超大型 FPSO 出塢靠泊環境載荷計算分析

杜玉春，楊含坤，尹 艷

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

船舶出塢是指船舶在干船塢內注水起浮后，依靠船塢牽引設備和輔助拖輪，從塢內轉移至塢外碼頭的全過程。在船舶出塢過程中，通常會受到外部風、浪、流的影響。船塢中性線與外部水流夾角也間接影響著外部作用力的大小。近年來，隨著船舶向大型化發展，船舶出塢過程受到的外部風浪流作用力也越來越大。作為現代大型船舶建造的一個關鍵環節，船舶出塢必不可少。為保障船舶安全出塢，必須合理配置拖輪以平衡船舶受到的外力。因此，船舶出塢所受環境載荷的準確計算對拖輪的選型具有重要的指導作用。

為了得到較為準確的外部環境力，一般進行水池和風洞模型試驗，但該方法存在費用高、耗時長的缺點。因此，在實際的船舶建造工程中，為了節省拖輪使用成本，船廠通常采用較為保守的估算方法來確定外部作用力。目前，最常用的方法是根據石油公司國際海事論壇(Oil Company International Maritime Forum，OCIMF)給出的經驗公式。然而，其適用船型為常規的流線型液貨船，并且僅考慮風和流的作用力，而未考慮波浪力。

為此，本文提出了一種適合于非流線的超大型海上浮式生產儲卸油裝置(float production storage and offloading，FPSO)出塢過程環境力計算方法，全面考慮出塢過程中風浪流這三種載荷。根據CB/T 3677—2015《船舶進出干船塢技術要求》規定的出塢環境條件，應用水動力分析軟件AQWA計算外部環境力，將計算結果與所用的經驗公式計算結果進行對比分析，為超大型FPSO出塢過程的安全性和可靠性提供理論依據，為出塢靠泊確定拖航方案。

1 船型與環境參數

1.1 船型參數

本文研究對象為一艘超大型FPSO儲油船，其側視圖如圖1所示，其主要船型參數如表1所示。

圖1 超大型FPSO側視圖

表1 FPSO船型參數

1.2 出塢環境參數

船舶出塢時需考慮外部環境條件。以長江口某造船公司為例，其船塢外側為長江，水流較為順直，船塢外側水域水深為9.0 m，船塢中心線與船塢外水流的夾角幾乎成90°。風速、浪高和流速依據CB/T 3677—2015《船舶進出干船塢技術要求》，分別取值為10.7 m/s(浦氏5級)、1.5 m和1 m/s(2 kn，1 kn=1.852 km/h)。

2 經驗公式計算

2.1 計算模型

船舶出塢時的外部環境載荷風、浪、流計算坐標系如圖2所示。假定風浪流外部作用力作用于船舶縱橫中心線的交點處，出塢時僅考慮水平作用力和繞船舶垂直軸的首搖力矩。

圖2 外部環境載荷計算坐標系

2.2 風的作用力

對于大型船舶而言，出塢時吃水較小，水面以上受風面積較大，尤其是海工船舶，應充分考慮風載荷對出塢的影響。船舶出塢時所受的風的作用力和風力首搖矩計算公式[1]如下：

式中：FXw為風的縱向作用力，kN；FYw為風的側向作用力，kN；MXYw為風的首搖風力矩，kN·m；ρw為空氣密度，取值1.28 kg/m3；Vw為水面平面以上10 m處的風速，m/s；CXw、CYw、CXYw為縱向風力系數、側向風力系數、風力首搖矩系數，無量綱，系數值通過OCIMF試驗圖譜獲得。

2.3 流的作用力

船舶出塢時所受的流的作用力和流力首搖矩計算公式[2]如下：

式中：FXc為流的縱向作用力，kN；FYc為流的側向作用力，kN；MXYc為流的首搖流力矩，kN·m；ρc為水的密度，kg/m3；Vc為流速，m/s；CXc、CYc、CXYc為流的縱向力系數、側向力系數、首搖流力矩系數，無量綱，系數值由OCIMF試驗圖譜獲得。

2.4 波浪的作用力

波浪的作用力通常分為兩種：一種是一階波浪力，也稱高階波浪干擾力，這種作用力不會改變船舶的位置和船首向，僅僅會引起船舶周期性搖蕩。另一種是二階波浪漂移力，這種作用力會影響船舶的航向與軌跡，其影響程度與波高的平方成正比。由于船舶建造場地通常為岸邊，波浪一般較小，并且船舶出塢時移動速度緩慢，一階波浪力對船舶的影響很小，因此船舶出塢時僅考慮二級波浪漂移力。船舶出塢時所受的波浪漂移力和流力首搖矩計算公式如下[2]：

式中：FXwave為縱向波浪力，kN；FYwave為側向波浪力，kN；h為波高，m；θ為波浪與船首向之間的夾角，(°)。

2.5 計算結果

由于油氣處理工藝模塊在出塢前未安裝，因此在出塢時，僅考慮船體、生活樓和機艙棚模塊。船舶出塢時的空船重量通?；诠浪阒?，在實際的出塢中還需加注壓載重量，所以實際的吃水存在很大的不確定性。在計算中為覆蓋本船出塢過程中的吃水值，選擇一個吃水范圍值，即T分別為4.5 m、5.0 m、5.5 m。在三種不同吃水條件下，考慮風浪流同時側向作用于船體，所受到的最大側向聯合作用力如表2所示，首搖力矩計算結果如表3所示，船舶側向首搖力矩曲線如圖3所示，船舶首搖力矩-攻角曲線如圖4所示。

表2 風浪流作用力計算結果 (單位：kN)

表3 首搖力矩計算結果 (單位：kN)

圖3 船舶側向總首搖力矩曲線

圖4 首搖力矩-攻角曲線

由上述圖表可知：

(1) 在相同的攻角下，當風速為5級，流速為2 kn時，風的作用力高出流的作用力20%左右，風起著主導作用。

(2) 風的作用力隨著吃水的增加而減小，流的作用力隨著吃水的增加而增加，波浪二階漂移力依據其計算公式，與船舶吃水無關。外部作用力的合力隨著吃水的增加而增加。

(3) 在出塢過程中，波浪二階漂移力與風和流的作用力相比為一小量，幾乎可以忽略不計。

(4) 船舶側向總首搖力矩最大值集中在攻角為45°左右的位置，最大值約為6 100 t·m。

3 水動力軟件計算

AQWA是一個功能齊全的海洋工程水動力學性能計算軟件。經過40多年的改進優化，其多樣化的能力和良好的計算精度得到了廣泛的認可。目前已成為大學、研究機構、海洋工程設計公司的重要浮體分析工具，且已被LR、CCS、DNV、ABS船級社作為分析和驗證海洋工程水動力性能的標準軟件[3]。

AQWA的環境因素(風浪流)的方向以X軸正向為0°，風浪流作用力的方向為X軸正向逆時針方向(逆時針方向為正值)。本船水動力模型和網格劃分模型分別如圖5和圖6所示。

圖6 網格劃分模型

圖5 FPSO 水動力模型

在使用AQWA軟件進行計算的過程中，風浪流與船體的夾角取值為90°，船舶吃水采用出塢時理論吃水，即5.0 m。波浪力僅計算船舶在波浪中受到的二階平均漂移力。根據船舶出塢水域的海況條件，采用JOSWAP譜，有義波高取選取1.5 m。采用頻域分析法，計算出船舶在不規則波中，不同波浪頻率所對應的二階波浪漂移力(response amplitude operator，RAO)，計算結果如圖7所示。當用AQWA計算風和流的阻力時，需要確定風和流的阻力系數。風阻力系數與受風構件形狀有關，本文依據《海上移動式鉆井平臺構造和設備規則》(MODU 2009)[5]規則取值。流的阻力系數不僅與船體表面粗糙度有關，還與雷諾數和庫爾根-卡培數有關[6]。對于實際工程項目而言，最好采用模型試驗來確定。但在試驗資料不足的情況下，可以參考相關經驗值。部分規范、規則及標準給出的參考值如表4所示[7]，本文取值1.0。風和流的作用力計算結果分別如圖8和圖9所示。

表4 流的阻力系數取值

圖7 波浪漂移力-波浪頻率關系曲線 (攻角為90°)

圖8 風的作用力-時間曲線(攻角為90°)

圖9 流的作用力-時間曲線(攻角為90°)

從上圖中我們可以看出，對于不同吃水，二階波浪漂移力基本相同。當吃水為5.0 m，波浪頻率為0.087 Hz時，波浪拖拽力達到最大值40 kN；風對船體的作用力在600 s后幾乎不變，可視為一固定值，其值約為410 kN。流對船體的作用力在600 s后基本穩定在600～700 kN，其均值約為620 kN。

4 計算結果對比分析

采用OCIMF經驗公式和AQWA數值模擬方法進行FPSO出塢靠泊受力計算，計算對比結果如表5所示。

表5 計算結果對比 (單位：kN)

從表5可以看出：

(1) 用OCIMF經驗公式計算出的風的作用力結果偏大，而浪和流的作用力與AQWA數值模擬結果基本一致。造成風的作用力計算結果偏大的原因在于經驗公式計算僅考慮了風力系數和風速，而未考慮受風構件形狀和風速在高度上的差異，因此計算結果較為保守。

(2) 由經驗公式計算出的二級波浪漂移力與AQWA數值模擬計算出的最大值基本相同。由于經驗公式在計算二階波浪漂移力時，僅考慮了波高，未考慮波浪周期/頻率的影響，存在一定的局限性。AQWA數值模擬計算出的波浪二階漂移力不但考慮了波高，而且考慮了頻率的影響，并可以計算出不同頻率對應的二級波浪漂移力，計算結果更加合理。

(3) 在考慮最大二階波浪漂移力的情況下，由經驗公式計算出的風、浪、流合力比AQWA數值模擬計算出的結果大20%，以公式計算結果配備拖輪，可有效保證船舶出塢靠泊過程中的安全性。

5 計算方法局限性分析

經驗公式計算中的風、流等作用力系數來自流線型船體試驗圖譜，而對于非流線型的船體，在出塢靠泊中只能參考使用。經驗公式對于風的作用力計算，僅考慮了風速，而未考慮構筑物的高度因素和形狀因素。對于受風面積較大的、形狀較為復雜的海洋工程裝備，雖然經驗公式計算結果偏大，但更便捷。

AQWA數值模擬方法適用于不同的船型，計算結果較經驗公式更貼合工程實際。但利用AQWA，需要建立復雜的幾何模型和水動力模型并劃分網格，須耗費較長的時間。

6 船舶出塢工程實踐

在超大型FPSO出塢靠泊過程中，經理論計算，船舶出塢吃水為5 m，依據上述經驗公式計算出FPSO出塢靠泊過程中最大的作用力為1 324 kN。依據參考文獻[8]，全回轉拖輪功率與系柱拖力轉換關系為8 kg/hp(1 hp=735 W)，重力加速度取9.8 m/s2，拖輪功率裕度為1.25。以此估算超大型FPSO出塢時所需輔助拖輪功率為21 110 hp。

在FPSO出塢過程中，配備3 200 hp、4 000 hp和5 200 ph拖輪各兩艘。在拖航過程中，配備四條旁拖拖輪和一條吊拖拖輪，功率合計為21 600 hp。配備一條3 200 hp應急拖輪。FPSO實際出塢拖輪配備如圖10所示。

圖10 FPSO實際出塢拖輪配備

為保證FPSO出塢安全，本項目在拖輪配置方面考慮了1.25倍的拖輪功率裕度。對于不需要考慮拖輪裕度而直接使用上述公式計算船舶出塢靠泊時的環境載荷的情況，還需要大量的工程實踐進行驗證。

7 結 語

(1) 船舶在出塢過程中，波浪力僅占總作用力的4%左右，因此，計算外部作用力時可忽略波浪因素；風和流的作用力在FPSO出塢靠泊過程中約占總作用力的96%。關于船舶出塢時機，應盡可能避開大風天氣以及漲落潮流速較大時段。

(2) 風的作用力隨著船舶吃水的增加而減小，流的作用力隨著船舶吃水的增加而增加，但流的作用力的增加值大于風的作用力的減小值。因此，風、浪、流合力隨著吃水的增加而增大。船舶出塢的配載應在滿足船舶縱傾和穩性的前提下，盡可能地降低船舶吃水。

(3) 以OCIMF經驗公式估算的合力值較AQWA數值模擬計算的合力值約大30%，以估算值配備拖輪，可保證船舶出塢靠泊的安全性。

(4) 采用OCIMF經驗公式估算外部環境載荷，在一定的安全系數下，OCIMF計算結果可用于江河入?？诘拇俺鰤]。