深水FPSO拖航性能模型試驗(yàn)

趙戰(zhàn)華， 范亞麗， 匡曉峰， 周春鋒

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無(wú)錫 214082；2.武昌船舶重工集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430060)

0 引 言

隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)逐步走向深海，深水油氣開(kāi)發(fā)裝備的設(shè)計(jì)和研究得到了快速的發(fā)展。浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)[1-2]依靠其建造周期短、儲(chǔ)油能力強(qiáng)、便于改裝等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于深、淺海油氣資源的開(kāi)發(fā)中，成為目前海上油氣開(kāi)發(fā)的重要裝置。FPSO通常不具備自航能力，在出廠投入運(yùn)營(yíng)、返廠維修改造以及海上遷移過(guò)程中都需要通過(guò)拖航來(lái)完成。拖航過(guò)程中的拖航穩(wěn)定性和拖航阻力直接影響著拖航的安全和效率，是拖航設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究的內(nèi)容[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[4-6]在相關(guān)理論方面有過(guò)一定的研究，尤其是針對(duì)拖航過(guò)程中存在的大幅偏蕩問(wèn)題進(jìn)行了很多的理論分析和模型試驗(yàn)，對(duì)影響拖航系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了較為深入的研究，取得了一些成果。然而，由于拖航過(guò)程中的偏蕩運(yùn)動(dòng)周期較大，實(shí)船通常達(dá)到400 s以上，拖航模型試驗(yàn)需要采用足夠長(zhǎng)的大型拖曳水池，才能保證單航次內(nèi)獲得足夠多穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，使統(tǒng)計(jì)結(jié)果更具可靠性。目前國(guó)內(nèi)適宜開(kāi)展拖航模型試驗(yàn)的大型水池十分有限，對(duì)拖航過(guò)程中不同影響因素的系統(tǒng)性模型試驗(yàn)研究尚不充分。

本文對(duì)某一作業(yè)水深2 000 m的FPSO模型在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心大型拖曳水池(長(zhǎng)474 m)開(kāi)展拖曳模型試驗(yàn)。通過(guò)改變拖纜長(zhǎng)度、龍須纜夾角分別進(jìn)行靜水和波浪中的拖航性能模型試驗(yàn)研究，測(cè)試參數(shù)包括拖纜張力和FPSO運(yùn)動(dòng)。通過(guò)模型試驗(yàn)研究拖纜長(zhǎng)度、龍須纜夾角和環(huán)境條件對(duì)拖航阻力特性和穩(wěn)定性的影響。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象的原型是某深水FPSO儲(chǔ)油船，作業(yè)水深2 000 m，目標(biāo)海域?yàn)橹袊?guó)南海。船體主尺度及主要狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比取1∶80，加工線型與實(shí)船幾何相似，試驗(yàn)前對(duì)模型重心和慣量進(jìn)行調(diào)試，滿足與實(shí)船的相似要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 深水FPSO試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 FPSO主尺度及主要狀態(tài)參數(shù)(實(shí)船)

1.2 試驗(yàn)海況及環(huán)境條件模擬

模型試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心大型拖曳水池進(jìn)行，水池主尺度為474 m×14 m×7 m，如圖2所示。拖車車速 0.01～15 m/s，在水池一端布置16單位搖板式造波機(jī)，頻率0.3～1.2 Hz，波高250 mm。

拖航模型試驗(yàn)分別在靜水和5級(jí)海況下進(jìn)行，試驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表2，航速10 kn。正式試驗(yàn)前，在水池中對(duì)給定波浪條件進(jìn)行調(diào)試，使其滿足試驗(yàn)精度要求，調(diào)試結(jié)果如圖3所示。

表2 拖航試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)(實(shí)船)

圖2 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心大型拖曳水池 圖3 波浪譜模擬結(jié)果(5級(jí)海況)

圖4 水平系泊系統(tǒng)布置示例

1.3 拖纜系統(tǒng)模擬

從船首部導(dǎo)纜孔處引出2條拖纜集合于集線盤，再?gòu)募€盤引出主拖纜與拖車拖點(diǎn)連接，如圖4所示。龍須纜之間的夾角為α，簡(jiǎn)稱龍須纜夾角。主拖纜和龍須纜為鋼纜，拖纜材料和布置參數(shù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)中拖纜用細(xì)鋼絲模擬，在拖點(diǎn)處布置彈簧模擬拖纜剛度。

表3 FPSO主尺度及主要狀態(tài)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

主拖纜與被拖船的連接方式一般有單點(diǎn)和多點(diǎn)2種：?jiǎn)吸c(diǎn)連接是將主拖纜一端直接與船首中間位置連接，該方法操作簡(jiǎn)單，適用于較大長(zhǎng)寬比船型；多點(diǎn)連接通常采用2條龍須纜分別在被拖船首部?jī)蓚?cè)連接，另一端與主拖纜連接，該方式一般用于肥大型船舶，有利于減小船舶艏搖運(yùn)動(dòng)。

龍須纜夾角的選擇是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，過(guò)大或過(guò)小都不利于運(yùn)動(dòng)的控制。本文取900 m長(zhǎng)主拖纜，分別改變龍須纜夾角(75°，52°，25°)開(kāi)展模型試驗(yàn)，研究龍須纜夾角對(duì)拖航運(yùn)動(dòng)性能的影響。由于拖纜長(zhǎng)度過(guò)短不利于拖航安全，過(guò)長(zhǎng)不利于拖航穩(wěn)定，必須選擇合適的拖纜長(zhǎng)度。本文分別選擇900 m、787 m和675 m 等3個(gè)不同長(zhǎng)度的主拖纜，選擇52°的龍須纜夾角，分別開(kāi)展模型試驗(yàn)，研究拖纜長(zhǎng)度對(duì)拖航穩(wěn)定性和拖纜張力的影響。

波浪中拖航與靜水中拖航存在顯著不同，除了一階波浪力、二階平均波浪力作用于船體之外，波浪對(duì)被拖船尾部邊界層的分離也會(huì)有直接影響，進(jìn)而改變拖航過(guò)程中發(fā)生的大幅偏蕩運(yùn)動(dòng)。為深入研究波浪對(duì)被拖船的運(yùn)動(dòng)和拖纜張力的影響，選擇52°龍須纜夾角，900 m、787 m和 675 m 等3個(gè)不同長(zhǎng)度的主拖纜，分別開(kāi)展靜水中和5級(jí)海況下的拖航模型試驗(yàn)。典型試驗(yàn)照片如圖5和圖6所示。

圖5 靜水中拖航模型試驗(yàn) 圖6 波浪中拖航模型試驗(yàn)

1.5 拖航張力換算方法

拖航過(guò)程中測(cè)量得到的總阻力R包括摩擦阻力Rf、剩余阻力Rs和波浪阻力Rw3部分。Rs和Rw可根據(jù)Froude數(shù)相似，確定模型與實(shí)船之間轉(zhuǎn)換關(guān)系為λ3，模型和實(shí)船的摩擦阻力則根據(jù)國(guó)際拖曳水池規(guī)范ITTC推薦的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算：

(1)

式中：Cf為摩擦阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

按照式(1)轉(zhuǎn)換后得到目標(biāo)航速下FPSO模型的摩擦阻力為2.826 N，實(shí)船摩擦阻力為516.13 kN。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在拖航過(guò)程中，被拖船長(zhǎng)周期、大幅度的偏蕩、艏搖運(yùn)動(dòng)和拖纜張力是需要重點(diǎn)關(guān)注的因素，對(duì)拖航設(shè)計(jì)、安全防護(hù)有直接的影響。因此，本文針對(duì)FPSO偏蕩運(yùn)動(dòng)、艏搖運(yùn)動(dòng)和拖纜張力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析。

2.1 龍須纜夾角影響分析

對(duì)主拖纜900 m，龍須纜夾角分別為75°、52°和25°等3種情況分別進(jìn)行模型試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)FPSO偏蕩、艏搖和拖纜張力，結(jié)果如圖7～圖9和表4所示，可以看出：過(guò)大或者過(guò)小的龍須纜夾角都會(huì)導(dǎo)致FPSO偏蕩增大，從而造成FPSO拖航運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性加劇；龍須纜夾角增大會(huì)引起FPSO艏搖運(yùn)動(dòng)增加，同樣不利于拖航的穩(wěn)定性；隨著龍須纜夾角增大，拖纜張力的最大值和平均值均有小幅增加的趨勢(shì)。因此，綜合各方因素考慮，對(duì)于拖航設(shè)計(jì)中龍須纜夾角的選取不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小，在50°左右較為合理，具體設(shè)計(jì)中還應(yīng)根據(jù)船型特點(diǎn)，通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)一步確定。

圖7 FPSO偏蕩最大值 圖8 FPSO艏搖最大值 圖9 拖纜張力

夾角/(°)偏蕩/m靜水中 波浪中 艏搖/(°)靜水中 波浪中 拖纜張力最大值/kN 靜水中 波浪中 拖纜張力平均值/kN 靜水中 波浪中 25685.1645.214.7010.956 082.515 856.492 903.132 938.2952603.7435.618.3115.466 640.046 107.633 073.903 445.5975896.2677.219.2615.706 690.266 233.203 340.113 601.29

2.2 拖纜長(zhǎng)度影響分析

對(duì)龍須纜夾角52°，主拖纜長(zhǎng)度分別為900 m、787 m和675 m 等3種情況分別進(jìn)行模型試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)FPSO偏蕩、艏搖和拖纜張力，結(jié)果如圖10～圖12和表5所示，可以看出：隨著拖纜長(zhǎng)度的增加，F(xiàn)PSO偏蕩運(yùn)動(dòng)逐漸減小，艏搖運(yùn)動(dòng)有增大趨勢(shì)，拖纜張力的平均值和最大值相差不大。因此，對(duì)拖纜長(zhǎng)度的選取應(yīng)綜合考慮偏蕩、艏搖因素，同時(shí)結(jié)合拖船和FPSO總長(zhǎng)以及地形條件等因素進(jìn)行選取。

圖10 FPSO偏蕩最大值 圖11 FPSO艏搖最大值 圖12 拖纜張力

纜長(zhǎng)/m偏蕩/m靜水中 波浪中 艏搖/(°)靜水中 波浪中 拖纜張力最大值/kN 靜水中 波浪中 拖纜張力平均值/kN 靜水中 波浪中 675679.3552.414.5813.586 507.626 208.083 083.953 631.42787669.0574.117.2314.177 147.336 338.673 360.213 586.22900603.7435.618.3115.706 640.046 107.633 340.113 445.59

2.3 環(huán)境因素影響分析

本文對(duì)FPSO模型分別進(jìn)行靜水中和波浪中的拖航試驗(yàn)，以900 m纜長(zhǎng)、50°龍須纜夾角工況為例，其偏蕩和拖纜張力的時(shí)歷曲線如圖13和圖14所示。

圖13 靜水中與波浪中拖航偏蕩對(duì)比 圖14 靜水中與波浪中拖航拖纜力對(duì)比

從圖7、圖8和圖10、圖11的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可知：靜水中的艏搖和偏蕩運(yùn)動(dòng)均大于波浪中。從圖13可以看出：波浪中偏蕩運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定且幅值較靜水中明顯減小。這主要是由于二階平均波浪力和拖纜之間形成了穩(wěn)定的回復(fù)力矩，有效減小FPSO的艏搖和偏蕩運(yùn)動(dòng)。

從圖9和圖12的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及圖14的時(shí)歷對(duì)比結(jié)果可知：由于二階平均波浪力的存在，波浪中拖纜的平均作用力大于靜水中，靜水中拖纜的最大作用力大于波浪中，這主要是由于靜水中大幅的偏蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)引起拖航過(guò)程中拖纜力的瞬時(shí)增加。但是，這一現(xiàn)象的發(fā)生還取決于波高、周期的大小。如果在較大的波浪環(huán)境中，由于二階平均波浪力的作用，拖纜張力的最大值可能會(huì)大于靜水中。

因此，相比小波高，靜水中FPSO的拖航穩(wěn)定性更差，應(yīng)充分重視該條件下FPSO的偏蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)以及拖纜張力。

3 結(jié) 論

(1) 合適的龍須纜夾角能夠有效減小FPSO的偏蕩作用，綜合考慮艏搖運(yùn)動(dòng)拖纜張力因素，龍須纜夾角應(yīng)在50°左右為宜。

(2) 增加拖纜長(zhǎng)度會(huì)減小FPSO的偏蕩作用，但艏搖運(yùn)動(dòng)有增加趨勢(shì)，拖纜長(zhǎng)度選取應(yīng)綜合考慮多種因素。

(3) 由于二階平均波浪力的存在，相比小波高環(huán)境，靜水中拖航穩(wěn)定性更差，而且拖纜的最大張力更大，在拖航過(guò)程中應(yīng)給予重視。