OTC 7698
甲板上浪对FPSO设计的影响
B Buchner，荷兰海事研究所
版权所有1995海上技术会议
本文于1995年5月1日至4日在美国德克萨斯州休斯顿举行的第27届OTC年会上发表。
这篇论文是由OTC计划委员会在审查了作者提交的摘要中所包含的信息后选定提交的。如所述，该论文的内容未经过海上技术会议的审核，须要作者对其进行更正。所提出的材料不一定反映海上技术会议或其干事的任何立场。允许复制的摘要不超过300字。插图不得复制。摘要应该包含对论文的地点和作者的明显确认。
摘要
对于风向转塔式系泊FPSO的生存条件，船首总是暴露在波浪作用下。当波浪到达干舷以上时，会产生大量的甲板涌浪。这可能会对船首的敏感设备造成损坏，如流体转向器、管道、转塔结构和化学品储存品。同时考虑到几种新设计中将住宿上层建筑放置在船艏的转塔前方的趋势，通过一系列的模型试验，指出了甲板上浪对FPSO设计的影响在未来将变得更加重要。
在一系列模型试验的基础上，本文介绍了甲板上浪载荷对FPSO机组的各个方面的影响。首先描述了所产生的现象，其次着重分析了波高、波周期、流速等环境条件的影响。最后将会考虑船艏形状、设备在甲板上的位置和防波堤形状对设计的影响。
引言
对于船舶和海军舰艇来说，甲板上浪对上层建筑、甲板板、舱口和上层甲板设备的损伤是常见的现象。然而，用于预测甲板上浪或甲板湿度的方法数量有限。基于对护卫舰的模型试验，作者在[1]中表明，这些方法有时是基于可以质疑的假设。研究结果表明，开发或改进这类预测方法对于评估船舶在波涛汹涌的海面上的可操作性和安全性是必不可少的。
对于转塔式系泊FPSO，同样的结论是有效的。然而，与船舶或海军舰艇相反，永久系泊的FPSO在进入作业状态时不能改变航向或速度。因此，它们应该能够处理与这些极端条件有关的所有负荷。以往对系统安全性的研究一般局限于系泊载荷、低频运动行为及相关问题。然而，近年来由于撞击和绿水的冲击载荷已成为FPSO设计中一个更为重要的因素。由于这种类型的风向标系统的船首总是暴露在波浪作用下，因此船首的敏感设备会产生相当大的甲板涌浪负荷。因此，流体转向器、管道、转塔结构和化学储存会受到损坏。考虑到几种新型FPSO设计将住宿上层建筑置于转塔船首位置的趋势，未来甲板上浪对FPSO设计的影响将变得更加重要。
因此，本研究的主要目的是调查绿水发生和负荷的现象、问题和趋势。这将基于一个具有典型FPSO的广泛的模型测试系列来完成。本文对这一问题进行了探讨。在后面的阶段中，将重点介绍更详细的分析[2]和计算方面。
模型和仪器
模型
在模型测试中，采用了典型的160,000 tDWT FPSO，比例为1:60。在无纵倾的17.52米满载吃水下进行了试验。它的干舷为8.88米。没有艏楼，甲板上也没有拱起。在这一阶段，船艏周围没有设置防波堤，以避免增加水流的复杂性。虽然舷墙的作用还需要进一步的研究，但首次将目前的试验结果与过去的试验结果进行比较后发现，舷墙增加了干舷，但并没有显著改变甲板上的水流。船舶仪表化前甲板的示意图如图1所示。主要尺寸、重量数据和稳定性参数如表1所示。
图 1-仪器化的FPSO艏甲板
最初的油轮有一个几乎垂直的船首，没有过多的外飘(见图2横剖面图)。为了研究外飘对相对运动和甲板上浪的影响，做出一个在吃水线上方伴有显著外飘可互换的船首部件，这也在图2中虚线所示。
图 2-有和没有外飘的横剖面图
外飘对甲板形状也有影响，如图1虚线所示。如果没有特别说明，本文的结果指的是带有额外外飘的船首。
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总长 |
260.34m |
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型宽 |
47.10m |
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吃水（正浮） |
17.25m |
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干舷 |
8.88m |
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型深 |
26.40m |
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排水量 |
183053t |
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重心水平高度 |
14.22m |
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重心向艏距中距离 |
6.72m |
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回转半径 |
65.1m |
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纵摇周期 |
11.0s |
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升沉周期 |
11.3s |
表格 1-16万吨级FPSO的主要尺寸
为了模拟转塔防护楼或上层建筑，设计了一种带有仪器的垂直墙。它的高度为20米，宽度为15米，如图3所示。
仪器与测量
本模型采用了多种不同的传感器。参考图1和图3，传感器将在下面进行描述。
垂直和水平波阻探头用于测量相对运动(R1-R7)、甲板上的流速(RV1-RV3)、甲板上的水高度(H1-H10)和甲板上的水流速度(HV1, HV2)。这种探头在水平方向上的应用是新的。经过时间分异，可以很好地测量甲板上海水的重要流速。
对于力(F2-F4)，使用一个连接到刚性轴向力传感器上的面板。这些测量结果以面板总面积(5725 m3)上的综合压力表示。对于一个面板F1，在面板和换能器之间安装一个弹簧，研究结构柔性对冲击的影响。这项分析的结果将在稍后阶段提出。本文将利用刚性换能器的测试结果。
压力传感器P1和P2是基于硅的应变式高频局部压力传感器。P1位于柔性力板F1的中心位置。
以2100Hz的采样频率记录力和压力信号，而用150Hz记录所有其它信号。所有的测量值都按Froude比例缩放到全比例值。
本文将受力板(F2-F4)上的综合压力用作设计值，而不是来自压力传感器(P1, P2)的局部压力。这是从结构的角度来做的。实际结构应该能够处理板场上的综合压力，虽然局部可能出现较高的压力，但综合压力将决定结构对冲击的响应。
图 3-甲板结构示意图
试验测试和程序
系泊FPSO的试验结果表明，在风、浪、流共同作用的条件下，船首处的上浪最严重。因此，决定将目前的调查限于艏波。
为使入射波与舰船性能之间具有恒定的相位关系，并与未来的数值模拟结果进行比较，决定在理论试验中对舰船的纵荡运动进行限制。这是通过将模型通过带有滚子轴承的垂直圆柱连接到盆架上完成的。这个圆柱体在重心处与模型连接。在实际设计试验中，FPSO总是与系泊系统或等效水平软弹簧系统相连接，以便在试验过程中具有正确的低频特性。如果采用最后一种技术，还可以更好地模拟系泊系统的垂直刚度和重量，包括其对纵摇和升沉运动的影响，估计约为4%[3]。
风对甲板上浪没有影响，只对水雾有影响。因此，在本实验中没有对风进行模拟。
大多数试验是在没有流速的情况下进行的。然而，水流的影响可以通过牵引模型与箱体通过耐波性试验水池来研究。
试验在规则波和不规则波中进行。规则波周期为12.9秒或11.2秒，导致深水波长分别等于船长(AIL = 1.0)和船长(AIL = 0.75)的四分之三。第一个谐波的高度等于17.18米(12.9秒)和17.3米(11.2秒)。为了调查波高变化的敏感程度,重复使用了11.2秒的波，变化高度为15.76米和14.64米。在水流速度为2.0m/s的情况下，对周期为11.2秒的规则波进行校准。
在不规则波中，试验在JONSWAP谱中进行，显著波高为13.5 m，峰值周期为12.9 s。其峰值放大系数y = 3.3。试验以2.0 m/s的电流和不以2.0 m/s的电流进行，历时2小时。
耐波性试验水池满尺度水深达150米的。
观测现象
为了研究甲板上浪的负荷变化趋势，了解这一复杂过程中所发生的现象是很重要的。在[1]中发现，目前的许多预测方法都是基于对可能出现的问题现象的假设。下面的例子可以提到：
——甲板上的水高度等于船头附近相对波浪运动超过干舷的高度[4]。
——甲板上的水压等于静水压[4]，或等于经甲板垂直加速度修正后的静水压[5]。
——落在甲板上的水视作破波[6]。
——甲板上海水的速度等于入射波的轨道速度或相位速度。
——线性船舶运动理论可用于确定甲板上浪的发生。
在[2]中，考虑到目前模型试验的结果和在[1]中的发现，将更详细地讨论这些方面。例如，在[1]中，甲板上的压力不仅是由经甲板垂直加速度修正后的静压引起的。此外，甲板水高的增长率和甲板垂直速度也起着重要作用。
结果表明，甲板上总压力可表示为:
第一项为甲板垂直加速度修正后的静压力，第二项为甲板水高变化率的影响。
本文更多地关注FPSO的甲板上浪的负载设计方面，但为了更好地理解这些方面，有必要对这些现象进行简要描述。
一般来说，甲板上浪的发生可以按照以下事件顺序进行分解：
1.波浪相对运动在干舷之上
2.甲板上的水流运动
3.甲板上的浅水波流动
4.水流抨击结构
下面将描述这四个阶段。
船舶运动和相对运动
在[1]和[2]中，船艏周围的相对运动通常被看作是甲板上浪问题的输入，水平和垂直相对速度也发挥着重要作用。
具体运动可由局部绝对波运动减去局部垂直运动，计算公式为:
局部绝对波运动是由于入射波未受扰动而产生的波，与存在和运动引起的反射波和辐射波相结合而产生的波。在艏波中，船舶的局部绝对运动是由船舶的纵摇运动和升沉运动引起的。由式2可知，当局域波运动和局域绝对运动较大且在不同相位时，相对运动最大。这种情况通常发生波浪频率刚好高于纵摇运动响应的峰值。
目前，相对运动的计算一般是基于线性衍射分析。在该理论中，假定每个频率的相对运动幅值与入射波幅值之间的关系可以在频域中表示为响应幅值算子H(w)。
为了研究这种线性假设在极端情况下是否成立，用DIFFRAC程序计算了船舶的线性运动和相对运动并与现有模型试验结果进行了比较。
图4为不规则波中升沉、纵摇和相对运动的实测和计算RAO值。
图 4-不规则波中升沉、纵摇和相对运动的实测和计算RAO值
另一种确定船舶运动和相对运动是否可以被认为是线性的方法，是通过检查其波峰和波谷在不规则海况中的分布。
。
图 5-原始船艏和带有外飘的船艏升沉、纵摇和相对运动的瑞利分布点。对相对运动也给出了水流的分布。
Ochi[4]应用高斯分布波线性相对运动响应的假设，推导出某值R超过P的概率表达式：
在瑞利分布图上，超限的概率可表示为一条直线。图5示出了测得的波峰分布，以及基于在应用的海况中测量和计算的显著值的理论直线。
根据图4和图5的结果，我们似乎有理由得出这样的结论，即升沉运动和相对运动的实测和计算RAO值与曲线性质的RAO值之间存在相当大的差异。在[2]中，瑞利曲线指向相当多的非线性点，这些非线性的原因将被更详细地讨论。将会关注静水线以上船首形状的影响，以及线性理论中有限波高假设的其他方面，例如甲板边缘以上相对波的行为。在本文中，我们限制自己的观察，使用线性假设的有效性在输入的甲板上浪问题是有限的。
甲板上的流动
由于其复杂性，甲板上的水流是研究绿色水问题的一个重要方面。例如，在目前的模型试验和[1]报告的试验中，发现未扰动波的轨道和相速度与甲板上的水流没有直接关系。这些方面，再加上波的反射和辐射的影响，只能被看作是这个复杂流动问题构建中的次要因素。
甲板上的流动也不能被看作是破浪问题，这需要首先观察水流的运动。
为了直观地研究水流，决定在船头前船的中心线处放置一个薄板，这样就不会干扰波浪和船的运动。在板上绘制了一个宽5.0米、高5.0米的参考框架进行分析。利用船舶固定摄像机进行记录，可以分析船舶固定相对波廓随时间的变化规律。
图6显示了周期11.2 s波高17.3 m的规则波的结果。波的轮廓线以0.25秒为单位给出。
图 6-水以周期11.2秒的规则波流到甲板上。波线每025秒给出一次。
可以分解为以下步骤：
t=0.0s
纵摇角度处于其最大值，并且在船首前方存在几乎垂直的水壁，这个水壁的水平速度几乎为零。
t=0.5s
水流的垂直壁平移到甲板上并开始显着弯曲，就好像它要开始破裂。
t=0.75s
然而，由于甲板上较大的等效静压力，靠近甲板的水开始加速阻碍其破碎。
t=1.25-1.50s
高速水流喷射在甲板上。
在这个过程中，短(非线性)反射波和辐射波从入射长波顶部的船艏缓慢传播，见
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资料编号：[734]
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