旁靠外输作业系泊系统优化分析

梁双令，程 堃

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

在海况条件较好的渤海海域，旁靠外输是一种十分可行的两船外输作业方案。两船旁靠一般选择在涨潮后或落潮后1～2 h内进行，此时浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)的艏向比较稳定，穿梭油轮在FPSO的右后侧400～500 m距离，以与FPSO艏向成15°～25°的夹角顶流上行靠近FPSO。由于穿梭油轮吨位较大，一般情况下航速保持在3 kn左右，并随着与FPSO距离的减小逐渐减速。当FPSO和穿梭油轮相距30～40 m时陆续进行系泊布置，并调整系泊缆长度从而达到预定要求[1]。

针对由两船体组成的旁靠作业系统，国内外学者多采用数值模拟的方法进行分析。刘元丹等[2]针对两旁靠FPSO和LNG运输船组成的旁靠系泊系统，基于三维势流理论和考虑两船间水动力相互作用的情况下，计算两旁靠船舶所受到的波浪载荷。谷家扬等[3]考虑外部风浪流的组合作用，对浮式液化天然气储存及再气化装置(Floating Storage and Regasification Unit，FSRU)和LNG的运动特性以及缆绳和护舷受力进行分析，从而优化系泊系统布置和参数。付强等[4]研究了由于两船旁靠产生的遮蔽效应对二阶波浪力、附加质量和辐射阻尼的影响。

徐乔威[5]以水池模型试验方法，研究了不同载况下两船旁靠时的运动响应以及系泊缆和靠球的受力情况。BUCHNER等[6]建立了未考虑粘性流体影响的浮式液化天然气设施(Floating Liquefied Natural Gas，FLNG)和LNG旁靠数值分析模型，并在两船之间的自由液面上人为的加入一阻尼盖，使得漂移力和相对横荡、艏摇运动的计算更加合理。INOUE等[7]基于动量定理的远场分析方法研究了FLNG和LNG运输船的运动与慢漂力，并重点关注了两船距离和浪向角对水动力的影响。

本文以渤海明珠号FPSO与穿梭油轮组成的旁靠外输作业系统为计算模型，采用多浮体水动力学理论，考虑船体、系泊缆、靠球之间的动力耦合，分析系泊缆和靠球参数的调整对旁靠系统安全性的影响，从而实现对系泊系统的优化目标。

1 多浮体耦合分析理论

基于三维势流理论，计算在一定波浪频率内的多浮体耦合水动力系数，包括附加质量、辐射阻尼和二阶波浪力传递函数，用于求解浮体时域运动方程。为更加精确地模拟旁靠系统的动力响应，采用多项式拟合复合纤维系泊缆的非线性刚度[8]。

假设有n个浮体并考虑浮体间的水动力耦合，在承受多种外界载荷后，根据牛顿第二定律，6×n自由度的耦合时域运动方程见式(1)。

(1)

对于复合纤维系泊缆，需要采用数学公式拟合系泊缆的张力和伸长比之间的非线性关系，从而得到系泊缆的刚度值，本文选用式(2)的多项式关系。

EA(ε)=

(2)

式中：E为杨氏模量；A为等效横截面积；EA为线弹性模量；k1、k2和k3为多项式系数，均为定值；ε为系泊缆伸长比，ε=Δl/l；εt，max为系泊缆在EA线性段的最大伸长比。

将风速和流速视为定常值，则风载荷和流载荷与对应风速和流速的平方成正比，见式(3)。

Fj=ρV2CjAj/2

(3)

式中：ρ为空气或水的密度；V为风速或流速；Fj、Cj和Aj分别为在船体与风/流成j夹角下的风/流载荷、风/流力系数和受风/流面积。

当采用势流理论求解小间隙多浮体水动力响应时，由于不考虑水的粘性，浮体间的自由液面会出现波面急剧升高的现象，这与真实情况是不相符的。为了使数值模拟更能反映实际，需要在浮体之间的自由液面上人为添加具有阻尼的刚性盖子，即阻尼盖(Damping Lid)。

2 计算参数

2.1 船体参数

旁靠外输系统由渤海明珠号FPSO和玉池号穿梭油轮组成。外输作业过程包括2个典型的装载工况：FPSO满载、穿梭油轮压载和FPSO压载、穿梭油轮满载。本文以前者为例，相应的FPSO和穿梭油轮主尺度见表1。

2.2 系泊缆参数

系泊缆是保证旁靠外输作业安全进行的关键因素。根据系泊缆的材质和特性，本文选用尼龙缆用于FPSO和穿梭油轮之间的系泊，其横截面见图1。主要参数为：直径88 mm，干重4.82 kg/m，湿重0.47 kg/m，最小破断张力2 011 kN。

采用准静态方法测量得到的系泊缆张力和伸长比关系曲线见图2。考虑到一般情况下系泊缆都不是第一次使用，因此采用图中“旧缆”曲线。

表1 FPSO和穿梭油轮主尺度

图1 系泊缆横截面示意图

图2 系泊缆张力伸长比曲线

2.3 靠球参数

在旁靠外输作业过程中，为避免FPSO和穿梭油轮由于相对运动而造成的直接碰撞，在两者之间配有靠球作为缓冲介质，用于吸收船体的冲击能量，从而保证船体的结构安全。

根据实际工程经验，在FPSO右舷配置4个靠球。在运动过程中，靠球相对于FPSO的垂向位置随FPSO吃水的变化而变化。靠球选用较为常见的充气式橡胶碰垫，具体特性参数见表2。

靠球提供的回复力F和变形量Δx满足式(4)的三次多项式方程。但是在计算过程中，为满足安全要求，规定靠球的变形量不得超过60%。

F=572 380Δx+118 090Δx2+597 960Δx3

(4)

表2 靠球特性参数

2.4 环境条件

本文选用明珠号作业海域一年一遇海况作为计算环境条件，见表3。其中波浪谱选用JONSWAP谱，风速为10 min平均风速，流速为表层流速，且三者方向都规定为迎向。

表3 计算环境条件

3 水动力模型

旁靠系统水动力模型共包括五部分：FPSO、穿梭油轮、系泊缆、靠球和软刚臂单点系统，见图3。根据计算经验，船体面元的大小一般取波长的1/7，因此FPSO和穿梭油轮的单元数量分别为2 530和1 954。

图3 水动力模型

在FPSO和穿梭油轮之间共设有10根系泊缆和4个靠球，其中船艏4根平行连接，船中2根交叉连接，船艉4根平行连接。系泊缆和靠球编号见图4。图中：1～4为靠球编号，5～14为系泊缆编号。

图4 系泊布置形式和编号示意图

软刚臂单点系统由系泊支架、系泊腿和软刚臂组成，每一连接处都有自身的局部坐标系，见图5。系泊腿两端分别与系泊支架和软刚臂相连，且都可以自由转动。软刚臂末端与塔架相连，只可以绕Z轴自由转动。

4 计算结果与分析

对系泊系统的优化主要针对系泊缆和靠球，并从系泊缆的长度、刚度、布置形式和靠球特性四方面入手，主要目的是降低系泊缆张力的最大值和使系泊缆张力更加均衡，从而提高旁靠作业的安全性。

图5 软刚臂单点系统

4.1 系泊缆长度

某一系泊缆张力过大和系泊缆受力不均衡是导致旁靠外输作业发生事故的主要原因。一般受力最大的系泊缆首先发生破断，其余系泊缆重新分配受力，然后其中受力最大的系泊缆继续破断。当一根系泊缆破断后，由于系泊缆数量的减少，使得其余系泊缆承受的张力都在不断增大，造成系泊缆破断的概率也不断增大，因此，优化系泊缆长度，从而使各系泊缆受力均衡是旁靠外输作业系泊系统优化分析的关键。

在数值计算中，可按照一定的流程对系泊缆长度进行优化。规定系泊缆张力最大值和最小值的差值在某一给定值范围内，则认为该系泊缆长度为优化结果，如果不满足则需要不断调整系泊缆长度，重新计算。上述优化过程见图6。

图6 系泊缆长度优化流程图

计算规定系泊缆张力最大值和最小值不大于100 kN时满足要求，则优化前后系泊缆的长度和张力结果见表4。

由表4可知，系泊缆长度虽然优化前后变化不大，但是系泊缆张力的最大值从优化前的975.3 kN减小到优化后的754.9 kN，降幅达到22.6%；同时，系泊缆张力的最大值和最小值的差值从671.20 kN减小到83.9 kN，降幅达到87.5%。这说明对系泊缆长度的优化不仅减小了系泊缆张力，同时使系泊缆受力更加均衡。

表4 系泊缆长度优化结果

4.2 系泊缆刚度

选用刚度和最小破断张力更好的系泊缆可以有效控制旁靠船体的相对运动，从而降低系泊缆的张力，提高旁靠系统的安全性。因此，将系泊缆从直径88 mm(最小破断张力2 011 kN)改为直径120 mm(最小破断张力2 678 kN)，以优化后的系泊缆长度进行计算，则优化结果见表5。

表5 系泊缆刚度优化结果

由表5可知，增大系泊缆刚度的同时增大了作用在船体上的回复力，有效控制了船体的相对运动，减小了系泊缆张力，同时最小破断张力的增大也有效提高了系泊缆的安全系数。

4.3 系泊缆布置形式

考虑到船体上的导缆孔位置和数量都是固定的，因此在系泊缆布置形式时只是将系泊缆由艏艉平布置改为交叉布置，见图7。系泊缆布置形式优化结果见表6。

图7 系泊缆优化布置形式

表6 系泊缆布置形式优化结果

由表6可知，优化后系泊缆张力最大值由754.9 kN减小到729.3 kN，降幅只有3.4%，说明对系泊缆布置形式的优化效果有限，而且优化后的布置形式有较多的系泊缆交叉，给系缆和解脱都带来了不便。因此，虽然该布置形式可以减小系泊缆张力的最大值，但是出于使作业简便快捷的考虑，仍然建议采用原来的布缆形式。

4.4 靠球

靠球的变形反映了船体之间的相对运动和受力，选用材质和特性更好的靠球，既可以保证船体不发生碰撞，又可以提高旁靠作业的安全性。因此将靠球的回复力和变形曲线方程由F=572 380Δx+118 090Δx2+597 960Δx3调整为F=858 570Δx+177 135Δx2+896 940Δx3。

从计算结果发现，对靠球特性优化后，系泊缆张力的最大值从975.3 kN减小到722.1 kN，降幅达到26.0%，同时安全系数的最小值也从2.06提高到3.71；系泊缆张力的最大值和最小值的差值从671.2 kN减小到84.9 kN，降幅达到87.4%。这说明对靠球的优化效果十分明显，不仅减小了系泊缆张力最大值并同时提高了安全系数，而且使得系泊缆张力更加均衡。

5 结论

为提高旁靠外输作业系泊系统的安全性，对系泊缆和靠球进行了优化，主要从系泊缆长度、刚度、布置形式和靠球特性等方面考虑。通过数值计算可以得出如下结论：

(1)调整系泊缆长度使各系泊缆受力更均衡是保证旁靠作业安全的关键。

(2)改用刚度和最小破断张力更好的系泊缆不仅可以减小系泊缆张力，同时可以提高安全系数，但同时会带来系泊缆成本提高等问题。

(3)在原有导缆孔位置和数量的基础上，调整系泊缆布置形式时一方面要减小系泊缆张力，另一方面也要考虑系泊缆交叉带来的实际操作的不便。

(4)优化靠球的材质和特性，可以有效减小系泊缆的张力最大值，同时使系泊缆受力更加均衡。