0 引 言

系泊FPSO在海洋环境条件作用下的动力响应是直接影响系统安全和作业效率的重要技术问题。针对浅海边际油田的开发需要及传统FPSO的诸多不足^[1]，研究人员开发了一种稳性更好、水动力性能优良、更适合采用多点系泊的浅水新型FPSO IQFP(Inverted Fillet Quadrangular Frustum Pyramid Shaped FPSO，圆角倒棱台形FPSO)^{[1, 2, 3]}，并从浮体偏移量、系统回复力、系泊系统的方向稳定性、材料用量、系泊半径和系缆质量等方面研究了钢制悬链线式和聚酯缆张紧式多点系泊系统的静力特性，论证了张紧式多点系泊系统适用于浅水IQFP的优势，并给出了初步优化的系泊系统设计方案^{[4, 5]}。

浅水特有的低频长波特性^[6]使浮体承受较大的一阶低频波浪力，对于回复刚度较小的钢制悬链线系泊系统，将导致大幅低频纵荡响应，并且浅水中悬链线效应不明显，使系泊性能大为降低；聚酯缆张紧式系泊系统凭借其较大的回复刚度、较高的强度-质量比及较低的成本等优点已被广泛应用于深海。目前，国内外有关浅水张紧式多点系泊系统的研究较少。因此，有必要进一步研究张紧式多点系泊IQFP系统在浅水海域的基本特性，并以此为基础进行优化设计。

笔者采用SESAM软件对浅水张紧式多点系泊IQFP系统进行时域耦合分析，研究其基本特性，并与悬链线系泊系统进行比较，给出了相应的结论和建议，以期为后续的系泊系统优化设计及张紧式多点系泊系统应用于浅水海域的相关研究提供参考。

根据胜利浅海边际油田生产需要设计的新型IQFP^{[2, 3, 4]}见图1。船体为圆角倒棱台形，采用双舷侧双层底结构，设计作业水深20 m，储油量约为1.3万t，处理液量700 m³/d，天然气处理能力6万m³/d，污水处理能力2 000 m³/d。其主要参数为： 主甲板尺寸45.0 m×45.0 m，型深18.0 m，倒棱台下边长37.0 m，设计满载吃水13.23 m，底板边长40.0 m，压载吃水8.0 m，型宽42.75 m。

图 1 IQFP侧视图 Fig.1 Side view of IQFP

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IQFP采用聚酯缆张紧式多点系泊系统，系缆采用锚链-聚酯缆-锚链3段式设计，分为4组，每组3根(见图2)，每根系缆总长约60 m，水平跨距55 m。系缆的主要技术参数见表1。

图 2 张紧式多点系泊IQFP时域耦合分析模型 Fig.2 Coupled time domain simulation model of taut multi-point mooring for IQFP

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为了进一步研究系泊系统的基本特性，考虑系泊系统的非线性影响及风、浪、流等环境力的多种组合情况，分别进行了完整系泊和单根系缆破断系泊在作业工况和生存工况下的时域耦合分析，得到了浮体运动和系缆张力的时历及相应的谱密度分布，并根据计算结果对浅水IQFP的系泊特性进行详细分析。

系泊系统主要用于有效控制结构的水平位移在一个合理范围内。系泊系统设计须遵循以下原则：

(1)工作海域百年一遇的最大水平位移需控制在30%的水深范围内^[7]；

(2)完整纤维材料张紧式系泊系统的系缆张力安全系数应大于1.83，1根系缆破断后的张力最小安全系数为1.38^[8]；

(3)由于聚酯缆的轴向刚度随张力变化，所以要根据分析目的的不同采用不同的刚度。例如，最小刚度用于计算浮体位移，最大刚度用于计算系缆张力。

IQFP作业海域的海况资料见表2。由于渤海海域属近海遮蔽海域，所以波浪谱选JONSWAP谱，谱峰因子取3，水深为20 m。

作业工况采用满载，生存工况采用压载。由于海洋环境力方向的随机性，2种工况各取6种风、浪、流的方向组合进行时域耦合计算，分析模型见图2，计算时间3 h，步长0.1 s。为了提高计算精度，每种工况随机选择3个不规则波进行求和平均计算。比较结果发现，在生存工况下，135°斜浪，风浪同向，与流成90°夹角时，12号系缆所受张力最大，为最危险工况。由于篇幅所限，所以仅给出该工况下的计算与分析结果。

通过计算，得到最危险工况下浮体6个自由度的运动响应时历曲线，其中，纵荡和垂荡的运动响应时历曲线见图3。表3为最危险工况下完整系泊和受力最大的单根系缆(12号)破断后的浮体运动响应计算结果。

图 3 浮体运动响应时历曲线 Fig.3 Time-history curves of vessel motion responses

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根据表3可知，对于完整的系泊系统，浮体的最大偏移幅值为3.44 m，为水深的17.2%；相对于完整的系泊系统，1根系缆破断后的系泊系统，浮体各向运动变化不大，浮体的最大偏移幅值为3.88 m，为水深的19.4%，偏移幅度均远小于规范要求的30%^[7]。完整系泊和破断情况下的浮体最大垂荡响应分别为1.94和1.99 m，不存在碰底的风险。

最危险工况下，张紧式系泊系统中受力最大系缆(12号)的张力-时历曲线见图4，12根系缆靠近系泊点端的张力计算结果见表4。

图 4 12号系缆的张力-时历曲线 Fig.4 Time-history curve of tension of the 12th line

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由表4可知，在完整系泊状态下，12号系缆张力最大，为8 557.62 kN，且受力最大点靠近浮体端，系缆破断力为21 000 kN，此时安全系数为2.45；12号系缆破断后，剩余各缆的张力都有所增大，其中11号系缆所受张力最大，为10 877.80 kN，安全系数为1.93。2种状态下各系缆张力均满足规范要求^[8]。

浮体纵荡和垂荡的运动谱密度曲线如图5所示。从图可以看出，在张紧式系泊系统作用下，浮体均表现出明显的波频运动特性，在0.50~0.60 rad/s范围内出现响应极值。悬链线系泊系统的纵/横荡运动存在明显的低频响应^[9]，但张紧式系泊系统的低频运动响应很微小，有效限制了由浅水一阶低频波浪力诱导的大幅低频运动响应，这说明张紧式系泊比悬链线系泊的系泊刚度更大，更容易控制浮体的水平偏移运动，系泊性能优良，进一步验证了张紧式多点系泊系统适用于浅水海域的优越性。

图 5 浮体运动响应谱密度曲线 Fig.5 Spectrum density curves of vessel motion responses

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通过对图4进行高低频分离，得到波频和低频张力-时历曲线，如图6所示。由图可知，张紧式系缆所受载荷中波频力和低频力所占比例几乎相同。在0~2 000 s时间内，12号系缆的最大张力为7 490 kN，其中，波频运动的张力为4 000 kN，占总张力的53.4%；低频运动的张力为3 490 kN，占总张力的46.6%。低频张力的变化幅度很小，说明系缆吸收低频范围内的能量很少。

图 6 12号系缆的频率分离张力-时历曲线 Fig.6 Time-history curves of the 12th line tensions separated by frequency

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通过进一步分析，得到12号系缆的张力谱密度，如图7所示。分析可知，系缆动力响应的能量集中分布在波频范围，与系缆的张力曲线特性一致。

图 7 12号系缆的张力谱密度曲线 Fig.7 Spectrum curve of tensions of the 12th line

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通过比较悬链线式和张紧式系泊系统的浮体偏移和系缆张力的计算结果(见表5)，进一步论证了张紧式多点系泊系统适用于浅水IQFP的优势。

根据表5可知，2种系泊方案均满足规范要求。但张紧式系泊系统浮体水平偏移的最大值和标准差均明显小于悬链线系泊系统，说明张紧式系泊系统具有较好的水平回复刚度，能更有效地限制系统的水平运动；张紧式系泊系统单根系缆的最大张力较小，说明张紧式系泊系统不仅回复力大，而且能很好地控制单根系缆的受力，系泊性能更加优良。

(1)浮体的偏移和系缆的张力都符合规范要求，且浮体的最大水平偏移量较小，系泊回复刚度较大，可方便简化后续立管系统的安装作业，从而使输油/气的时间和成本更具优势。

(2)与悬链线系泊系统相比，张紧式系泊系统单根系缆的最大张力较小，说明该系统不仅回复力大，而且能很好地控制单根系缆的受力，系泊性能更加优良；各工况下张紧式系泊系统的各系缆受力均匀，最大载荷相差较小，说明在动力载荷作用下，张紧式系泊系统仍表现出良好的方向稳定性。

(3)通过进一步的谱密度分析发现，张紧式多点系泊小型IQFP在渤海百年一遇环境条件下，浮体的运动响应主要集中在波频范围内，低频响应很微小。张紧式多点系泊系统有效限制了由浅水一阶低频波浪力诱导的大幅低频运动响应，系泊性能优良，进一步验证了其适用于浅水海域的优越性。