自調節彈性轉臺型單點系泊系統水動力特性研究

中圖分類號：U661.1 文獻標志碼：A

Study on Hydrodynamic Performance of Turret Mooring with Self Adjusting Stiffness Single Point Mooring System

WU Qiantong， WANG Dongjiao （SouthChinaUniversityof Technology，Guangzhou510641，China）

Abstract： Single point mooring system enables super tankers to load，unload and store oil in a safe and stable maner withoutberthing through dynamic positioning，improving the eficiencyofofshore oil transportation.In this paper，a Turret Mooring with SelfAdjusting Stiffness （TUMSAS）single point mooring system is selected to calculate the dynamic response of the system under different combinations of environmental conditions in time domain. At the same time，the influence of water depth change on system performance is discussed.The results show that the TUMSAS single point mooring system meets the specified safety factor under working conditions，and the mooring chains in the incident direction ofenvironmental conditions willbe subjected to greater tension.The change of water depth affects the performance of mooring system，and the tension of mooring chainsand the motion of mooring riser are greater in shallow water.

Key Words： single point mooring; lumped mass method; hydrodynamic; TUMSAS

1引言

單點系泊系統多應用在近海石油開采儲運中，可使浮式生產儲油系統（FloatingProduction Storage andOffloading，簡稱FPSO）等超級油輪無需靠港，只通過系泊纜或剛臂與單點系泊裝置連接，便可安全、穩定地進行石油的裝卸和儲存，提高海上石油運輸的效率和靈活性。單點系泊系統具有風標效應，令系泊的船舶隨著環境載荷方向作全方位回轉，船體保持最有利的迎浪方向，始終處于最小的受力狀態，以應對復雜海況。現今在近海區域內，懸鏈式和軟剛臂式兩種單點系泊系統的應用較多。

針對懸鏈式（CALM）單點系泊系統，於增月等[1通過時域計算對懸鏈式單點系泊方案作水動力響應的參數敏感性分析，得出了最優系泊方案。懸鏈式系統屬于柔性非線性結構，在海上作業靈活，但要謹防系泊過程中出現船舶艏搖角過大的“魚尾效應”。楊澤亮等[2通過數值計算驗證了某項目懸鏈式單點系泊裝置在系泊狀態不同風浪流組合下系統的定位功能，并由計算結果得出油輪的不規則運動更直接影響系統裝置的響應。針對軟剛臂式單點系泊系統，劉成義對考慮淺水效應臨界水深吃水比的FPSO軟剛臂式單點系泊系統作了系統研究，研究表明通過求解全二次傳遞函數矩陣（FullQTFMatrix）能更準確計算淺水條件下FPSO的系泊力。計算結果顯示，FPSO所受的系泊力隨水深吃水比的增大而減小，更重要的是淺水條件下的系泊力遠大于深水條件下的系泊力。唐友剛等[4為使FPSO能限位作業，對一水下軟剛臂單點系泊系統進行海洋環境參數敏感性分析。此系泊系統軟剛臂結構位于水下，可控制FPSO與水下設施的相對位置，避免因漂移導致碰撞風險。參數敏感性分析結果表明，系泊系統面臨側向波流作用的危害最大，且運動響應對流、波浪譜周期及風速較為敏感。

本文選用一自調節彈性轉臺型單點系泊系統（Turret Mooring with Self Adjusting Stiffness，簡稱TUMSAS）進行水動力特性研究。TUMSAS最早由陳杰誠提出，結合了懸鏈式和水下軟剛臂式單點系泊系統的特點和優勢。本文中使用的TUMSAS系泊系統具有三個主要結構：自調節彈性轉臺、包含臺體壓載艙的系泊立管和懸鏈線式系泊鏈組。系統依靠系泊線自重及水下壓載艙質量為系泊的FPSO提供回復力。Zeng等對TUMSAS系統的回復力和不同載重量FPSO的偏移量之間的關系做了靜態分析，并與FPSO單點系泊軟剛臂系統的回復剛度進行對比，結果表明TUMSAS有更軟的剛度和較大的容許船舶偏移量，能顯著降低系泊系統的波浪載荷。本文將建立TUMSAS系泊系統與FPSO的多體耦合模型，在時域內計算在不同風浪流組合條件下的系泊系統水動力特性，同時探討水深對系泊系統性能的影響。

2 計算理論

2.1多體耦合時域運動方程

在進行系統時域求解前，須計算大尺度結構物FPSO的三維輻射-繞射水動力結果，再進行后續的時域分析。FPSO的六自由度時域運動方程可表示為：

式中： M_s 為FPSO的質量矩陣； A_s（σ∞） 為FPSO的附加質量矩陣； r 為輻射阻尼的脈沖響應函數矩陣；D 為FPSO慢漂阻尼矩陣； δK_s 為FPSO剛度矩陣； F_s（Ω_t） 為外部對FPSO的載荷，包括波浪載荷 F_wave 、風載荷F_w 、流載荷 F_c 及彈性轉臺對FPSO的作用力 F_T 。

自調節彈性轉臺與FPSO之間為鉸接，其受力較為簡單，在此不列出轉臺運動方程。系泊立管頂部通過一萬向節與自調節彈性轉臺連接，其時域運動方程

可表示為：

（2）式中： m_r 為系泊立管質量矩陣； 為系泊立管重心位置加速度矩陣； F_r （t）為作用在系泊立管上的動力載荷矩陣，假設系泊立管為細長物體，采用莫里森方程計算； g 為重力加速度； F_b （t）為作用在系泊立管上的靜水力矩陣； F_t （t）為彈性轉臺對系泊立管的約束力； F_m （t）為作用在系泊立管上的系泊力矩陣。

系泊鏈在時域計算中通過集中質量法進行模擬。集中質量法將細長型柔性連續體分解為若干具有集中質量的離散節點，引入無質量彈簧和阻尼元件進行節點間力學耦合，由此構建彈簧-質量-阻尼動力學系統模型。

2.2波浪載荷

選用JONSWAP譜模擬不規則海浪。基于選定的不規則波浪譜，可計算得到作用在船體上的時域波浪載荷。作用在船體上的波浪載荷 F_wave 包括一階、二階波浪載荷，二階波浪載荷包括平均波浪漂移載荷、二階差頻波浪載荷和二階和瀕波浪載荷三部分，其中和頻項的波浪頻率較高，遠離FPSO的固有頻率，通常忽略不計。其中一階波浪載荷 （t）和二階差頻波浪載荷 （t）可表示為：

式中： N 為波浪譜離散后的頻率數； A_j 、 A_k 為第 j 和第k 個組成波的波幅； F_I（ω_j，β） 為由入射波引起的單位波幅的波浪載荷矩陣； F_p（ω_j，β） 為由繞射波引起的單位波幅的波浪載荷矩陣，兩者是頻率 ω 和波向 β 的函數； P_jk^- 、 Q_jk^- 為頻域內FPSO在不同浪向、不同頻率下二階差頻波浪載荷傳遞函數的實部和虛部; ω_j 、 ω_k 為第 j 和第 k 個組成波的波浪圓頻率； ε_j?ε_k 為對應的隨機相位角。

2.3風、流載荷

根據OCIMF，1994模型試驗中給出的VLCC所受風、流載荷經驗公式及系數，計算FPSO船體受到的風、流載荷[8]。

作用在船體上的風載荷 F_w 在縱蕩、橫蕩和搖方向的分量為：

式中： F_Xw ！ F_Yw 及 M_XYw 分別為作用在FPSO縱蕩、橫蕩及搖方向的風載荷分量； C_Xw 、 C_Yw 及 C_XYw 分別為FPSO縱蕩、橫蕩及首搖方向的風載荷阻力系數；β_wr 為相對船體的風向； ρ_w 為空氣密度； V_wr=V_w-V 為相對風速，其中 V 為相應船速， V_w 為風速， V_w 為相對風速的大小； A_T，A_L 分別為船體縱向、橫向受風面積;L_BP 為船垂線間長。

作用在船體上的流載荷 F_c 在縱蕩、橫蕩和首搖方向的分量為：

式中： F_Xc 、 F_rc 及 M_XYc 分別為作用在FPSO縱蕩、橫蕩及搖方向上的流載荷分量； C_Xc 、 C_Yc 及 C_XYc 分別為FPSO縱蕩、橫蕩及搖方向上的流載荷阻力系數；β_cr 為相對于船體的流向； ρ_c 為海水密度； V_cr=V_c-V 為相對流速，其中 V 為相應船速， V_c 為流速， V_cr 為相對流速的大小； L_BP 為船垂線間長； T 為船體吃水。

3 數值模型

3.1FPSO及TUMSAS系泊系統

TUMSAS單點系泊系統所處海域水深為 23.5m ，設計系泊一FPSO進行作業。FPSO的垂線間長 L_BP 為320m 、吃水 T 為 19.9m 、重心距基線距離KG為17.15m，根據試驗數據得到FPSO的橫搖、縱搖及首搖慣性半徑分別為 15m ！ 80.09m 、 80.09m Ω

TUMSAS單點系泊系統中，自調節彈性轉臺具有一與FPSO相接軛架結構和連接浮筒。系泊立管是具有一臺體壓載艙的圓柱形結構，頂部通過一萬向節與自調節彈性轉臺連接，萬向節可在 x 和y軸自由度旋轉，自調節彈性轉臺可在 z 軸自由度旋轉。系泊立管自重為 762.6t， 直徑為 2.9m 、下部臺體底部直徑為 7.0m r重心距基線為 3.08m ，橫搖、縱搖及搖慣性半徑分別為 4.08m ！ 4.08m 、 2.33m

懸鏈線式系泊系統由12根系泊鏈構成，分為3組，每組4根，相鄰系泊鏈的方向角呈 5^° ，系泊方案如圖1所示。水下系泊鏈自系泊立管底部起，由錨鏈－配重鏈－錨鏈三段構成，每段鏈長分別為 2m 、54m，194m ，錨鏈鏈徑為 127mm 。系泊鏈剛度EA為1.239×10⁶kN ，最小破斷強度為 12172kN_s

3.2水動力計算模型

在時域軟件內建立FPSO及TUMSAS單點系泊系統多體耦合計算模型，兩者通過節點模型連接，自調節彈性轉臺簡易成歸一直徑的圓柱，且省略與FPSO相接的軛架結構，如圖2所示。

4時域動態運動分析

4.1風、浪、流組合下動力響應計算分析

1）計算工況

通過作業海域內的海況條件進行計算工況的選擇，考慮操作和生存兩種工況，風浪流組合環境下具體計算工況見表1。風、浪、流入射方向均為：沿船入射方向為 0^° ，沿船入射方向為 180^° 。

2）計算結果統計

參照BV規范進行計算結果的統計，求解最終統計結果 T_D 的具體方法為：

式中： T_p 為系泊鏈張力； T_M 為 n 個隨機種子數張力計算結果最大值的平均值； T_s 為 n 個隨機種子數張力計算結果的標準差； T_k 為張力計算結果的最大值； a 由隨機種子的個數 n 決定。本文對每個工況選取5個隨機種子數，并處于動態時域計算，因此 a=0.6 （2

為保證TUMSAS單點系泊系統的作業安全性，要對系泊鏈作安全系數判定。根據BV規范，系泊鏈的安全系數SF定義為：

SF=BL/T_max

式中：BL為系泊鏈的最小破斷強度； T_max 為系泊鏈的最大張力值。

3）計算結果分析

根據不同工況的作業要求，在時域內對8種工況下的TUMSAS系泊系統進行計算分析。使用動力分析方法對完整工況下的系泊系統進行計算分析，選取系泊鏈最小安全系數為1.67，對應的最大安全系泊力為7288.62kN 。圖3中為系泊鏈在各工況下立管端最大張力統計值 F_max ，紅線為最大安全系泊力SML。系泊系統在各工況下錨鏈張力極值滿足錨鏈安全設計要求，且在LC1-5生存工況下錨鏈受力最大。

選定最大受力工況LC1-5觀察系泊錨鏈受力、系泊立管形態以及FPSO運動規律變化。從圖4可看出，處在環境條件人射方向的#5、#6、#7、#8鏈受力較大。選取LC1-5其中一組隨機種子算例，系泊立管的橫搖、縱搖運動響應如圖5所示。從圖中可知，系泊立管在該工況下縱/橫搖運動幅度較大，從而導致#5、#6、#7、#8鏈產生較大的系泊張力。FPSO的六自由度運動見圖6，其中繞縱蕩、橫蕩和f搖三個自由度主要作低頻運動，f搖運動幅度較小。對比圖5和圖6，FPSO六自由度運動時歷曲線與系泊立管擺動時歷曲線的走勢吻合程度較高，可知FPSO的運動對系泊立管的水動力響應有直接影響，兩者運動相互牽制。圖7中給出在風浪流同向作用下某一CALM系統的船舶f搖運動及系泊纜繩受力情況，可以看出CALM系統中船舶存在大幅度周期性的搖運動，存在“魚尾運動”，使得船舶與系泊系統之間相連的系泊纜繩產生較大的張力。而在本文研究中FPSO與單點系泊系統之間通過剛性軛架結構連接，連接結構剛度較大，一定程度上約束了FPSO的搖運動，使FPSO在環境條件作用下保持相對平衡的位置。對于本文研究的單點系泊系統，所有計算工況，均不存在CALM型單點系泊系統可能存在的“魚尾運動”。

4.2水深對系泊系統動力響應的影響

選取生存工況LC1-5，研究并分析環境水深變化對TUMSAS單點系泊系統動力響應的影響。考慮實際作業水域環境，有低水位 22.65m 和高水位 25.36m 。選定4個水深條件 d 為 22.65m ， 23.5m ， 23.88m 及25.36m 進行分析研究，根據BV規范對計算結果進行統計。

水深的變化直接影響了系泊鏈的張力。對受力較大的#4、#5、#6、#7、#8鏈進行分析，從圖8中看出：隨著水深的增加，各鏈最大張力均呈現減小的趨勢。在低水位時存在#5鏈受力過大的情況，需要引起注意，避免出現單鏈失效的情況。圖9顯示系泊立管的運動幅度隨水深的增加同樣呈現減小的趨勢，越接近低水位水深，系泊立管的運動波動幅度越大。從結果看，淺水條件下系泊鏈張力和系泊立管運動較大。

5 結論

本文建立了一自調節彈性轉臺型單點系泊系統的時域耦合分析模型，對其在風、浪、流聯合作用下的動力響應進行分析，并研究了水深變化對系泊系統性能的影響，得出以下結論：

1）在作業工況下，自調節彈性轉臺型單點系泊系統的系泊鏈受力能滿足規定的安全系數。處于環境條件入射方向上的系泊鏈組會受到較大的張力，系泊立管與FPSO同時產生大幅度運動。相較于CALM型單點系泊系統，本文研究的自調節彈性轉臺型單點系泊系統，不存在CALM系統可能會出現的“魚尾運動”；

2）水深變化影響了系泊系統性能，在低水位時系泊鏈受力和系泊立管運動較大。

參考文獻

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