33： 79-87.

　　[3] Huang C C， Pan J Y. Mooring line fatigue： A risk analysis for an SPM cage system [J]. Aquacultural Engineering， 2010， 42：8-16.

　　[4] 李焱，唐友刚，赵志鹃，等.新型多筒式FDPSO概念设计及其系泊系统分析 [J].中国舰船研究，2013(5)：97-103.

　　[5] Bureau Veritas. Ariane 7 Theoretical Manual [R]. 2007.

　　[6] Bureau Veritas. NR 293 Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units [S]. 2012.

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