张海燕

(中国船级社海工技术中心， 天津 300457)

海上移动平台和FPSO拖航阻力分析

张海燕

(中国船级社海工技术中心， 天津 300457)

该文列举了不同规范/标准中，海上移动平台和FPSO拖航时，对环境条件的要求及计算拖航阻力的经验公式。按照不同经验公式得到了自升式钻井平台和FPSO在静水中的拖航阻力值，并与试验结果进行了对比分析，结果表明，在航速大于4 kn时，按照CCS《海上拖航指南》中的经验公式，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度更快，剩余阻力起控制作用。采用经验公式和数值分析对自升式钻井平台、FPSO和半潜平台拖航波浪阻力进行了计算，结果表明，《海上拖航指南》经验公式计算的波浪阻力是最小的。

移动平台；FPSO；拖航阻力

0 引言

随着我国海洋石油开发的逐步深入，包括自升式钻井平台、半潜平台和FPSO在内的海上移动平台的数量在不断地增长。这些平台大多数都是非自航的，在从一个作业区到其他作业区时，需要船舶的拖带才能移动。选择合适的拖带船舶和拖曳设备的主要依据是拖航时平台在可能的最恶劣环境条件下所受到的阻力(即拖航阻力)，因此，拖航阻力的估算在平台管理中起着重要作用。

现阶段对海上移动平台、FPSO的拖航阻力进行了广泛的研究，各船级社也给出了拖航阻力的经验公式。侯林等[1]对一自升式平台进行了静水和不规则波作用下的拖航试验，得到了不同航速和有义波高时的拖航阻力值。杜庆贵等[2]对半潜式钻井平台的拖航阻力进行了数值模拟，得到了不同截面形式的拖航阻力。CCS也提出了拖航时对海上移动平台、其他海上设施、拖船、拖曳设备及索具的要求，并给出了计算拖航阻力的经验公式。

该文列举了不同规范/标准中有关移动平台、FPSO拖航时对环境条件的要求和计算拖航阻力的经验公式。按照不同公式计算自升式钻井平台和FPSO在静水中拖航阻力值，并与试验结果进行对比分析；采用经验公式和数值分析对自升式钻井平台、FPSO和半潜平台的波浪阻力进行计算；采用经验公式对自升式平台和半潜平台的流阻力进行计算，并和试验结果进行对比分析。

1 拖航环境条件

海上移动平台和FPSO在实际拖航中的环境条件远比计算拖航环境海况好得多，但在拖航过程中有可能遇到恶劣海况，因此，计算极端海况下的拖航阻力是能保证拖航安全的必要条件，并需充分考虑拖航时正常操作和紧急操作的要求，不同规范中计算拖航阻力的环境条件见表1。

表1 环境条件

注：在静水中拖航要求：移动平台拖航时，拖航速度不小于4kn；拖带半潜式平台，拖航速度不小于5 kn；具有自航能力的半潜式平台，拖航时若同时开动其推进主机，则其叠加拖航速度应不大于10 kn

2 静水中拖航阻力分析

2.1 分析方法

海洋平台和FPSO在静水中的阻力包括裸体阻力和附体阻力。裸体阻力包括摩擦阻力、粘压阻力(也称旋涡阻力)和兴波阻力。粘压阻力所占比重不大，且很难和兴波阻力分开，通常把粘压阻力和兴波阻力合并在一起称为剩余阻力。因此，在计算静水中拖航阻力时，仅需计算摩擦阻力和剩余阻力，必要时考虑附加阻力[3]。摩擦阻力仅与雷诺数有关，剩余阻力仅与傅汝德数有关。

(1) ITTC中的经验公式

由于在静水中拖航的速度不小于4 kn，海洋平台、 FPSO是在紊流中运动，可以使用ITTC中的公式计算摩擦阻力(以下简称“ITTC阻力”)。根据雷诺数变化范围，摩擦阻力按照式(1)、式(2)计算。

当雷诺数Re<2×107时，其摩擦阻力为：

(1)

式中：摩擦阻力系数CF呈指数分布，CF=0.074×Re-0.2；ρ为海水密度；V为拖航速度；S为被拖物湿表面面积。

当雷诺数Re>2×107时，其摩擦阻力为：

(2)

式中：CF为摩擦阻力系数，呈对数分布。大量的试验证明，当Re≥2×107时，ΔCF趋于固定值。据此，在傅妆德换算方法中，常取ΔCF=0.4×10-3作为实船粗糙度补贴。

(3)

式中：L为船长；ν为水的粘性系数(与温度有关)。

(2) 《海上拖航指南》中的经验公式

《海上拖航指南》中给出的摩擦阻力RF和剩余阻力RB的计算公式分别为[3]：

(4)

(5)

(3) 《Towing》中的经验公式

英国OPL出版的油田海船第四卷《Towing》，其摩擦阻力和剩余阻力按照式(6)、式(7)计算：

(6)

式中：F1为被拖物湿表面海生物生长状况系数。F1=0.3时，表面清洁无附着物；F1=0.4时，表面清洁有粘性物；F1=0.5时，表面有轻微的海生物；F1=0.6时，表面有轻微的海生物/小贝壳类附着物；F1=0.7时，表面有轻微的海生物/贝壳类附着物；F1=0.8时，表面有中等量的海生物/贝壳类附着物；F1=0.9时，表面有大量的海生物/贝壳类附着物/明显外凸表面。

(7)

式中：F2为被拖物拖曳设备配备的位置，对于平台一般选取0.8～1.0，船型一般选取0.3～0.5。

(4)模型试验

按照相似定律，确定模型和实物各个量之间的转换关系，制作海洋平台、FPSO的简化模型，在拖曳水池中做拖航模型试验，测量移动平台、FPSO的拖航阻力。

2.2 实例分析

对某自升式钻井平台(四个圆柱形桩腿)和FPSO拖航阻力进行分析，平台参数见表2。

表2 平台参数

2.3 计算结果分析

在温度为0℃、10℃和20℃时平台的雷诺数、按照不同经验公式计算的拖航阻力及试验测得的拖航阻力见表3、表4。根据表3、表4中给出的某自升式平台、FPSO在静水中拖航阻力可知：

(1) 使用ITTC中的经验公式得到的平台在静水中拖航阻力偏小，这是由于该公式仅计算摩擦阻力而没有考虑剩余阻力。因此，尽量不要使用这个经验公式计算海上移动平台和FPSO在静水中的拖航阻力。

(2) 对某自升式平台，模型试验得到的拖航阻力比《指南》和《Towing》中经验公式计算数值要大，且《Towing》中经验公式比《指南》中经验公式计算出拖航阻力大；对FPSO，模型试验得到的拖航阻力比《指南》中经验公式计算值要小，但比《Towing》中经验公式计算值要大。

(3) 《指南》中随着拖航速度的增加，剩余阻力随拖航速度呈指数增加，剩余阻力比摩擦阻力增大的速度更快，拖航阻力基本上是剩余阻力起控制作用。

表3 某自升式钻井平台静水中拖航阻力

表4 FPSO静水中拖航阻力

3 考虑环境条件拖航阻力分析

海洋平台和FPSO在静水中计算拖航阻力数值时，无论使用经验公式还是模型试验得到的拖航阻力值，都比在考虑环境条件下得到的结果小得多，尤其是在极端环境条件下的拖航阻力值。

3.1 风阻力

由于海洋平台和FPSO在上甲板以上构件较多，受风面积较大，致使风阻力占的比重较大。有时风阻力能达到波、流阻力之和的两倍(尤其是自升式平台)。各船级社和行业标准中均有计算风阻力的方法，风阻力的计算可参照参考文献[8]。

3.2 波浪阻力

波浪力的计算方法有模型试验、数值计算及经验公式，对不同船级的平台，选用不同方法，计算出的波浪阻力会相差很大。

3.2.1 计算方法

(1) DNV波浪阻力计算公式

波浪阻力随着拖航速度增加呈线性变化，计算公式为[4]：

(8)

式中：B11为波浪阻力阻尼。

在拖航速度为0时，波浪阻力简化如下：

(9)

式中：HS为有义波高；R为系数，对方形面R= 1.00，垂直圆柱R= 0.88。

(2)CCS波浪阻力计算公式

CCS拖航须知中波浪阻力的计算公式为[10]：

(10)

(3) 数值计算

在软件中建立平台模型，进行线性绕射理论分析，确定波浪阻力系数，波浪阻力按式(11)计算：

(11)

式中：WD(w)为方向分布函数；S(w)为波谱。

(12)

3.2.2 实例分析

对某自升式平台、FPSO和某半潜平台波浪阻力进行了计算，计算结果见表6。

表5 波浪阻力

注：半潜平台参数为：下浮体长L=104.5m，单个下浮体宽B=16.5m，下浮体高D=10.05m，拖航吃水d=9.75m。

3.2.3 计算结果分析

对自升式平台、FPSO和某半潜平台，CCS经验公式计算的波浪阻力最小，且远小于DNV经验公式和数值计算结果。而对于半潜平台和FPSO等大尺度结构物，尽量使用模型试验数据或软件计算结果更接近拖航的实际载荷。

3.3 流阻力

3.3.1 计算方法

通常采用以下做法计算拖航时的流阻力：(1) 在静水中1 kn拖航速度的拖航阻力记为1 kn流速产生的拖航阻力；(2) 使用风洞试验测得在水线以下构件的流阻力；(3) 按照式(13)～式(15)计算。 根据不同构件计算的流阻力的公式如下[11]：

(1) 首部或尾部流在有线型的船体上产生的力

(13)

式中：Fcx为首部的流力；Ccx为首部的流力系数；S为船体的湿表面积，包括附件；Vc为设计流速。

(2) 横向流在直线型的船体上产生的力

(14)

式中：Fcy为横向流力；Ccy为横向流力系数，Ccy=72.37N·S2/m4。

(3) 流在半潜式船体上产生的力

(15)

式中：Fcs为流力；Ccs为半潜式船体的流力系数；Cd为阻力系数(无量纲)；Ac为所有水下圆柱形构件总投影面积之和；Af为所有水下便平面的构件总投影面积之和。

计算作用在平台水下部分构件的海流载荷计算公式如下：

(16)

式中：CD为拖曳力系数。对于拖航自升式平台、半潜平台和FPSO等大尺寸结构物，CD由试验确定。

3.3.2 实例分析

按照方法1～3对某自升式平台和某半潜平台拖航流阻力进行计算，结果见表7。

表7 流阻力 单位：kN

注：计算半潜平台拖航流阻力时流为1 m/s。

3.3.3 计算结果分析

由表7可知，实验结果和经验公式计算结果相差较大。对半潜式平台，撑杆位置及尺寸对波浪阻力的影响较大，这与自升式平台体的计算是不同的。

4 结论

通过对海洋移动平台、FPSO拖航环境条件比较，及按照不同经验公式得到的自升式平台、FPSO和半潜平台拖航阻力值和试验结果进行对比分析，得出结论如下：

(1) 对拖航时极端环境条件，除了DNV要求1 m/s流速外，其它船级社和行业标准要求是一致的。

(2) 静水中拖航的波浪阻力经验公式计算结果与其他经验公式及模型试验结果相差很大。公式中拖航阻力仅为浸水部分船中横剖面积和航速的函数，缺少摩擦阻力系数对拖航阻力的影响，有待于通过模型试验进一步优化。

(3) 在考虑恶劣环境条件拖航时，经验公式计算的波浪阻力是最小的。可以通过模型试验和多元统计相结合的方法对经验公式进行修正，并针对海上移动平台、FPSO的结构特点，确定相应的影响系数。

(4) 目前，流阻力经验公式得到的结果和实验结果存在很大差异，有待于通过模型试验修正不同形式的移动平台、 FPSO流阻力的经验公式。

[ 1 ] 侯金林, 勾 莹, 谭越，等. 自升式平台拖航阻力试验研究[J]. 中国海洋平台, 2011, 26(6): 31-34.

[ 2 ] 杜庆贵,冯 玮, 宴绍枝，等. 半潜式钻井平台几类横撑形式的拖航阻力研究[J]. 中国海洋平台, 2011, 26(4): 41-46.

[ 3 ] 中国船级社. 海上拖航指南[S]. 2011.

[ 4 ] DNV. Modeling and analysis of marine operations[S]. 2011.

[ 5 ] DNV. Position mooring[S]. 2010.

[ 6 ] IMO MSC. Guidelines for safe ocean towing[S]. 1998.

[ 7 ] GL Noble Denton. Guidelines for marine transportations[S]. 2013.

[ 8 ] 中国船级社. 海上移动平台入级规范[S]. 2012.

[ 9 ] 沈浦根. 拖航阻力的分类与计算[J]. 航海技术, 2007, 29(2): 27-28.

[10] 中国船级社. 海上设施检验须知[S]. 1995.

[11] American Petroleum Institute. Recommended practice for the analysis of spread mooring systems for floating drilling units [S].1987.

Towing Resistance Analysis of Mobile Offshore Units and FPSO

ZHANG Hai-yan

(Offshore Engineering Technology Center of China Class Society, Tianjin 300457)

Towing requirements to environmental conditions and the towing resistance of experience formula of mobile offshore unit and FPSO are enumerated according to different rules and specification/standard. Towing resistance value of jack-up drilling unit and FPSO in the hydrostatic are obtained according to the different empirical formula and the experimental results. The results show that the residual resistance increases faster than frictional resistance at the speed of more than 4 knots in accordance with the CCS towing guide at the sea. Wave resistance of jack-up drilling unit, FPSO and semi-submersible unit are calculated using the empirical formula and the numerical analysis. The results indicate that wave resistance is least according to CCS towing guide at the sea.

mobile unit; FPSO; towing resistance

2014-12-19

张海燕(1978-)，女，高级工程师。

1001-4500(2015)05-0074-06

P75

A