楊 光，王 曦，董曉曼，張廣磊

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451;2.中國船級社武漢規(guī)范所，武漢430022)

海上油氣的開發(fā)主要是借助于海洋平臺，油氣運輸?shù)姆绞街皇墙柚诖┧笥痛Ｔ诖┧笥痛挡雌脚_時［1］，依靠系纜系統(tǒng)將其固定在平臺一側(cè)。為了防止油船與系泊平臺的碰撞損壞平臺或油船，在系泊平臺靠船一側(cè)設置靠船架，同時在靠船架側(cè)面的兩端均設置多個橡膠護舷，以吸收油船的撞擊動能，減少撞擊力。在系泊平臺外側(cè)設有兩個筒型基礎的系纜平臺，用于穿梭油船的帶纜作業(yè)，系纜平臺與系泊平臺通過棧橋相連。油船外輸?shù)倪^程中，在風、浪、流的作用下，油船與系泊平臺發(fā)生周期性碰撞。隨著風、浪、流的增大，碰撞情況也會愈加嚴重，甚至危及到平臺和油船的安全，確定油船外輸作業(yè)的限制工況就顯得十分必要，本文應用三維勢流理論，運用MOSES軟件，計算在不同工況下，油船系泊平臺的碰撞情況，從而確定平臺外輸作業(yè)的限制工況。

1 計算原理

1.1 環(huán)境力計算

作用在系泊油船上的風力及力矩的計算采用國際通用公式。

式中:FXw，F(xiàn)Yw，MXYw——縱向、橫向的風力以及艏搖風力矩;

CXw，CYw，CXYw——縱向、橫向和艏搖風力系數(shù);

ρw——空氣密度;

Vw——風速;

AL、AT——縱向和橫向受風面積;

LBP——油船垂向間長。

作用在系泊油船上的流力及力矩的計算采用國際通用公式

式中:FXc，F(xiàn)Yc，MXYc——縱向、橫向的風力以及艏搖風力矩;

CXc，CYc，CXYc——縱向、橫向和艏搖風力系數(shù);

ρc——流體密度;

Vc——流速;

T——平均吃水;

LBP——油船垂向間長。

關于波浪力的計算，根據(jù)勢流理論，通過求解線性邊值問題(BVP)，得到頻域內(nèi)水動力系數(shù)，一階波浪力，二階平均波浪漂移力等。

結(jié)合船舶的運動方程，得到頻域范圍內(nèi)船體運動RAO。

船體頻域運動方程為［2］

式中:mij——船體質(zhì)量矩陣;

μij——船體附加質(zhì)量矩陣;

λij——阻尼系數(shù)矩陣;

Cij——浮體的靜水恢復力系數(shù)矩陣;

Fw——波浪擾動力。

1.2 時域準靜態(tài)系泊分析

對于系泊船［3］，由于碰墊和纜繩剛度的差異，即使二者都是線性的，船所受到的系泊力也是非線性的，運動方程需在時域內(nèi)求解。由于穿梭油船系泊與靠泊平臺屬于臨時系泊系統(tǒng)，系泊纜繩較短且均位于水面以上，由纜繩質(zhì)量、阻尼和流體加速度所引起的動態(tài)效應可以忽略，故采用準靜態(tài)的分析方法。船體時域運動方程為

式中:M、μ——船體的廣義質(zhì)量矩陣;

K(t-τ)——系統(tǒng)的延遲函數(shù)矩陣;

C——船體的靜水恢復力系數(shù)矩陣;

Fw(t)，F(xiàn)w，F(xiàn)c，F(xiàn)f(t)，F(xiàn)m(t)——波浪力、風力、流力、護舷反力、纜繩拉力。

一階波浪力的時間歷程對頻域計算得到的波浪力進行快速傅里葉變換(FFT)得到。

二階波浪力采用Newman假定處理:

式中:F(-)——差頻二階波浪力;

ωi，ξi，εi，Gi——第i個頻率及其波幅、相位、二階波浪力。

波浪阻尼由式(6)確定

式中:Fi——i方向定常波浪力;

uj——j方向船速;

ωe——遭遇頻率;

Sξ(ω)——波譜;

Ψ——船的方向角;

FX、FY——定常二階力;

k——波數(shù)。

2 工況分析流程

穿梭油船系泊平臺時，系泊平臺和油船的位置見圖1，艏艉各有3條纜繩帶纜在系纜平臺A、B上，船舯成交叉纜與系泊平臺連接，平臺的A、B兩端各有4列橡膠護舷，吸收油船撞擊能量，減小碰撞力。

圖1 油船系泊示意

應用MOSES軟件，建立油船水動力模型，按照三維勢流理論計算穿梭油船的運動響應，得到指定環(huán)境條件下的油船位移，與橡膠護舷碰撞力及纜繩拉力。隨著環(huán)境力的增大，油船與平臺之間碰撞作用會變劇烈，碰撞力和系纜力也會加大。在系泊過程中，下面各因素限制油船系泊平臺外輸作業(yè)。

1)橡膠護舷所能承受的極限碰撞力。

2)油船與護舷相接觸的舷側(cè)結(jié)構(gòu)所能承受的碰撞力。

3)系泊纜所能允許的最大拉力。

4)平臺的橫向剛度。

考慮風、浪、流同向的情況，N種環(huán)境條件以有義波高從小到大排列，依次參與水動力運算，根據(jù)限制條件進行篩選，最終確定油船系泊平臺的限制工況，其流程見圖2。

圖2 工況分析流程

3 計算實例

3.1 環(huán)境條件

系泊平臺的設計水深為20.2 m，平均高潮位為+1.46 m，平均海平面為+1.06 m，平均低潮位為+0.69 m。環(huán)境工況數(shù)據(jù)見表1。

表1 環(huán)境工況

3.2 油船參數(shù)

油船系泊分為滿載和壓載狀態(tài)，參數(shù)見表2。

表2 穿梭油船特性

3.3 纜繩和護舷參數(shù)

采用8根纜系泊，船艏和船艉的3根與系纜平臺相連，船舯為交叉纜。纜繩的直徑為75 mm，彈性模量為1 070 MPa，破斷載荷為1 300 kN，考慮了1.5倍的安全系數(shù)，系纜的設計拉力(許用值)為867 kN。

系泊平臺A、B端設有靠船架，靠船架上安裝三排四列橡膠護舷，采用的是DA-A800H×2.2 m+2.6 m的M1高反力型橡膠護舷。每個護舷高程為0.8 m，頂端長2.2 m，底端長2.6 m，護舷外側(cè)裝有護板。其特征剛度曲線見圖3。

圖3 橡膠護舷特征剛度曲線

計算中取護舷變形達到高程0.8 m的55%(即0.44 m)時為護舷破壞對應的反力。系泊平臺A、B端共8列護舷，每列護舷由三塊DAA800H×2.2 m+2.6 m組成，布置的高度從-2.3～+5.6 m，共7.9 m長度以滿足潮位變化的系泊要求。

3.4 計算結(jié)果

系泊時，8列護舷都會與油船舷側(cè)相作用，舷側(cè)結(jié)構(gòu)對應于每列護舷的許用碰撞力為4 740 kN;系泊平臺A或B端設計的橫向剛度能夠承受14 000 kN撞擊力。考慮油船壓載和滿載，0°～315°共8個角度，風、浪、流同向情況，不規(guī)則波選用JONSWAP譜進行計算。

3.4.1 油船運動響應

油船分壓載和滿載兩種裝載，現(xiàn)列出兩種裝載情況，橫蕩，橫搖，艏搖的運動響應，見圖4～9。

圖4 滿載橫蕩RAO

圖5 壓載橫蕩RAO

圖6 滿載橫搖RAO

圖7 壓載橫搖RAO

圖8 滿載艏搖RAO

圖9 壓載艏搖RAO

3.4.2 時域計算結(jié)果

纜繩布置見圖1，共8根纜，①～⑧系泊纜，平臺A端護弦四列從船艏到船艉布置RA_1～RA_4，平臺B端護弦RB_1～RB_4。

由于篇幅限制，本文僅列出環(huán)境方向為90°和270°橫浪時，系纜力和護舷碰撞力的統(tǒng)計值，見表3～6。時歷曲線，見圖10～12。

表3 90°系纜力最大值 kN

表4 90°碰撞力最大值 kN

表5 270°系纜力最大值 kN

圖10 90°橫浪2.0 m波高壓載⑧號系泊纜時歷曲線

表6 270°碰撞力最大值 kN

從以上各表可見，環(huán)境方向90°橫浪2.0 m波高時，系纜力超過了許用值，系纜力是確定限制工況的決定因素，即環(huán)境方向90°外輸作業(yè)的限制工況為波高1.5 m;而環(huán)境方向270°橫浪1.5 m?波高時，系纜力和護舷碰撞力均超出了許用值，環(huán)境方向270°外輸作業(yè)的限制工況為波高1.0 m。

圖11 270°橫浪1.5 m波高滿載①號系泊纜時歷曲線

圖12 270°橫浪1.5 m波高滿載平臺A端碰撞力時歷曲線

3.5 限制工況

通過計算不同環(huán)境方向，考慮油船的壓載和滿載，得到油船系泊平臺的限制工況，見表7。

表7 油船系泊平臺外輸作業(yè)的限制工況

3.6 計算分析結(jié)論

計算結(jié)果表明，橫浪90°(離開平臺)碰撞力數(shù)值較小，系纜力較大，系纜力為限制條件;橫浪270°(指向平臺)油船和平臺護弦碰撞作用明顯，碰撞力數(shù)值較大，且滿載數(shù)值大于壓載，①和⑧號系泊纜受力較大;斜浪，迎浪對波高的限制比橫浪要寬松，其中迎浪方向油船的橫搖、艏搖運動幅值較小，碰撞力也比較小，可接受的限制波高最大。

4 結(jié)論

1)一般情況下，油船系泊平臺外輸作業(yè)，在橫浪方向系纜力和碰撞力比較大，斜浪方向較小，迎浪方向最小，橫浪方向是主要的限制工況。

2)在6個自由度運動中，橫蕩、橫搖、艏搖對系纜力和碰撞力的結(jié)果影響較大，在相同波高條件下，油船在橫浪方向上運動最為劇烈，斜浪方向次之，迎浪方向最小。

3)最大系纜力分布呈現(xiàn)兩端大，中間小的規(guī)律，即①和⑧號系纜力較大。

4)滿載工況的碰撞力普遍大于壓載工況。

［1］肖龍飛.旅大27-2/32-2油田基本設計5 000 t油船靠泊模型試驗報告［R］.上海:上海交通大學，2008.

［2］劉應中，繆國平.船舶在波浪上的運動理論［M］.上海:上海交通大學出版社，1987.

［3］鄒志利.風浪流作用下系泊船系纜力和碰撞力的數(shù)值模擬［J］.中國海洋平臺，2002，17(2):22-27.