超大型FPSO碼頭系泊設計分析

徐田甜

中國海洋石油國際有限公司，北京 100028

超大型FPSO（浮式生產儲油卸油裝置） 是海上油田開發的重要工程設施。FPSO 船體建造或改造完工下水后，通常要在碼頭系泊，在碼頭附近安裝上部模塊、管廊模塊和火炬塔，進行舾裝、調試和試驗等。FPSO 在碼頭系泊的工期通常長達1 ～2 年，系泊期間可能遭遇臺風等極端惡劣天氣，造成經濟損失和人員傷亡[1]，如果系泊采用過多的系纜則會增加FPSO 的工程成本，增加碼頭規劃和建設、系泊作業、應急管理的難度，影響碼頭的物流和起重等作業，影響FPSO 的工程進度。因此，FPSO 碼頭系泊設計既要保證安全，又不能冗余過多，有必要對FPSO 碼頭系泊進行水動力分析和模型試驗，優化碼頭系泊設計。目前已有相關的企業標準，針對有掩護和開敞式的離岸式碼頭分別給出了碼頭系纜拉力標準值設計方法[2-3]；一些工程公司對超大型FPSO 的碼頭系泊系統進行了優化設計和標準化。

1 碼頭系泊總體方案

超大型FPSO 的舷外通常有各種泵、立管、電纜、系泊、油氣外輸和靠泊登船等設施，FPSO 碼頭系泊時需考慮防止舷外設施與碼頭發生碰撞，通常采用島式碼頭系纜布置方案[4]，即在FPSO 船體與碼頭之間布置駁船，駁船與FPSO 船體之間連接系泊纜，駁船在FPSO 船體與碼頭之間傳遞載荷，起到保護FPSO 舷外設施的作用[5]。島式碼頭系泊使整個FPSO 非線性、多重耦合系泊系統的響應特性復雜化[6]。

以一艘深水超大型FPSO 為例，船體型長×型寬 × 型深尺寸為 330 m × 61 m × 33.5 m，共設 18座上部模塊、8 座管廊模塊和1 座火炬塔[7]。FPSO船體在東亞某船廠的干船塢建造完工下水后，在船廠的碼頭A、B、C 共系泊17 個月，陸續完成12座上部模塊、管廊模塊和火炬塔的安裝、船艙裝載強度試驗、舾裝、調試后，遠洋拖航至西非的新建總裝船廠碼頭D 系泊7 個月（見圖1），完成6 座上部模塊的安裝、舾裝、調試、傾斜試驗后，拖航出海安裝。FPSO 碼頭系泊總體方案見表1。FPSO與碼頭之間的駁船主要參數見表2。FPSO 與駁船之間的碰墊型號為NV 600H 型橡膠護舷[5]，護舷的許用碰撞力為632 kN。碼頭與駁船之間的橡膠護舷碰墊主要參數見表3。

圖1 FPSO 在總裝碼頭D 系泊

表1 FPSO 碼頭系泊總體方案

表2 FPSO 與碼頭之間的駁船主要參數

表3 碼頭與駁船之間的碰墊主要參數

2 碼頭系泊荷載

FPSO 碼頭系泊主要承受風、浪、流環境荷載，環境條件參數采用了港口碼頭的水文、氣象統計數據，并得到石油公司、船級社和海事保險機構的共同認可。在新建總裝船廠碼頭D 建設期間進行了1年的環境條件監測。為了準確計算風、流荷載，在詳細設計階段進行了FPSO 模型風洞試驗，模型幾何比尺為1 ∶225，見圖2。

2.1 風荷載

圖2 FPSO 模型風洞試驗模型

碼頭系泊分析采用海面以上10 m、10 min 持續風速，風荷載作用于FPSO 水上受風面積的中心，主要參數見表4。

根據石油公司國際海事論壇（OCIMF） 規范，FPSO 受到的縱蕩方向風力Fxw、橫蕩方向風力Fyw分別為：

式中：風荷載系數Cxw、Cyw根據風洞試驗結果選取（見圖 3）；ρw為空氣密度，kg/m3；Vw為風速，m/s；Ax、Ay分別為FPSO 的縱向、橫向受風面積，m2，見表5。

表4 FPSO 碼頭系泊風荷載主要參數

圖3 FPSO 風荷載系數

表5 FPSO 碼頭系泊受風面積

2.2 浪、流荷載

FPSO 碼頭系泊時會受到一階波浪力和二階慢漂力，一階波浪力會引起FPSO 的周期性搖蕩，但不會改變FPSO 的位置和艏向；二階慢漂力對系泊系統受力影響最大，會使FPSO 偏離初始位置。

碼頭系泊分析主要考慮風成波，采用ISSC（國際船舶結構會議） 不規則波波譜，各工況的風、浪、流始終同向，荷載方向區間0° ～360°，步長15°。FPSO 系泊碼頭D 受特殊地形、水文特征影響，除了考慮風成波以外，還考慮了從外海來的反射膨脹波。反射膨脹波的方向始終與碼頭前沿邊平行。FPSO 系泊的4 處碼頭均為高樁碼頭，上部高出水面，下部為樁基結構，波浪和海流可在碼頭下通過，因此忽略波浪反射[8]。碼頭系泊分析采用MOSES 軟件，按照波浪力的脈沖響應函數和波浪波面高函數計算FPSO 船體上受到的一階波浪力和二階慢漂力。FPSO 碼頭系泊時浪、流荷載主要參數見表6。

表6 FPSO 碼頭系泊時浪、流荷載主要參數

根據OCIMF 規范，流荷載作用于FPSO 船體水下濕表面積的中心時，FPSO 受到的縱蕩方向流力Fxc、橫蕩方向流力Fyc分別為：

式中：流荷載系數Cxc、Cyc根據風洞試驗結果選取（見圖4）；ρc為海水密度，kg/m3；Vc為海流流速，m/s；LBP為 FPSO 的垂線間長，m；T 為 FPSO 的碼頭系泊狀態吃水，m。

圖4 FPSO 流荷載系數

2.3 過往船舶的影響荷載

總裝船廠碼頭D 臨近大型港口的進出港航道，故FPSO 系泊碼頭D 時還會受到過往船舶的船行波的影響；船行波會引發FPSO 的搖擺運動，增大系泊纜繩的拉力。碼頭系泊分析采用Flory-Remery方法[9]，將船行波的影響計算為力和力矩作用在FPSO 上。

碼頭系泊分析考慮的最大噸位過往船舶為4496 TEU 型集裝箱船，船體型長×型寬×吃水尺寸為250 m×36 m×13.6 m，滿載排水量為7 萬t。航道水深為14 m，集裝箱船航速為8 kn，集裝箱船與FPSO 的最小間距為190 m，航向與FPSO 縱向垂直。集裝箱船的船行波對FPSO 產生的最大縱蕩力、最大橫蕩力及最大艏搖力矩計算結果分別為372 kN、1 719 kN 和 134 834 kN·m。

3 碼頭系泊分析

FPSO 和駁船系泊在碼頭邊，由橡膠護舷和系泊纜約束，它們對FPSO 和駁船的約束均是非線性的；碼頭系泊分析采用MOSES 軟件的非線性時域耦合和準靜態分析方法求解。碼頭系泊分析中，系泊纜的最大預張力設為纜繩許用拉力的10%。為了控制FPSO 上的帶纜樁數量和系泊纜繩直徑，以控制FPSO 船體和系泊纜繩的自重質量，采用了在FPSO 的某些帶纜樁上同時系泊兩根纜繩的設計方案（見圖1）。

本文僅闡述兩種典型的碼頭系泊分析工況：FPSO 在碼頭A 系泊的百年一遇臺風工況和FPSO在碼頭D 系泊的正常作業工況。FPSO 在碼頭A 系泊的百年一遇臺風工況是確定系泊纜和碰墊設計選型的控制性工況，其分析模型見圖5（a）；駁船B1 和駁船B2 串聯系泊于FPSO 右舷的供應船靠泊區[5]。FPSO 在碼頭D 系泊的正常作業工況要保證碼頭舾裝起重機的作業空間和效率，盡量減少FPSO 中部的系泊纜數量，其分析模型見圖5（b）；駁船B3 位于FPSO 船尾，此處為了系泊安全，在FPSO 舷側特設臨時橡膠護舷，并對FPSO 舷側結構做加強設計，見圖6。

圖5 FPSO 系泊碼頭分析模型

圖6 FPSO 船尾碼頭系泊布置

FPSO 碼頭系泊分析主要結論見表7，FPSO 與碼頭、駁船連接的系泊纜主要參數見表8。所有系泊纜的安全系數滿足OCIMF 規范要求[10]。

FPSO 船體詳細設計在左、右舷外凸臺上分別設30 個和48 個帶纜樁，帶纜樁的許用拉力為2 234 kN；FPSO 甲板舷邊共設8 個導纜孔，導纜孔的許用拉力為980 kN；FPSO 舷外凸臺和帶纜樁、導纜孔的結構強度分析結果分別見圖7、圖8。FPSO 船尾舷側與駁船B3 之間的最大碰撞力為1 699 kN，此處橡膠護舷的許用碰撞力為1 896kN；FPSO 船尾舷側局部結構強度分析結果見圖9。

表7 FPSO 碼頭系泊分析主要結論

表8 FPSO 與碼頭、駁船連接的系泊纜主要參數

圖7 FPSO 舷外凸臺和帶纜樁結構強度分析

圖8 FPSO 帶纜樁和導纜孔結構強度分析

圖9 FPSO 船尾舷側局部結構強度分析

此外，FPSO 船底與海底的間隙、駁船船體及系泊設備強度、駁船B1 與駁船B2 之間的碰墊強度、駁船與碼頭碰墊的高度差等校核結果均滿足規范要求。

4 結束語

超大型FPSO 碼頭系泊設計分析是詳細設計的重要工作。FPSO 的模型風洞試驗確保了風、流荷載計算的準確性。過往船舶的船行波對FPSO 碼頭系泊安全會產生不利的影響，應在碼頭規劃和建設以及碼頭系泊設計時考慮此因素。FPSO 碼頭系泊設計分析為FPSO 系泊結構和設備設計、總裝碼頭規劃和建設以及系泊作業安全提供了理論依據和技術指導。