0 引　言

随着深海石油开采技术的发展，涌现出了很多新型的浮动式海洋平台，浮式生产储油系统以其“抗风浪能力强、适应水深范围广、储卸油能力大、易搬迁”等优点备受关注。海上浮式储卸油装置（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）是集原油生产、存储、外输等多功能为一体的“海上油气加工厂”^[1]。FPSO按照船体形状的不同，可分为船形和圆筒形2种^[2]。2022年11月，我国首个最大的圆筒形FPSO-企鹅FPSO建造交付（见图1），与常规FPSO船型相比，圆筒型FPSO空间布置更紧凑、集成化程度更高、成本更低，且可减少普通船体结构的首尾纵摇^[3]。因其船形的特殊设计，圆筒形FPSO在海上作业时，面对不同方向的风浪流，动力响应较为显著。因此，针对圆筒形FPSO水动力以及运动响应等相关特性的研究对平台结构设计以及维护人员安全，设备安全，作业安全等各个方面具有十分重要的意义。

1 初步水动力计算与准备 1.1 圆筒形FPSO参数设置及模型创建

在进行圆筒形FPSO水动力分析时，考虑圆筒型FPSO为封闭的压载舱，仅外表面处理为湿表面^[4]，建模时对结构适当简化以便降低建模的工作量以及计算时间。按需设置缩尺比转换物模实际尺寸，转换后的模型尺寸对计算结果无影响。模型具体参数如表1所示。

利用Ansys建立有限元分析模型对其进行网格划分如图2所示。

1.2 频域分析

频域分析是研究浮体结构在水中运动响应的常用方法之一^[5]，利用Workbench软件的Hydrodynamic Diffraction模块，对圆筒形FPSO在频域中的水动力学特性进行数值模拟，波浪的频率范围为0.016 ～ 0.398 Hz，频率间隔为0.05 Hz，考虑到圆筒形FPSO的对称性，波向角范围为0 ～180°，波向间隔为30°，共6个波向，计算圆筒形FPSO的附加质量、辐射阻尼以及一阶波浪力等水动力参数。将计算出的结果共享至Hydrodynamic Response响应模块进行，为时域分析做准备。

1.3 环境条件

海洋环境参考南海东沙群岛及西卫滩附近水域，有研究显示，该处水域的海浪高度最高，每年最高可达2.7 m。南海平均风速达到5-6级，因此使用NPD风谱，本文选择11.4、10、8 m/s等3种工况，年平均有效波高为1.5～2.5 m，周期为2～10 s之间，波高均采用JONSWAP谱不规则波，峰值因子保持3.3不变^[3]。风、浪、流的方向为0°表面流速采用0.9 m/s。定义环境工况如表2所示。

1.4 系泊系统的设计

系泊系统由4根悬链线组成，锚链线从平台底部导缆孔穿出，底部沉入水底，按照其结构对称性进行均匀分布，两相邻悬链线之间90°的夹角均匀分散布置。为便于分析，具体布置情况如图3所示。

关于系泊系统根据相关规范DNV Anchor manuals的相关的建议，采用76 mm钢索，其具体参数如表3所示。

2 时域分析

时域分析可以将海洋中各个环节的环境荷载耦合起来，并可进行海洋条件下的动态响应预报^[6]。利用Workbench软件中的HR模块，通过3000 s的动力学模拟，获得4种环境工况下，圆筒形FPSO的运动响应和锚泊的预紧张力情况。

2.1 系泊张力

1）张力情况

由于本部分所涉及的风、浪均沿着X轴正方向前进，主要影响的是圆筒形FPSO系泊缆的2号和4号，1号和3号系泊缆影响较小。经分析知海况1下，2和4号系泊缆在2641 s时张力值取得最大值1.71×10⁶ N。海况2下，2号和4号系泊缆在2645 s时张力值取得最大值1.45×10⁶ N。海况3下，2和4号系泊缆在935 s时张力值取得最大值1.23×10⁶ N。海况4下，2号和4号系泊缆在954 s时张力值取得最大值7.84×10⁵ N。图4为海况2的张力时程曲线。

2）强度校核

系泊系统的安全水平通常用安全系数来量化。根据API RP 2SK中Holding Power of Anchoring System的规范，系泊缆索的最大张力不得超过断裂强度的60%，也就是说，在检验锚固能力的时候，安全系数应该在1.67以上^[7]。

安全系数公式为：

$ S=\frac{{P}_{B}}{{T}_{{\mathrm{max}}}}。$

(1)

式中：$ {P}_{B} $为系泊缆额定破断载荷，kN；$ {T}_{{\mathrm{max}}} $为系泊缆最大张力，kN。

代入公式计算，4种海况下各系泊安全系数最小值是4，均大于规定值，在给定的海况下可安全系泊。同时，大的安全系数也意味着材料的浪费，可以进一步优化调整系泊系统进行控制。

2.2 动力响应

通过时域模拟获得运动进入稳定状态后的响应值，并取运动稳定段进行分析^[8]。图5为海况1下圆筒形FPSO的纵荡和垂荡动力响应曲线。

圆筒形FPSO重心运动偏移量最大值统计见表4。

总的来说，各海况下，不同波高对于横荡、垂荡、横摇的影响变化不大；然而，波高的变化会影响纵荡、纵摇和艏摇自由度运动响应的幅值，波高增大运动幅度增大；同样，风速的增大运动幅度也增大。通过分析发现该圆筒形FPSO的水平运动最大值在工作水深的5%，垂向运动幅度在±1 m以内，摇摆运动幅度在±3°以内，圆筒形FPSO的运动响应幅度在结构设计上是合理的。

2.3 外型优化

在圆筒形FPSO的基础上保留主体，在扩展筒体分别设置4个阻尼孔。海水可由阻尼孔进入延伸筒体，起到增加整体结构附连水质量的作用，增加垂向阻尼。阻尼孔位置如图6所示。阻尼孔直径取1 m延伸进筒体10 m，选取海况4讨论其运动性能。

分析对比添加阻尼孔之后和不添加阻尼孔之前的运动响应，通过表5数据发现总体数值都有明显变化，增加阻尼孔的圆筒形FPSO运动性能优于没有增加阻尼孔的圆筒形FPSO。根据计算结果，结合工程生产的经济要求，对减缩结构进行合理优化具有一定的实用价值。

3 结　语

研究表明，圆筒形FPSO在6个自由度上的运动响应可以避免波能集中周期，首摇的附加质量曲线的总体呈先增大后减小的趋势；考虑环境工况与系泊系统，所做的时域运动分析表明：圆筒形FPSO系泊缆的安全系数均满足规范要求；该圆筒形FPSO的水平运动最大值在工作水深的5%，垂向运动幅度在±1 m以内，摇摆运动幅度在±3°以内，圆筒形FPSO的运动响应幅度在设计上合理。通过改变圆筒形FPSO的外型尺寸对其进行运动响应分析，得出外型尺寸的变化对运动性能的影响，可以结合工程生产的经济要求，对减缩结构进行合理优化。