油船系泊平臺(tái)外輸作業(yè)的數(shù)值模擬

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(guó)船級(jí)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(tái)，油氣運(yùn)輸?shù)姆绞街皇墙柚诖┧笥痛?。在穿梭油船系泊平臺(tái)時(shí)［1］，依靠系纜系統(tǒng)將其固定在平臺(tái)一側(cè)。為了防止油船與系泊平臺(tái)的碰撞損壞平臺(tái)或油船，在系泊平臺(tái)靠船一側(cè)設(shè)置靠船架，同時(shí)在靠船架側(cè)面的兩端均設(shè)置多個(gè)橡膠護(hù)舷，以吸收油船的撞擊動(dòng)能，減少撞擊力。在系泊平臺(tái)外側(cè)設(shè)有兩個(gè)筒型基礎(chǔ)的系纜平臺(tái)，用于穿梭油船的帶纜作業(yè)，系纜平臺(tái)與系泊平臺(tái)通過(guò)棧橋相連。油船外輸?shù)倪^(guò)程中，在風(fēng)、浪、流的作用下，油船與系泊平臺(tái)發(fā)生周期性碰撞。隨著風(fēng)、浪、流的增大，碰撞情況也會(huì)愈加嚴(yán)重，甚至危及到平臺(tái)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(yīng)用三維勢(shì)流理論，運(yùn)用MOSES軟件，計(jì)算在不同工況下，油船系泊平臺(tái)的碰撞情況，從而確定平臺(tái)外輸作業(yè)的限制工況。

1 計(jì)算原理

1.1 環(huán)境力計(jì)算

作用在系泊油船上的風(fēng)力及力矩的計(jì)算采用國(guó)際通用公式。

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

CXw，CYw，CXYw——縱向、橫向和艏搖風(fēng)力系數(shù);

ρw——空氣密度;

Vw——風(fēng)速;

AL、AT——縱向和橫向受風(fēng)面積;

LBP——油船垂向間長(zhǎng)。

作用在系泊油船上的流力及力矩的計(jì)算采用國(guó)際通用公式

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

CXc，CYc，CXYc——縱向、橫向和艏搖風(fēng)力系數(shù);

ρc——流體密度;

Vc——流速;

T——平均吃水;

LBP——油船垂向間長(zhǎng)。

關(guān)于波浪力的計(jì)算，根據(jù)勢(shì)流理論，通過(guò)求解線性邊值問(wèn)題(BVP)，得到頻域內(nèi)水動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程，得到頻域范圍內(nèi)船體運(yùn)動(dòng)RAO。

船體頻域運(yùn)動(dòng)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(fù)力系數(shù)矩陣;

Fw——波浪擾動(dòng)力。

1.2 時(shí)域準(zhǔn)靜態(tài)系泊分析

對(duì)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(yùn)動(dòng)方程需在時(shí)域內(nèi)求解。由于穿梭油船系泊與靠泊平臺(tái)屬于臨時(shí)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(dòng)態(tài)效應(yīng)可以忽略，故采用準(zhǔn)靜態(tài)的分析方法。船體時(shí)域運(yùn)動(dòng)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(fù)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(fēng)力、流力、護(hù)舷反力、纜繩拉力。

一階波浪力的時(shí)間歷程對(duì)頻域計(jì)算得到的波浪力進(jìn)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(gè)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(tái)時(shí)，系泊平臺(tái)和油船的位置見圖1，艏艉各有3條纜繩帶纜在系纜平臺(tái)A、B上，船舯成交叉纜與系泊平臺(tái)連接，平臺(tái)的A、B兩端各有4列橡膠護(hù)舷，吸收油船撞擊能量，減小碰撞力。

圖1 油船系泊示意

應(yīng)用MOSES軟件，建立油船水動(dòng)力模型，按照三維勢(shì)流理論計(jì)算穿梭油船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得到指定環(huán)境條件下的油船位移，與橡膠護(hù)舷碰撞力及纜繩拉力。隨著環(huán)境力的增大，油船與平臺(tái)之間碰撞作用會(huì)變劇烈，碰撞力和系纜力也會(huì)加大。在系泊過(guò)程中，下面各因素限制油船系泊平臺(tái)外輸作業(yè)。

1)橡膠護(hù)舷所能承受的極限碰撞力。

2)油船與護(hù)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(tái)的橫向剛度。

考慮風(fēng)、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(dòng)力運(yùn)算，根據(jù)限制條件進(jìn)行篩選，最終確定油船系泊平臺(tái)的限制工況，其流程見圖2。

圖2 工況分析流程

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 環(huán)境條件

系泊平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(hù)舷參數(shù)

采用8根纜系泊，船艏和船艉的3根與系纜平臺(tái)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(shè)計(jì)拉力(許用值)為867 kN。

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

圖3 橡膠護(hù)舷特征剛度曲線

計(jì)算中取護(hù)舷變形達(dá)到高程0.8 m的55%(即0.44 m)時(shí)為護(hù)舷破壞對(duì)應(yīng)的反力。系泊平臺(tái)A、B端共8列護(hù)舷，每列護(hù)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(zhǎng)度以滿足潮位變化的系泊要求。

3.4 計(jì)算結(jié)果

系泊時(shí)，8列護(hù)舷都會(huì)與油船舷側(cè)相作用，舷側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于每列護(hù)舷的許用碰撞力為4 740 kN;系泊平臺(tái)A或B端設(shè)計(jì)的橫向剛度能夠承受14 000 kN撞擊力?？紤]油船壓載和滿載，0°～315°共8個(gè)角度，風(fēng)、浪、流同向情況，不規(guī)則波選用JONSWAP譜進(jìn)行計(jì)算。

3.4.1 油船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

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(yùn)動(dòng)響應(yīng)，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(shí)域計(jì)算結(jié)果

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

由于篇幅限制，本文僅列出環(huán)境方向?yàn)?0°和270°橫浪時(shí)，系纜力和護(hù)舷碰撞力的統(tǒng)計(jì)值，見表3～6。時(shí)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(hào)系泊纜時(shí)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(shí)，系纜力超過(guò)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(shí)，系纜力和護(hù)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(hào)系泊纜時(shí)歷曲線

圖12 270°橫浪1.5 m波高滿載平臺(tái)A端碰撞力時(shí)歷曲線

3.5 限制工況

通過(guò)計(jì)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(tái)的限制工況，見表7。

表7 油船系泊平臺(tái)外輸作業(yè)的限制工況

3.6 計(jì)算分析結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明，橫浪90°(離開平臺(tái))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(tái))油船和平臺(tái)護(hù)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(hào)系泊纜受力較大;斜浪，迎浪對(duì)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(yùn)動(dòng)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(tái)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(gè)自由度運(yùn)動(dòng)中，橫蕩、橫搖、艏搖對(duì)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(yùn)動(dòng)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(hào)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(shè)計(jì)5 000 t油船靠泊模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［2］劉應(yīng)中，繆國(guó)平.船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)理論［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1987.

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