單鐵兵

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

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水深對(duì)FPSB多點(diǎn)系泊系統(tǒng)特性的影響研究

單鐵兵

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］針對(duì)某服役于南海海域的大型“浮式處理與補(bǔ)給基地”（FPSB)，采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法對(duì)其輻射狀系泊系統(tǒng)展開(kāi)多方面研究。采用三維勢(shì)流理論計(jì)算了FPSB的水動(dòng)力性能，獲得系泊定位分析所需的附加質(zhì)量、勢(shì)流阻尼、船體慢漂載荷以及船體運(yùn)動(dòng)RAO。分析水深對(duì)FPSB多點(diǎn)系泊系統(tǒng)定位能力的影響，研究不同水深條件下，船體的偏移和系泊纜張力的特性。計(jì)算表明，水深對(duì)系泊系統(tǒng)的幾何特征、定位性能均產(chǎn)生一定影響；此外，當(dāng)水深變化引起系泊系統(tǒng)的定位能力減弱而無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求時(shí)，還給出相關(guān)的解決措施，為實(shí)際工程操作提供有價(jià)值的參考。

［關(guān)鍵詞］浮式處理與補(bǔ)給基地; 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法; 系泊系統(tǒng); 定位能力; 張力

引 言

大型“浮式處理與補(bǔ)給基地”（FPSB）具有“以島礁開(kāi)發(fā)支撐功能為主，兼顧具備油田開(kāi)發(fā)支撐、遠(yuǎn)洋漁業(yè)產(chǎn)品冷藏加工、臨時(shí)生活居住及醫(yī)療救助、油水等生活生產(chǎn)物資倉(cāng)儲(chǔ)補(bǔ)給”等多種功能。

諸如FPSB之類(lèi)的大型浮式結(jié)構(gòu)物，由于體型龐大，所受的風(fēng)浪流作用較為明顯。為抵抗外部環(huán)境力引起的漂移，通常采用若干系泊纜將船體系固于海上，使其僅在許可范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以確保作業(yè)的安全性。系泊系統(tǒng)是大型浮式結(jié)構(gòu)物不可缺少的組成部分，因此系泊系統(tǒng)的定位能力分析是設(shè)計(jì)中較為重要的環(huán)節(jié)。

FPSB采用移動(dòng)式多點(diǎn)系泊的方式進(jìn)行海上定位，通過(guò)調(diào)節(jié)纜繩的長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)不同的作業(yè)水深，以滿(mǎn)足不同海域島礁開(kāi)發(fā)的要求。然而，水深的變化將對(duì)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)特性產(chǎn)生一定的影響，因此有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。鄭律［1］采用時(shí)域方法對(duì)FPSO及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行分析。系泊系統(tǒng)為單點(diǎn)形式，由12根系泊線組成。初步考察不同水深環(huán)境下的船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，錨鏈線強(qiáng)度。吳波等［2］預(yù)報(bào)了半潛平臺(tái)的系泊系統(tǒng)在兩種不同水深條件下的靜力學(xué)特性、研究了系泊纜張力與平臺(tái)位移之間的關(guān)系。

本文采用基于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法的“Ariane軟件”對(duì)服役于南海海域的“浮式處理與補(bǔ)給基地”的系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位分析，考察FPSB在水深分別為1 000 m和500 m時(shí)，船體運(yùn)動(dòng)偏移和系泊纜張力特性，分析水深對(duì)系泊定位能力的影響。在水深變化引起系泊系統(tǒng)的定位能力減弱時(shí)，通過(guò)調(diào)整系泊的相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化系泊布置，使系泊系統(tǒng)的定位能力滿(mǎn)足規(guī)范要求，為實(shí)際的工程操作提供有價(jià)值的參考。

1　計(jì)算理論

1.1水動(dòng)力分析

FPSB系泊系統(tǒng)定位能力的分析主要由“船體水動(dòng)力頻域計(jì)算”和“系泊定位計(jì)算”兩部分組成。

FPSB船體周?chē)乃俣葎?shì)Φ需滿(mǎn)足Laplace方程、自由面邊界條件、海底條件、物面條件和輻射條件［3］，如式（1）～式（5）所示：

根據(jù)微幅波理論，式（6）通過(guò)轉(zhuǎn)化，可得到僅有波浪作用下的船體運(yùn)動(dòng)RAO［5］：

基于上述求解方法，可獲得相關(guān)水動(dòng)力參數(shù)，如：附加質(zhì)量、阻尼、一階波浪力、二階平均慢漂載荷、船體運(yùn)動(dòng)RAO等。此外，在風(fēng)浪流共同作用下，還需要計(jì)算出船體所受的風(fēng)力和流力系數(shù)。

將上述求解的結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，計(jì)算不同水深條件下FPSB系泊定位能力，分析船體的低頻慢漂位移和各系泊纜的張力特性，研究水深對(duì)系泊定位能力的影響。

1.2系泊定位分析

FPSB系泊定位能力的計(jì)算采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)分析方法，即：在計(jì)算船體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其分離成低頻部分和波頻部分。

船體三個(gè)方向上的低頻運(yùn)動(dòng)通過(guò)下式求解［6-7］：

式中：m為船體質(zhì)量；Iψψ為船體首搖轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；、分別為x和y方向的附加質(zhì)量；為首搖方向的附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； Bxx、Byy和Bψψ為三個(gè)方向的阻尼系數(shù)；xG、yG和ψG為船體重心位置處的橫蕩運(yùn)動(dòng)、縱蕩運(yùn)動(dòng)和首搖運(yùn)動(dòng)；、和分別為船體在三個(gè)方向所受的風(fēng)浪流作用力。

船體的波頻運(yùn)動(dòng)通過(guò)各Airy波對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)線性疊加而成［8］。坐標(biāo)點(diǎn)位于（x，y）處，t時(shí)刻的波面高度可表示為：

式中：n為Airy波的個(gè)數(shù)；ai、ωi和φi分別為第i 個(gè)Airy波的波幅、圓頻率和相位；β為入射波浪的傳播方向；ki為波數(shù)。

FPSB的服役海域?yàn)橹袊?guó)南海，故采用符合南海海況的JONSWAP譜，能量譜密度函數(shù)如下所示：

隨機(jī)波浪的形狀參數(shù)為2.05，譜峰周期Tp為14.0 s，有義波高Hs為9.0 m，其能量譜密度曲線如圖1所示。

圖1　波浪譜密度函數(shù)曲線

選擇合理的頻率區(qū)間（ωm，ωM），并將其分成均等的n份，第i個(gè)Airy波的幅值ai可表示為：

船體重心位置處，相對(duì)平衡位置的波頻運(yùn)動(dòng)時(shí)歷為：

式中：R*和R**分別為船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的同相位和反相位幅值；βH為入射角度；XG和YG為船體重心處的平衡位置。

FPSB重心處總的運(yùn)動(dòng)位移時(shí)歷由平均位移、低頻位移和波頻位移組合而成。將該運(yùn)動(dòng)時(shí)歷加至系泊纜頂端，計(jì)算出系泊纜各處的張力。

2　FPSB系泊系統(tǒng)

2.1水動(dòng)力模型

根據(jù)FPSB的型線圖和主尺度參數(shù)，建立船體水下的網(wǎng)格模型，如圖2所示。

（2）評(píng)估單元的開(kāi)發(fā)背景分析。對(duì)開(kāi)發(fā)歷程的了解與把握，采油廠具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)評(píng)估單元往往具有較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)歷程，對(duì)這個(gè)歷程各階段及其變化的了解程度有助于SEC儲(chǔ)量評(píng)估的準(zhǔn)確性。如某評(píng)估單元就是一個(gè)典型例子（見(jiàn)圖3），單元整個(gè)開(kāi)發(fā)歷程劃分為五個(gè)階段，每個(gè)階段及其轉(zhuǎn)換期的評(píng)估參數(shù)選取存在較大差異。

圖2　FPSB水動(dòng)力網(wǎng)格圖

FPSB船體主尺度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　FPSB船體主尺度

2.2系泊參數(shù)

FPSB系泊系統(tǒng)共有12根系泊纜，分為4組，每組3根，每1組內(nèi)相鄰2根系泊纜之間的夾角為5°，O點(diǎn)距船尾X=131.25 m。

每根系泊纜由兩部分組成，上部與平臺(tái)連接的為鋼絲繩，下端為錨鏈，鋼絲繩和錨鏈單位長(zhǎng)度下的水中質(zhì)量分別為90 kg/m和411 kg/m。系泊纜參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　系泊纜的參數(shù)

2.3設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

根據(jù)BV-NR 493規(guī)范，采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法獲得的系泊纜張力按照表3進(jìn)行衡準(zhǔn)。

表3　系泊張力的衡準(zhǔn)

3　環(huán)境條件與計(jì)算工況

選用中國(guó)南海百年一遇的條件對(duì)該船系泊定位展開(kāi)分析。服役海況環(huán)境條件參數(shù)如表4所示。風(fēng)、浪、海流同向，作用方向?yàn)?0°～ 270°。

表4　極限海況環(huán)境條件參數(shù)

選用500 m和1 000 m的水深，詳細(xì)分析水深對(duì)系泊定位特性的影響。通過(guò)對(duì)該FPSB進(jìn)行系泊定位分析發(fā)現(xiàn)，水深比較淺時(shí)，按照上述系泊系統(tǒng)的配置，系泊纜張力的安全系數(shù)不符合規(guī)范要求。因此，改變1號(hào)、6號(hào)、5號(hào)和12號(hào)纜繩與X軸方向的夾角 （如圖3所示），并降低系泊纜的預(yù)張力，使其滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

圖3　系泊系統(tǒng)布置圖

將FPSB的系泊布置模式分為三種不同的情形，以研究布纜方式對(duì)系泊定位能力的影響，見(jiàn)表5。

表5　FPSB的系泊布置模式

4　數(shù)值計(jì)算及分析

通過(guò)系泊分析軟件“ARIANE”建立了FPSB系泊定位系統(tǒng)的數(shù)值模型，如圖4所示。

圖4　FPSB系泊系統(tǒng)的數(shù)值模型

在風(fēng)浪流等外部激勵(lì)載荷的作用下，船體將產(chǎn)生偏移，引起系泊纜的形狀和位置發(fā)生改變，導(dǎo)致系泊纜頂端的張力發(fā)生變化，從而提供平衡外部環(huán)境載荷的反方向回復(fù)力，該回復(fù)力隨船體位移的變化曲線稱(chēng)為剛度曲線，直接反映系泊系統(tǒng)抵御外部載荷的能力。

圖5為系泊系統(tǒng)的水平布置方式相同，不同水深條件下（即：方案1和方案2模式），水平方向上船體位移-回復(fù)力的變化曲線。從圖5可知，系泊系統(tǒng)的剛度趨于直線，呈線性特征。在相同的偏移下，500 m水深時(shí)，系泊系統(tǒng)提供的回復(fù)力大于1 000 m時(shí)提供的回復(fù)力，這說(shuō)明在相同的外載荷作用下，500 m水深時(shí)，系泊系統(tǒng)的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)幅度相比較小。

此外，不同水深時(shí)，沿Y方向的橫蕩回復(fù)力均比X方向的縱蕩回復(fù)力要大，說(shuō)明該系泊系統(tǒng)的布置方式適用于橫向外部載荷較縱向更大的情況。

圖5　不同水深時(shí)，船體位移-回復(fù)力的變化曲線

計(jì)算極限海況下，水深分別為1 000 m和500 m（方案1和方案2模式），系泊完整工況和一根纜破損工況時(shí)，導(dǎo)纜孔處的系泊纜張力，如圖6-圖7所示。

圖6　系泊纜最大張力的安全系數(shù)隨風(fēng)浪流角度的變化（完整工況）

圖7　系泊纜最大張力的安全系數(shù)隨風(fēng)浪流角度的變化（單纜破斷工況）

從圖中可以看出：

（1）在各種水深條件下，系泊纜的最大張力發(fā)生在90°或270°橫浪作用，此時(shí)纜繩的安全系數(shù)最小。

（2）當(dāng)水深較淺時(shí)（方案2模式），某些角度下，盡管船體的運(yùn)動(dòng)幅值相比深水時(shí)要小，但在完整工況下，系泊纜張力的最小安全系數(shù)為1.61；在單纜破斷工況下，最小安全系數(shù)僅為1.10；均不符合規(guī)范要求。這是由于隨著水深的減小，系泊纜相應(yīng)的懸鏈線長(zhǎng)度減小，依靠系泊纜自身質(zhì)量形成的懸鏈線特性減弱，使系泊性能降低，系泊纜更容易被拉起而達(dá)到張緊狀態(tài)。另外，由于系泊所受的張力較大，錨端的上拔力較大，更容易發(fā)生走錨。

圖8和圖9顯示的是水深分別為1 000 m和500 m時(shí)（方案1和方案2模式），系泊完整和單纜破斷工況下，F(xiàn)PSB最大偏移%隨風(fēng)浪流角度的變化規(guī)律。

圖8　FPSB最大偏移%隨風(fēng)浪流角度的分布（完整工況）

圖9　FPSB最大偏移%隨風(fēng)浪流角度的分布（單纜破斷工況）

從圖中可以看出：

（1）在各種水深條件下，系統(tǒng)最大漂移往往發(fā)生在FPSB橫浪狀態(tài)下，其原因主要是在該角度作用下，受風(fēng)和受流面積大，船體承受的外載荷也越大。最小偏移發(fā)生在入射角度為0°附近（在船尾迎浪附近）。

（2）系泊系統(tǒng)的布置調(diào)整之前，無(wú)論是系泊纜完整還是單纜破斷的狀態(tài)，F(xiàn)PSB的偏移量分布規(guī)律基本一致，即：在船首、船尾迎浪附近（0° 或180°），偏移量最小，越靠近橫浪方向（90°或270°），偏移量越大。此外，水深較淺時(shí)， FPSB的漂移均偏小，這是由于該水深條件下，系泊系統(tǒng)剛度偏大的緣故。

（3）單纜破斷工況，各風(fēng)浪流角度作用下的船體偏移均大于系泊纜完整工況。

在水深為500 m時(shí)，為滿(mǎn)足規(guī)范的要求，需要對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)在系泊布置上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時(shí)降低系泊系統(tǒng)的整體剛度，以減少系泊纜的張力為最終目標(biāo)。

由于外部環(huán)境載荷在FPSB橫浪方向時(shí)的影響最大，現(xiàn)將1號(hào)、6號(hào)、5號(hào)和12號(hào)纜繩與X軸方向的夾角φ由50°調(diào)大到60°，使系泊纜更靠近橫浪方向，以有效抵抗橫向載荷。此外，將系泊纜預(yù)張力從破斷負(fù)荷的15%降低至10%（參見(jiàn)系泊布置模式“方案3”）。系泊系統(tǒng)調(diào)整之后，F(xiàn)PSB的慢漂運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力將呈現(xiàn)以下特征：

（1）經(jīng)此調(diào)整后，當(dāng)系泊完整和單纜破斷的工況下，系泊纜張力的最小安全系數(shù)均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）系泊系統(tǒng)的布置調(diào)整后，F(xiàn)PSB的偏移量分布規(guī)律與調(diào)整前并不一致，即：船體最小的偏移量并非發(fā)生在首尾迎浪附近，而是發(fā)生在偏離其30°的范圍內(nèi)。其原因在于系泊系統(tǒng)朝橫向挪動(dòng)，縱向的剛度減小，從而導(dǎo)致船體首尾向的偏移增大。

（3）系泊系統(tǒng)的布置調(diào)整后，系泊纜的最大張力普遍減小，其代價(jià)為船體的偏移量將增大。

5　結(jié) 論

本文采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方法分析了水深對(duì)FPSB多點(diǎn)系泊系統(tǒng)定位能力的影響，研究在不同水深條件下，船體的偏移和系泊纜張力的特性；在水深變化引起系泊系統(tǒng)的定位能力減弱時(shí)，通過(guò)調(diào)整系泊纜的預(yù)張力，修改纜繩的布置方式，使系泊系統(tǒng)滿(mǎn)足規(guī)范的要求，可得到以下結(jié)論：

（1）在系泊纜預(yù)張力和水平布置方式相同的情況下，水深較淺時(shí)，系泊系統(tǒng)提供的回復(fù)力更大，因此，相同的外載荷作用下，系統(tǒng)的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)幅度更小。

（2）在不同的水深條件下，船體的最大漂移、系泊纜的最大張力往往發(fā)生在FPSB橫浪狀態(tài)，主要是由于此時(shí)受風(fēng)面積和受流面積大，船體承受的外載荷也越大的緣故。

（3）水深對(duì)系泊纜的幾何特征將產(chǎn)生一定影響。在水淺時(shí)，系泊纜懸垂部分長(zhǎng)度的變化受船體水平漂移的影響較水深時(shí)更大，系泊纜更容易被拉起而達(dá)到張緊狀態(tài)。

（4）水深對(duì)系泊系統(tǒng)的定位性能將產(chǎn)生一定影響。水淺時(shí)，盡管系泊系統(tǒng)可以提供更大的回復(fù)力，從而減小船體的偏移，但該回復(fù)力的產(chǎn)生更多是通過(guò)纜繩張緊后的軸向拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這將導(dǎo)致系泊纜的張力變大，增加系泊系統(tǒng)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）當(dāng)FPSB的作業(yè)水深逐漸變淺時(shí)，按照相同的預(yù)張力和系泊布置，系泊系統(tǒng)的定位能力將逐漸減弱，其表現(xiàn)為船體偏移減小，系泊纜張力變大，錨端更容易起錨。若系泊系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境載荷的分布情況調(diào)整系泊的布置、調(diào)節(jié)系泊系統(tǒng)的預(yù)張力，同時(shí)判斷船體的偏移能否滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)要求。

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Infl uence of water depth on characteristics of multi-point mooring system for FPSB

SHAN Tie-bing
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:The spreading mooring system for the floating process and supply base(FPSB) that operates in the South China Sea are investigated based on a quasi dynamic method. The hydrodynamic performance of the FPSB is calculated by the three-dimensional potential theory to obtain the added mass, potential damping, slow drift loading, and motion response amplitude operator for the mooring positioning analysis. The influence of the water depth on the mooring positioning ability is analyzed from the investigations of hull offset and line tension with different water depth. The results indicate that the water depth has an influence on the geometry and positioning ability of the mooring system to some extent. In addition, this paper provides the relevant solutions for the practical engineering operation when the weakened positioning ability cannot meet the specification requirements due to the variation of water depth.

Keywords:floating process and supply base(FPSB); quasi dynamic method; mooring system; positioning ability; tension

［中圖分類(lèi)號(hào)］U661.1

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）02-0001-07

［收稿日期］2015-12-03；［修回日期］2015-12-17

［作者簡(jiǎn)介］單鐵兵（1982-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：船舶及海洋工程水動(dòng)力性能及系泊定位分析。