單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力響應(yīng)特性分析

蘇方磊，馬小舟，馬玉祥（大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

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單點(diǎn)系泊系統(tǒng)系泊力響應(yīng)特性分析

蘇方磊，馬小舟，馬玉祥
（大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

摘要：為了得到單點(diǎn)系泊油輪在淺水域的安全裝載方案，通過水平剛度物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到了系泊系統(tǒng)剛度的影響參數(shù)，通過風(fēng)浪流聯(lián)合作用工況試驗(yàn)得到軟剛臂水平系泊力響應(yīng)。對(duì)船體吃水與軟鋼臂壓載艙重的工作參數(shù)對(duì)水平系泊力的影響進(jìn)行了分析。進(jìn)一步地，對(duì)淺水不規(guī)則波的周期、非線性及低頻等特征參數(shù)對(duì)系泊力的影響進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊；剛度；水平系泊力；不規(guī)則波

引 言

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為目前海洋油氣開發(fā)的主流設(shè)施。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)包括浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)（FPSO）和系泊系統(tǒng)（SPM）。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)一般根據(jù)作業(yè)水深選擇系泊方式，隨著我國近海淺水油氣田的開發(fā)，越來越多FPSO及FLNG將系泊工作于淺水域，軟鋼臂單點(diǎn)系泊方式在淺水域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯［1］。本研究目的是根據(jù)目標(biāo)海域海況條件和作業(yè)要求，合理選擇儲(chǔ)油輪及系泊系統(tǒng)相關(guān)工作參數(shù)。這些參數(shù)與系泊系統(tǒng)剛度許多特性因素密切相關(guān)，其中最重要的是反映系泊力的大小［2］。系泊塔水平系泊力對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的安全工作性能影響很大，其相對(duì)海底的極大傾覆力矩會(huì)導(dǎo)致系泊塔傾倒，一旦FPSO解脫系泊，將會(huì)造成極其惡劣的后果［3］。因此，本研究主要關(guān)注單點(diǎn)系泊系統(tǒng)水平系泊力的響應(yīng)特性。

本研究基于在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)，對(duì)軟鋼臂單點(diǎn)系泊FPSO水平系泊力的各種影響參數(shù)進(jìn)行了分析。港池總體布置如圖1中所示，水池有效使用尺寸為40 m×24 m×1.0 m，模型縮尺比為1：50。FPSO船通過一套水上軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)由系泊塔、軟剛臂和系泊腿構(gòu)成，F(xiàn)PSO通過船艏支架與軟剛臂的系泊腿鉸接相連。定義風(fēng)浪流向角 0°為船尾流向船艏，定義 180°為船艏迎浪。船體六自由度運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系符合右手定則，坐標(biāo)軸方向如圖1中所示。本研究涉及的波浪、風(fēng)和流的方向角組合包括EC-1的180°風(fēng)浪流同向與EC-2 的180°浪135°風(fēng)90°流，如圖1所示。水池整體循環(huán)造流系統(tǒng)可以提供均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)，；并排軸流風(fēng)機(jī)組可以提供覆蓋海洋工程工作區(qū)域的穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)。通過液壓伺服推板式造波機(jī)可以模擬不規(guī)則波浪，造波采用合田良實(shí)改進(jìn)的JONSWAP型譜［4］。

圖1 港池總體布置

我國渤海海域平均水深僅為 18 m左右，而FPSO滿載吃水多達(dá)十幾米。因此淺水系泊 FPSO必須減載作業(yè)。研究表明，淺水中系泊FPSO的運(yùn)動(dòng)與水平系泊力響應(yīng)會(huì)增大［5］。因此，通過選擇合適的生產(chǎn)系統(tǒng)與系泊系統(tǒng)的工作參數(shù)組合，可以顯著提高FPSO的安全工作性能。

本研究針對(duì)水上軟鋼臂的單點(diǎn)系泊方式，通過數(shù)值模擬與水平剛度試驗(yàn)對(duì)系泊系統(tǒng)的剛度特性進(jìn)行了擬靜力分析。對(duì)波浪的特征參數(shù)對(duì)水平系泊力響應(yīng)的影響作了深入探討。通過控制變量方法，對(duì)風(fēng)浪流聯(lián)合工況試驗(yàn)的系泊力響應(yīng)影響因素進(jìn)行了敏感性分析。

1 水平剛度特性分析

在系泊FPSO運(yùn)動(dòng)與載荷特性優(yōu)化技術(shù)方面，軟鋼臂系泊系統(tǒng)的水平剛度擬靜態(tài)分析是動(dòng)力分析的基礎(chǔ)，它可以為動(dòng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些重要參數(shù)的相關(guān)信息［6］。

1.1 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模型的優(yōu)點(diǎn)在于方便調(diào)節(jié)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。軟鋼臂系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式如圖2（a）所示。

圖2 系泊系統(tǒng)工作原理

圖中：A是系泊塔與縱蕩搖臂連接點(diǎn)，B是系泊腿與壓載艙鉸接點(diǎn)，C是系泊腿與船艏支架鉸接點(diǎn)，W1為軟鋼臂結(jié)構(gòu)重量，W2為壓載艙重量，W3為壓載艙重量，L1為軟鋼臂結(jié)構(gòu)重心到縱搖軸承A距離，L2為壓載艙重心到A距離，L3為軟鋼臂系泊腿長度，L4為系泊腿轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)B到縱搖軸承A距離，H1為縱蕩搖臂到海底距離，H2為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)C到海底距離，H為H1和H2的高差。靜水中FPSO處于平衡位置，當(dāng)環(huán)境力作用于儲(chǔ)油輪的艏部時(shí)，儲(chǔ)油輪向遠(yuǎn)離系泊導(dǎo)管架方向移動(dòng)，達(dá)到最大位移后，系泊系統(tǒng)將依靠壓載艙重的作用將儲(chǔ)油輪拉回到初始的平衡狀態(tài)［2］。FPSO遠(yuǎn)離系泊塔系泊系統(tǒng)的擬靜態(tài)受力分析如圖2（b）所示。

將W2、H、L3和L4作為控制變量，計(jì)算在水平系泊力設(shè)計(jì)荷載460 t時(shí)船體偏離平衡位置的位移量，由此衡量水平系泊力對(duì)各參數(shù)的敏感程度。水平剛度 K=Fcx/X，當(dāng)系泊力一定時(shí)，位移越大則剛度越小。如圖3所示，當(dāng)W2變化量為15 %時(shí)，平均位移變化量為6.1 %；當(dāng)H變化量為15 %時(shí)，平均位移變化量為1.2 %；當(dāng)L3變化量為15 %時(shí)，平均位移變化量為13.6 %；當(dāng)L4變化量?jī)H為15 %時(shí)，平均位移變化量高達(dá)58.9 %。

圖3 水平剛度數(shù)值模擬結(jié)果

對(duì)軟鋼臂系泊FPSO的水平剛度進(jìn)行分析，得到壓載艙重等參數(shù)與系泊塔水平系泊力之間的相關(guān)性，這些相關(guān)關(guān)系可為結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步的動(dòng)力響應(yīng)分析提供參考。由圖3可知，影響系統(tǒng)剛?cè)岢潭鹊膬?yōu)先考慮因素依次為L4、L3、W2和H。實(shí)際應(yīng)用過程中往往利用既有設(shè)備進(jìn)行改造，系泊腿長度L3和鋼臂長度L4為不可調(diào)節(jié)因素；而高差H可通過改變 FPSO的吃水進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓載艙重W2可通過改變注入壓載水重調(diào)節(jié)。水平剛度反映了系泊塔水平系泊力的大小，在進(jìn)行水平剛度物理模型試驗(yàn)應(yīng)重視以上因素。

1.2 模型試驗(yàn)

圖4 水平剛度物模試驗(yàn)結(jié)果

在水深 16.3 m港池中，進(jìn)行軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO水平剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與圖2中類似。運(yùn)用控制變量方法，調(diào)節(jié)FPSO的吃水以及壓載艙重得到的位移—受力水平剛度曲線分別如圖4所示。可得到如下結(jié)論：系泊塔水平剛度隨著吃水的增加而減小；水平剛度隨著軟剛臂壓載艙重的增加而增加。

2 工作參數(shù)對(duì)系泊力響應(yīng)的影響

敏感分析以16.3 m水深中，F(xiàn)PSO吃水6 m及壓載艙重360 t的工況為基準(zhǔn)，研究各參數(shù)改變對(duì)系泊塔水平系泊力響應(yīng)的影響。

2.1 吃水改變

EC-1與EC-2環(huán)境工況中系泊塔有義系泊力與最大系泊力隨吃水的變化規(guī)律如圖5所示，可以看出，系泊塔的水平系泊力隨著吃水的增大而減小。

圖5 不同吃水的水平系泊力

2.2 壓載艙重改變

EC-2環(huán)境工況中系泊塔有義系泊力與最大系泊力隨軟鋼臂壓載艙重的變化規(guī)律如圖6所示，可以看出系泊塔的水平系泊力隨著壓載艙重的增大而增大。

圖6 不同壓載艙重的水平系泊力

3 不規(guī)則波特征參數(shù)對(duì)系泊力響應(yīng)影響

3.1 波浪周期

波浪作為引起系泊浮體振動(dòng)的最主要因素，其相關(guān)特征對(duì)系泊力相應(yīng)的影響很大［7］。在EC-1風(fēng)浪流同向作用工況中，增加來浪的譜峰周期約8 %，同時(shí)減小來浪的波高，系泊塔水平系泊力隨波浪周期的變化規(guī)律如表1所示，可以看出雖然波浪的有效波高減少，但是系泊力仍隨波浪周期增大而增大，這說明軟剛臂單點(diǎn)系泊FPSO的系泊力響應(yīng)對(duì)波浪的周期非常敏感。

表1 周期不同的試驗(yàn)工況

3.2 波浪非線性

圖7 不同Ur數(shù)的水平系泊力

淺水中波浪的非線性會(huì)增強(qiáng)，波浪的非線性對(duì)系泊FPSO的系泊力響應(yīng)影響很大。Ur數(shù)是衡量波浪非線性強(qiáng)弱的重要參數(shù)，定義［8］如下：

Ur數(shù)綜合考慮了水深、周期與波高因素對(duì)波浪非線性的影響。對(duì)不同波高、周期及水深的工況中的實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求出各工況波浪Ur數(shù)，分析其與系泊塔最大系泊力之間的關(guān)系如圖7所示。

3.3 波浪低頻特性

圖8 不同水深的波浪能量譜

研究表明，淺水波的低頻成分會(huì)FPSO的運(yùn)動(dòng)與系泊力響應(yīng)增大［9］。對(duì)造波系統(tǒng)輸入相同的目標(biāo)譜參數(shù)，由圖8可以看出，隨著水深變淺，不規(guī)則波在低頻范圍的能量成分會(huì)增強(qiáng)。

系泊塔水平系泊力隨水深變化如表2所示，可以看出，隨著波浪的低頻成分增加，系泊塔的水平系泊力明顯增大。

表2 水深不同的水平系泊力試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

船體吃水與軟鋼臂壓載艙重對(duì)軟鋼臂系泊系統(tǒng)的水平剛度影響很大，風(fēng)浪流聯(lián)合作用工況試驗(yàn)結(jié)果表明：FPSO吃水越大，系泊塔水平系泊力越小；軟鋼臂壓載重越大，系泊塔水平系泊力越大。

軟鋼臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)水平系泊力對(duì)波浪的周期較為敏感。淺水波浪的非線性與低頻成分越強(qiáng)，則系泊塔水平系泊力越大。應(yīng)用本研究的相關(guān)結(jié)論可為工程實(shí)際提供一些參考

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Analysis of Mooring Force Response Characteristics of Single Point Mooring System

Su Fanglei， Ma Xiaozhou， Ma Yuxiang
（State Key Laboratory of Costal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116023， China）

Abstract：In order to complete safe loading solutions for a tanker berthing by adopting single point mooring method in shallow water， firstly a physical model test of horizontal stiffness is combined with numerical simulation to get the influence parameters for the stiffness of mooring system， and the work condition under the combined action of wind， wave and current is tested to obtain the horizontal mooring force response of mild steel beam.Secondly， the influence of working parameters on the horizontal mooring force is analyzed， which involve the draught of ship hull and ballast weight of mild steel beam.At last， a discussion is made to study the mooring force being affected by the characteristic parameters of irregular wave in shallow water， i.e.period， nonlinearity and low frequency etc.

Key words：single-point mooring； stiffness； horizontal mooring force； irregular wave

中圖分類號(hào)：U653.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）02-0046-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160212

收稿日期：2015-05-02

作者簡(jiǎn)介：蘇方磊（1990-），男，碩士，主要從事海洋環(huán)境因素及海洋實(shí)務(wù)對(duì)結(jié)構(gòu)物作用的研究。