單點(diǎn)系泊船體對(duì)艉部推力需求分析

郭欣杰，邱成國(guó)，葛 濤

(太重(天津)重型機(jī)械有限公司，天津 300450)

單點(diǎn)系泊船體對(duì)艉部推力需求分析

郭欣杰，邱成國(guó)，葛 濤

(太重(天津)重型機(jī)械有限公司，天津 300450)

由軟剛臂系泊的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)存卸貨裝置(FPSO)在渤海海域應(yīng)用十分廣泛，艉部推力在軟鋼臂的安裝與解脫、自航、定點(diǎn)排污和避碰等作業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。采用數(shù)值模擬方法分析艉部推力對(duì)FPSO的自航能力、系泊狀態(tài)下縱向和橫向運(yùn)動(dòng)及水平系泊力、自由狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，從而論證艉部推力存在的必要性。結(jié)果表明：艉部推力可為FPSO提供自航能力，對(duì)系泊狀態(tài)下的縱向運(yùn)動(dòng)影響很小，反而會(huì)增大水平系泊力，對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)和自由狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)影響顯著。

艉部推力；軟剛臂系泊；系泊運(yùn)動(dòng)；自由運(yùn)動(dòng)

0 引言

FPSO是海洋油氣開發(fā)中應(yīng)用最廣泛的海洋工程裝備。例如，作業(yè)于渤海海域的明珠號(hào)和長(zhǎng)青號(hào)采用塔架軟鋼臂單點(diǎn)系泊裝置系泊，使得FPSO具有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，能使FPSO在風(fēng)浪流等外界環(huán)境聯(lián)合作用下，位于最小環(huán)境力的位置上。雖然由軟鋼臂系泊的FPSO屬于非自航船，但在許多作業(yè)中，艉部推力都發(fā)揮著重要的作用。一般情況下，艉部推力有如下幾種功能：

(1)軟剛臂安裝時(shí)，普遍采用拖船在艉部拖拽FPSO的方法，使系泊纜張緊，從而減少安裝過程中FPSO的縱向位移。艉部推力可以替代拖船完成艉部拖拽工作。

(2)軟剛臂解脫與安裝過程相反，但艉部推力起到的作用與安裝時(shí)相同。

(3)艉部推力可以實(shí)現(xiàn)FPSO具有一定的自航能力。

(4)艉部推力可以使FPSO繞塔架旋轉(zhuǎn)，調(diào)整艏向用于定點(diǎn)排污。

(5)在系泊狀態(tài)下，施加艉部推力用于減小或避免FPSO與軟剛臂碰撞的幾率。

(6)在高海況下當(dāng)軟剛臂系泊失效后，艉部推力可以控制FPSO的運(yùn)動(dòng)，從而使其具有一定的避碰能力。

本文以某作業(yè)于渤海海域并且由軟剛臂系泊的FPSO為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算方法分析在各種工況下艉部推力對(duì)FPSO的運(yùn)動(dòng)和系泊力的影響。

1 理論概述

對(duì)于由軟剛臂系泊的FPSO，需綜合考慮波浪、風(fēng)、流載荷以及由軟剛臂配重提供的回復(fù)力，在施加艉部推力的情況下，其時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

式中：M為FPSO的質(zhì)量矩陣；A(∞)為波浪頻率為無窮大時(shí)的附加質(zhì)量；K(t)為時(shí)延函數(shù)；C為FPSO的靜水回復(fù)力矩陣；等號(hào)右邊依次為一階波浪力、風(fēng)載荷、流載荷、系泊力、艉部推力和二階波浪力。

根據(jù)API規(guī)范，采用模塊法計(jì)算主要構(gòu)件的風(fēng)載荷，即把整個(gè)結(jié)構(gòu)離散成不同的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，疊加各組成構(gòu)件的風(fēng)載荷獲得總的風(fēng)載荷。構(gòu)件i受到的風(fēng)載荷計(jì)算公式為：

(2)

總的風(fēng)載荷為：

(3)

總的風(fēng)載荷矩為：

(4)

流速在水面以下逐漸遞減，但考慮到FPSO吃水較小，故將流速作為定長(zhǎng)值處理。依據(jù)API規(guī)范，同樣采用模塊法計(jì)算流載荷，但對(duì)于FPSO，水面以下僅有FPSO部分。因此，F(xiàn)PSO受到的流載荷Fc計(jì)算公式為：

(5)

式中：Css為流力系數(shù)，Css=515.62N·s2/m4；Cd為拖曳力系數(shù)；Ac(α)為流向?yàn)棣習(xí)r，F(xiàn)PSO的迎流面積；Vc為設(shè)計(jì)流速。

流載荷Mc計(jì)算公式為：

Mc=Fcyx+Fcxy

(6)

式中：Fcy為FPSO受到的橫向流載荷；Fcx為FPSO受到的縱向流載荷；x為FPSO的橫向流載荷距參考點(diǎn)的力臂；y為FPSO的縱向流載荷距參考點(diǎn)的力臂。

目前，求解二階漂移力的方法主要有3種：基于物面表面積分的近場(chǎng)法、基于動(dòng)量和能量守恒的遠(yuǎn)場(chǎng)法和在近場(chǎng)法基礎(chǔ)上衍生出的中場(chǎng)法。本文采用近場(chǎng)法來計(jì)算二階漂移力。

2 計(jì)算條件

2.1 模型參數(shù)

FPSO主要參數(shù)見表1。軟剛臂系泊系統(tǒng)中單個(gè)系泊腿的質(zhì)量為15.47 t，軟剛臂質(zhì)量為237.6 t，壓載水質(zhì)量為350 t。

表1 FPSO主要參數(shù)

2.2 艉部推力參數(shù)

在FPSO設(shè)計(jì)階段，初步確定在其艉部裝配2臺(tái)小功率的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，主機(jī)可為推進(jìn)器提供大約2×1 000 kW的功率。根據(jù)NRP140舵槳推力-功率曲線，1 000 kW推進(jìn)器功率可提供大約16～17 kN的推力。因此，在數(shù)值計(jì)算中選取艉部推力為2×10、2×16、2×20 kN，推力作用點(diǎn)見表2。

2.3 環(huán)境條件

根據(jù)艉部推力的功能需求，選取3種計(jì)算工況：

(1)自航工況：FPSO在靜水中航行，不考慮風(fēng)浪流的影響。

(2)作業(yè)工況：FPSO在系泊狀態(tài)下正常作業(yè)，在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下有風(fēng)標(biāo)效應(yīng)。

(3)自由工況：軟剛臂系泊失效，F(xiàn)PSO在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下自由慢漂，此時(shí)依靠艉部推力控制運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)避碰。

作業(yè)工況和自由工況下風(fēng)浪流參數(shù)見表3。

表2 推力作用點(diǎn)

表3 作業(yè)工況和自由工況參數(shù)

根據(jù)規(guī)范，選取6種常見風(fēng)浪流方向組合工況，組合情況見表4。

表4 風(fēng)浪流方向組合 (°)

工況風(fēng)浪流工況1180180工況2180180180工況3180180135工況418018090工況5180135135工況618013590

3 計(jì)算模型

3.1 坐標(biāo)系

規(guī)定FPSO艏向和風(fēng)浪流方向都與x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值，其風(fēng)浪流方向規(guī)定如圖1所示。

3.2 水動(dòng)力模型

建立FPSO水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示，采用四邊形單元對(duì)FPSO表面進(jìn)行劃分。軟剛臂系泊系統(tǒng)如圖3所示，主要由系泊支架、系泊腿和軟剛臂3部分組成，其中軟剛臂與塔架相連。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 自航工況計(jì)算

為分析FPSO在給定艉部推力下的自航能力，首先計(jì)算FPSO在不同航速下的靜水總阻力，其曲線圖如圖4所示，然后根據(jù)插值得到在艉部推力為2×10、2×16、2×20 kN下FPSO所能達(dá)到的航速分別為6.07、7.66、8.55 kn。

4.2 作業(yè)工況計(jì)算

在作業(yè)工況下，主要分析艉部推力對(duì)系泊狀態(tài)下FPSO的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)及系泊力產(chǎn)生的影響。

4.2.1 對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)和系泊力的影響

在不同工況下，風(fēng)浪流聯(lián)合作用會(huì)使FPSO的艏向角達(dá)到某一平衡位置，縱向施加艉部推力拖拽FPSO不會(huì)改變FPSO的艏向角平衡位置，只對(duì)船艏與軟剛臂的距離和水平系泊力產(chǎn)生影響，其結(jié)果見表5。

表5 艉部推力對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)和系泊力的影響

4.2.2 對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)和系泊力的影響

在不同組合工況下，當(dāng)FPSO達(dá)到艏向角平衡位置后，橫向施加艉部推力可以使FPSO繞塔架旋轉(zhuǎn)，此時(shí)艉部推力作用方向分別為順時(shí)針橫向和逆時(shí)針橫向2種情況，可以看出艉部推力艏向角平衡位置、船艏-軟剛臂最小距離、水平系泊力最大值均有不同程度的影響，其結(jié)果見表6～表8。

4.3 自由工況計(jì)算

本文選取FPSO作業(yè)海域附近最大的一座海洋平臺(tái)作為避碰的參考障礙物?？紤]到FPSO自身的主尺度，規(guī)定障礙物的大小為53.5 m(最大平臺(tái)寬度)+81.7 m(FPSO總長(zhǎng)的一半)=135.2 m。

本節(jié)選取工況2中的風(fēng)浪流方向組合，艉部推力作用方向在總體坐標(biāo)系中始終保持一致，選取10°～90°每隔10°為艉部推力作用方向，計(jì)算在每種艉部推力作用方向下，F(xiàn)PSO與障礙物不發(fā)生碰撞的最小安全距離和對(duì)應(yīng)的艉部推力作用時(shí)間，其結(jié)果如圖5、圖6所示。

表6 艏向角平衡位置 (°)

工況無艉部推力2×10kN2×16kN2×20kN順時(shí)針逆時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針工況10-37．0437．04-54．7954．79-67．9867．98工況20-22．0722．07-31．3831．38-36．2436．24工況3-21．68-38．08-2．57-48．489．39-56．1016．83工況4-44．29-60．50-29．85-71．95-17．67-80．54-1．48工況5-29．26-51．08-14．18-63．46-5．64-69．940．14工況6-51．63-69．13-35．31-81．2225．79-90．82-19．49

表7 船艏-軟剛臂最小距離 m

工況無艉部推力2×10kN2×16kN2×20kN順時(shí)針逆時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針工況16．676．816．806．666．656．726．72工況27．077．617．617．637．637．597．59工況37．667．137．687．137．677．087．64工況47．877．557．787．347．617．047．26工況57．617．497．567．497．507．457．41工況67．847．457．827．077．686．867．54

表8 水平系泊力最大值 kN

工況無艉部推力2×10kN2×16kN2×20kN順時(shí)針逆時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針工況1106．88133．67133．64139．97139．98136．63136．77工況2114．32139．14139．12148．10148．07147．20147．21工況3131．47152．58112．45145．43116．18159．16120．30工況4138．98164．65124．30165．59100．17158．4581．68工況5127．56124．82140．18134．16137．52139．73137．68工況6127．61129．00128．08136．36124．00124．23124．15

在不同艉部推力作用下，F(xiàn)PSO與障礙物不發(fā)生碰撞的最小安全距離和對(duì)應(yīng)的艉部推力作用方向、作用時(shí)間見表9。

4.4 結(jié)果分析

本文主要計(jì)算了在艉部推力作用下，F(xiàn)PSO的自航能力、系泊狀態(tài)下縱向和橫向運(yùn)動(dòng)及系泊力的變化、自由狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)控制三方面，對(duì)計(jì)算結(jié)果分析如下：

表9 最小安全距離

(1)在給定艉部推力下，F(xiàn)PSO在靜水中的航速可以達(dá)到6～8 kn。該航速可以滿足當(dāng)系泊位置發(fā)生改變時(shí)的自行移位，無需拖船拖航。

(2)縱向施加艉部推力可以使船艏-軟剛臂的最小距離增大，達(dá)到FPSO與軟剛臂不碰撞的目的，但效果并不明顯，反而會(huì)顯著地增大水平系泊力。

(3)橫向施加艉部推力可以有效地改變FPSO的艏向平衡位置，滿足定點(diǎn)排污等功能需求，并且逆時(shí)針橫向和順時(shí)針橫向施加艉部推力對(duì)艏向平衡位置和船艏-軟剛臂最小距離的改變效果相差不大。

(4)由圖5和圖6可知，自由狀態(tài)下艉部推力越大，最小安全距離和需要艉部推力的作用時(shí)間都越小，說明FPSO與其他平臺(tái)的距離只要大于最小安全距離就不會(huì)發(fā)生碰撞。

5 結(jié)論

本文針對(duì)由軟剛臂系泊的FPSO采用數(shù)值計(jì)算的方法分析艉部推力對(duì)FPSO運(yùn)動(dòng)和水平系泊力的影響，從而為FPSO在設(shè)計(jì)階段對(duì)艉部推力的需求進(jìn)行論證。得到如下結(jié)論：

(1)艉部推力可以有效地協(xié)助FPSO完成各種作業(yè)，如自航、定點(diǎn)排污等。

(2)艉部推力有利于FPSO的安全，如自由狀態(tài)下的避碰等，但在防止FPSO與其軟剛臂發(fā)生碰撞上作用很小。

(3)對(duì)于FPSO是否需要艉部推力，不僅要從功能上進(jìn)行分析，也要考慮艉部推力的成本、維修等經(jīng)濟(jì)因素，以及由于艉部推力的存在對(duì)FPSO的總布置和主機(jī)功率分配造成的影響。

[1] 祁祺, 張濤, 文攀,等. 基于AQWA的FPSO系泊系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)值模擬[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(12):14-18.

[2] 劉元丹, 劉敬喜, 譚安全. 單點(diǎn)系泊FPSO風(fēng)浪流載荷下運(yùn)動(dòng)及其系泊力研究[J]. 船海工程, 2011, 40(6):146-149.

[3] 李欣, 楊建民, 范模. 渤海油田淺水軟剛臂系泊FPSO觸底分析[J]. 海洋工程, 2004, 22(2):51-57.

[4] 張作涌. FPSO旁靠外輸作業(yè)安全評(píng)估[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2014.

2017-02-18

郭欣杰(1990—)，女，助理工程師,主要從事海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)制造方面的研究；邱成國(guó)(1974—)，男，高級(jí)工程師，主要從事船舶總體方面的研究。

U663.5

A