陳浩東，鐘 斌，韓玉龍，樊天慧，劉 鯤*

(1.中海油海南能源有限公司，海南 ?？?570105；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

我國(guó)遠(yuǎn)海海域蘊(yùn)含較為豐富的油氣資源，其儲(chǔ)量的70%蘊(yùn)藏于深海海域。對(duì)于傳統(tǒng)的“岸基碼頭→補(bǔ)給船舶→鉆井平臺(tái)”的海上作業(yè)后勤補(bǔ)給模式來說，隨著作業(yè)距離的增大，物資供給和后勤保障等成本較高，效率較低。通過研發(fā)制造后勤保障浮式碼頭(簡(jiǎn)稱“浮式碼頭”)，形成“浮式碼頭→補(bǔ)給船舶→鉆井平臺(tái)”的物資補(bǔ)給和后勤保障模式，可實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)海就近對(duì)鉆井平臺(tái)開展物資供補(bǔ)、人員倒班、安全防范和應(yīng)急救援等后勤保障措施，為遠(yuǎn)海油氣資源開發(fā)提供強(qiáng)有力的裝備支撐和后勤保障。

浮式碼頭的耐波性能和系泊性能直接關(guān)系鉆井平臺(tái)的安全性和可靠性。郭京等[1]建立適合在沿海開展試驗(yàn)研究的大尺度遙控遙測(cè)自航船模測(cè)試系統(tǒng)，開展同噸級(jí)圓舭船型和深V復(fù)合船型大尺度船模在沿海風(fēng)浪環(huán)境下的耐波性試驗(yàn)研究。劉旭等[2]以某5萬t半潛船為研究對(duì)象，分別通過耐波性模型試驗(yàn)、實(shí)船試驗(yàn)和三維水動(dòng)力數(shù)值模擬方法研究該船在不同海況條件下的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。胡曉明等[3]對(duì)船模進(jìn)行耐波性試驗(yàn)，給出實(shí)船的最大橫搖角、縱搖角、升沉幅值和船舶重心處的垂向加速度，并與穩(wěn)性規(guī)范相關(guān)公式進(jìn)行驗(yàn)算比較。莫瑞芳等[4]利用SESAM軟件對(duì)某15 000 t半潛船在零航速時(shí)滿載狀態(tài)的耐波性進(jìn)行計(jì)算和分析，并結(jié)合該船實(shí)際航行的國(guó)內(nèi)近海航區(qū)對(duì)其在典型海況條件下的耐波性進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。曲魯濱等[5]針對(duì)圓舭船型開展船型優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)主船體和附體構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)和水動(dòng)力布局，經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，有效降低該船型興波阻力，耐波性能得到大幅提升。

浮式碼頭三維模型如圖1所示。通過模型試驗(yàn)對(duì)浮式碼頭及其系泊系統(tǒng)性能進(jìn)行研究，旨在與數(shù)值計(jì)算模型相互驗(yàn)證，以確保浮式碼頭耐波性能和錨泊性能滿足目標(biāo)海域作業(yè)需求。

圖1 浮式碼頭三維模型

1 模型試驗(yàn)

1.1 水池介紹

試驗(yàn)在華南理工大學(xué)波浪水池完成。該水池主要尺度為30.0 m×18.0 m×1.0 m，水池造波機(jī)可產(chǎn)生規(guī)則或不規(guī)則長(zhǎng)峰波，最大波高可達(dá)0.40 m；采用LabVIEW平臺(tái)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及實(shí)時(shí)分析，通過非接觸式光學(xué)六自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量船模在波浪中的六自由度運(yùn)動(dòng)，并采用無線加速度傳感器測(cè)量和驗(yàn)證船模的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)；浪高儀用于測(cè)量實(shí)時(shí)波浪；4個(gè)防水拉壓力傳感器用于測(cè)量錨泊張力。

1.2 浮式碼頭物理模型

浮式碼頭模型為木質(zhì)船模，按照給定的型值表、主要參數(shù)、型線圖和總布置圖制作。船模制作滿足相應(yīng)的精度要求，其排水量、重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑通過設(shè)置船模內(nèi)壓載的質(zhì)量和位置進(jìn)行精確調(diào)整。浮式碼頭主要參數(shù)如表1所示，其中：坐標(biāo)原點(diǎn)取尾垂線、中縱剖線與水線面相交處。

表1 浮式碼頭主要參數(shù)

1.3 系泊系統(tǒng)模型

浮式碼頭采用由四點(diǎn)錨泊鋼絞線組成的錨泊系統(tǒng)，屬于張緊式錨泊，目前配備的錨索為4根鍍鋅鋼絲繩，長(zhǎng)為1 700 m，直徑為66 mm，破斷力為2 450 kN，并配備4個(gè)STEVPRIS MK6型海洋工程大抓力錨，6 000 kg。

根據(jù)試驗(yàn)水池水深的具體情況和等效剛度原理，在模型試驗(yàn)中采用等效截?cái)噱^泊模型，將鋼絲繩串聯(lián)彈簧，模擬實(shí)際四點(diǎn)錨泊工況，用于測(cè)量錨泊張力。試驗(yàn)?zāi)M300 m水深，錨泊線與Ox軸夾角為30°，錨泊線長(zhǎng)為800 m，錨泊系統(tǒng)預(yù)張力為1.42 N(對(duì)應(yīng)原型為600 kN，為錨泊線約25%的破斷載荷)。浮式碼頭試驗(yàn)錨泊布置如圖2所示。

圖2 浮式碼頭試驗(yàn)錨泊布置

1.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況包括3種：靜水試驗(yàn)工況、規(guī)則波(Regular Wave，RW)工況和不規(guī)則波(Irregular Wave，IRW)工況。

(1)靜水試驗(yàn)工況

靜水試驗(yàn)工況包括浮式碼頭模型的橫搖和縱搖衰減試驗(yàn)。橫搖和縱搖衰減試驗(yàn)識(shí)別的阻尼用于數(shù)值計(jì)算模型的阻尼修正。

(2)RW工況

采用周期為0.55～3.00 s(對(duì)應(yīng)實(shí)際周期為4.76～25.98 s)、波高為2～3 cm(對(duì)應(yīng)實(shí)際波高為1.50～2.25 m)的RW，用于測(cè)試浮式碼頭模型在180°首迎浪、135°首斜浪和90°橫浪等3個(gè)浪向條件下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)曲線，每個(gè)浪向采用14個(gè)不同周期的RW。

(3)IRW工況

IRW的RAO試驗(yàn)考慮3個(gè)浪向：180°首迎浪、135°首斜浪和90°橫浪。在海洋工程水池中生成的波浪傳播方向固定，因此在模型試驗(yàn)中對(duì)各浪向的模擬通過改變船模及其錨泊系統(tǒng)等在水池中的布置，實(shí)現(xiàn)不同方向角面向波浪的作用。

采用工作目標(biāo)地點(diǎn)不同浪向的一年一遇和五年一遇波浪工況作為試驗(yàn)工況，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，并校核錨泊強(qiáng)度。3個(gè)浪向的IRW工況如表2所示。試驗(yàn)波面通過2～3次的自動(dòng)迭代和修正可獲得與目標(biāo)譜吻合度高的IRW。以IRW-1為例，換算為實(shí)船的IRW-1工況波面時(shí)程曲線和試驗(yàn)譜與目標(biāo)譜對(duì)比如圖3所示。

圖3 換算為實(shí)船的IRW-1工況波面時(shí)程曲線和試驗(yàn)譜與目標(biāo)譜對(duì)比

表2 IRW工況

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 靜水衰減試驗(yàn)

浮式碼頭在7.5 m吃水條件下的靜水橫搖和縱搖衰減時(shí)程曲線如圖4所示，靜水衰減試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：(1)船模橫搖和縱搖慣量調(diào)節(jié)均在專用船模調(diào)節(jié)架上完成，橫搖固有周期與目標(biāo)值較為一致，表明船模橫搖慣量調(diào)節(jié)符合要求；(2)浮式碼頭的運(yùn)動(dòng)特性具有大水線面船舶的典型特點(diǎn)。

表3 浮式碼頭靜水衰減試驗(yàn)結(jié)果

圖4 浮式碼頭靜水橫搖和縱搖衰減時(shí)程曲線

2.2 RW試驗(yàn)

對(duì)RW試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到浮式碼頭六自由度運(yùn)動(dòng)的RAO曲線，可與頻域數(shù)值計(jì)算得到的RAO曲線進(jìn)行對(duì)比，以校驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。浮式碼頭135°首斜浪的RAO曲線如圖5所示。RW試驗(yàn)結(jié)果表明，通過黏性阻尼修正的數(shù)值計(jì)算模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，表明數(shù)值計(jì)算模型水動(dòng)力分析的有效性。

圖5 浮式碼頭135°首斜浪RAO曲線

2.3 IRW試驗(yàn)

根據(jù)錨泊張力數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果，按目前錨泊系統(tǒng)布置條件下，面對(duì)一年一遇的極限工作海況，錨泊系統(tǒng)可提供安全錨泊，并保證一定的安全冗余度。浮式碼頭IRW-4工況135°首斜浪六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線如圖6所示。但面對(duì)五年一遇的極限工況，特別是在斜浪作用下，現(xiàn)有錨泊系統(tǒng)張力較大，具有破壞風(fēng)險(xiǎn)。以IRW-3工況為例，浮式碼頭IRW-3工況135°首斜浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨泊系統(tǒng)張力統(tǒng)計(jì)值如表4所示。

表4 浮式碼頭IRW-3工況135°首斜浪運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和錨泊系統(tǒng)張力統(tǒng)計(jì)值

圖6 浮式碼頭IRW-4工況135°首斜浪六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線

3 結(jié) 語

由船模靜水衰減試驗(yàn)得到的橫搖周期和縱搖周期與設(shè)計(jì)周期接近，與船模加工的可靠性和理論設(shè)計(jì)值之間進(jìn)行相互驗(yàn)證。通過RW試驗(yàn)，獲得浮式碼頭3種浪向的運(yùn)動(dòng)RAO曲線，試驗(yàn)結(jié)果與采用橫搖阻尼修正的數(shù)值計(jì)算模型結(jié)果吻合度高，驗(yàn)證修正的數(shù)值計(jì)算模型的有效性。根據(jù)IRW試驗(yàn)結(jié)果，浮式碼頭運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算模型結(jié)果吻合度較高，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的有效性。IRW試驗(yàn)結(jié)果表明，在目前錨泊布置條件下，難以滿足抵抗五年一遇的波浪工況(在首斜浪和橫浪條件下)，需要對(duì)錨泊系統(tǒng)的布置進(jìn)一步優(yōu)化。