懸鏈式單點系泊系統(tǒng)船體魚尾運動研究

李艷貞 劉生法

摘? ? 要：系泊油船的魚尾運動是懸鏈式單點系泊系統(tǒng)（CALM）的特性，劇烈的魚尾運動有可能對CALM系統(tǒng)造成破壞。為提高CALM系統(tǒng)的安全性，應(yīng)用水動力分析軟件OcraFlex對某CALM系統(tǒng)進行水動力仿真計算，研究了系泊纜的長度和風、浪、流等環(huán)境載荷對CALM系統(tǒng)系泊船體魚尾運動的影響，并提出了減輕船體魚尾運動的措施，對實際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：懸鏈式單點系泊系統(tǒng);魚尾運動;水動力分析;OcraFlex

中圖分類號：P751? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：? The fishtail motion of the tanker is the characteristic of the catenary anchor leg mooring system （CALM）. Severe fishtail motion may cause damage to the CALM system. Numerical simulation is made for CALM by using the hydrodynamic analysis software OcraFlex， and the influence of mooring cable length and the wind， flow and waves loads on the movement of the tanker moored to the CALM system is studied. The measures to reduce the fishtail motion of the tanker are proposed. It has certain significance to practical engineering application.

Key words： Catenary Anchor Leg Mooring （CALM）;? Fishtail motion;? Hydrodynamic analysis;? OcraFlex

1? ? ?引言

魚尾運動是懸鏈式單點系泊系統(tǒng)（CALM）船體運動的一個顯著特征，在風浪流的聯(lián)合作用下，系泊船只會偏離系泊平衡位置，繞系泊浮筒做魚尾狀擺動。過于劇烈的魚尾運動不僅會造成系泊船只的運動幅度過大，還會造成系泊纜和系泊錨鏈受力過大，發(fā)生斷纜或斷鏈的危險情況，因此，研究CALM系統(tǒng)中船體的魚尾運動現(xiàn)象及其影響要素并采取有效的控制措施，是CALM系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

針對CALM系統(tǒng)船體魚尾運動的研究，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了一些工作。黃國梁[1]等對單點系泊船體在風和潮流作用下魚尾運動現(xiàn)象進行試驗研究;張大朋[2]等通過改變風、浪、流的參數(shù)，對單點系泊船體在風、浪、流作用下的魚尾狀擺動現(xiàn)象以及纜索張力的變化情況進行特性分析;周楠[3]等分析了CALM系統(tǒng)設(shè)計時要關(guān)注的重點，并提出了船體魚尾運動的解決方案;陳少華[4]等對單點系泊系統(tǒng)在風向角、風速、流速、纜繩長度等參數(shù)變化時的規(guī)律及其平衡狀態(tài)進行了一系列的分析;Aghamohammadi F. [5]- [7]等對單點系泊船只的穩(wěn)定性進行了理論和試驗研究。

該文以某系泊30萬噸級油船的CALM系統(tǒng)為例，對不同工況下的CALM系統(tǒng)進行了數(shù)值計算，研究了不同系泊纜的長度和風、浪、流等環(huán)境條件對單點系泊系統(tǒng)船體魚尾運動的影響，并提出了減輕船體魚尾運動的措施。

2? ? 懸鏈式單點系泊系統(tǒng)

單點系泊，是指海洋工程結(jié)構(gòu)物通過單點形式系泊在另一個結(jié)構(gòu)物上，海洋工程結(jié)構(gòu)物圍繞該結(jié)構(gòu)物可以隨環(huán)境載荷作360°回轉(zhuǎn)，由于風標效應(yīng)，被系泊海洋工程結(jié)構(gòu)物將會停泊在環(huán)境載荷最小的方位上。

懸鏈式單點系泊裝置（如圖1）是最早出現(xiàn)的一種單點系泊型式，也是單點系泊裝置中應(yīng)用數(shù)量最多的一種。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界有400多套懸鏈腿式單點系泊輸油終端。它采用一個大直徑的圓柱形浮筒作為單點中心，通過多條懸鏈式錨鏈腿固定于海底，浮筒上方裝有可360°旋轉(zhuǎn)的軸承轉(zhuǎn)臺，在環(huán)境載荷的作用下，油船能圍繞浮筒漂移、轉(zhuǎn)動，使之處在最小的受力位置上。

3? ? CALM系統(tǒng)主要參數(shù)

該文以某CALM系統(tǒng)為研究對象：該系統(tǒng)可系泊300000 DWT級超大型油船;系泊海域水深為26.5 m;系泊油船總長為334.5 m、型寬為60.0 m、型深為31.2 m、滿載吃水為22.5 m。

300000 DWT級油船通過兩根系泊纜與浮筒連接，浮筒通過6根系泊鏈固定于海底;系泊纜繩為雙層編織尼龍纜，直徑120 mm、破斷強度為5 181 kN;系泊鏈為R3級無檔系泊鏈，直徑105 mm、總長約350 m、破斷強度8 753 kN。

4? ? 魚尾運動數(shù)值研究

采用三維水動力計算程序OcraFlex對各工況下的CALM系統(tǒng)進行計算分析，得到系泊油船的運動響應(yīng)、系泊纜和錨鏈的張力響應(yīng)。計算中風載荷采用API風譜、波浪譜采用適用于淺水海域的JONSWAP譜、流載荷采用定常流。

4.1? ?坐標系及環(huán)境載荷方向

計算中所使用的全局坐標系符合右手法則：X軸指向船首為正，Y軸指向左舷為正，Z軸向上為正;環(huán)境載荷角度范圍為0°～360°：沿X軸正向為0°（或360°）環(huán)境載荷方向，沿X軸負向為180° 環(huán)境載荷方向;環(huán)境載荷方向以0°載荷方向為起始方向，逆時針為正，如圖2所示。

4.2? ?計算工況

本文共選用了14種工況（見表1）：其中工況A1～A3研究了系泊系統(tǒng)在不同的系泊纜長度下的響應(yīng);工況B1～B3研究了系泊系統(tǒng)在風、浪、流單獨作用下的響應(yīng);工況C1～C3研究了系泊系統(tǒng)在不同流速作用下的響應(yīng);工況D1～D3在油船尾部施加不同拖輪力后系泊系統(tǒng)的響應(yīng);工況E1～E3在油船尾部懸掛不同重量的重塊后系泊系統(tǒng)的響應(yīng)。

4.3? ?計算結(jié)果及分析

見表2。

（1）由工況A1～A3的計算結(jié)果可知，隨著系泊纜長度的增加，系泊纜和錨鏈張力逐漸增大，油船運動幅度也逐漸增大。因此在理論上，較短的系泊纜能有效控制油船的魚尾運動幅度，但在實際應(yīng)用中系泊纜越短油船越容易與浮筒發(fā)生碰撞，故系泊纜長度的選擇要兼顧各種因素;

（2）由工況B1～B3的計算結(jié)果可知，在油船滿載的情況下，流單獨作用時系泊系統(tǒng)的響應(yīng)最大，因此流對整個系統(tǒng)的影響最大，且流是引起魚尾運動的主要因素，這是因為油船滿載時水下面積較大;

（3）由工況C1～C3的計算結(jié)果可知，系統(tǒng)的響應(yīng)對流速非常敏感，隨著流速的逐漸降低，系泊纜和錨鏈的張力急速下降，油船的位移也大幅降低，而當流速降低至一定值時，系統(tǒng)的魚尾運動現(xiàn)象也會隨之消失;

（4）由工況D1～D3的計算結(jié)果可知，由于油船尾部加了拖輪力，油船的魚尾運動得到了控制，系泊纜和錨鏈的張力均大幅降低。拖輪力越大，魚尾運動控制得越好，可見施加拖輪力可有效控制魚尾運動;

（5）由工況E1～E3的計算結(jié)果可知，在油船尾部加了阻尼錨，由于阻尼錨的自重和與海底的摩擦力，油船的運動阻尼有所增加，魚尾運動得到了控制。阻尼錨越大，魚尾運動控制得越好，可見阻尼錨也可有效控制魚尾運動。

5? ? 魚尾運動控制措施

根據(jù)以上分析和研究，懸鏈式單點系泊系統(tǒng)容易出現(xiàn)船體魚尾運動現(xiàn)象，會給系統(tǒng)帶來巨大的危險性。為了消除或降低魚尾運動幅度，提出以下解決方案：

（1）在兼顧系統(tǒng)的彈性、安全性的情況下，盡可能選擇較短的系泊纜，來控制油船產(chǎn)生大幅度的魚尾運動，減小系泊纜和錨鏈的張力;

（2）在油船作業(yè)時要實時監(jiān)控環(huán)境條件的變化，超過臨界條件立即撤離;

（3）在油船尾部施加拖輪力，以防船體出現(xiàn)巨幅偏擺，控制系統(tǒng)受力，避免危險情況的發(fā)生;

（4）增加油船的運動阻尼，把首搖控制在合理的范圍之內(nèi)，例如在油船尾部懸掛一拖地的阻尼錨。

6? ? 結(jié)論

通過采用系泊分析軟件OcraFlex對300000 DWT級懸鏈式單點系泊系統(tǒng)進行水動力仿真計算，研究了系泊纜的長度和風、浪、流環(huán)境載荷等因素對單點系泊系統(tǒng)船體魚尾運動的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）隨著系泊纜長度的增加，油船魚尾運動幅度也逐漸增大，系泊纜和錨鏈張力也隨之增大;

（2）在油船滿載的情況下，流對整個系統(tǒng)的影響最大，是引起船體魚尾運動的主要因素;隨著流速的逐漸降低，系統(tǒng)的響應(yīng)大幅降低，而當流速降低至一定值時，系統(tǒng)的魚尾運動也會隨之消失;

（3）控制船舶的魚尾運動能有效降低系統(tǒng)的響應(yīng)，提高整個系統(tǒng)的安全性，可采取適當縮短系泊纜、在尾部施加拖輪力以及增加油船運動阻尼的方法控制魚尾運動。

參考文獻

[1] 黃國梁，藤野正隆. 關(guān)于風和潮流作用下單點系泊船體的魚尾狀擺動的研究[J]. 海洋工程，1987，5（3）：1-11.

[2] 張大朋，朱克強. 極限海況下單點系泊系統(tǒng)纜索動張力研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2015， 37（8）：75-79.

[3] 周楠，劉旭平，李俊汲. CALM單點系泊系統(tǒng)設(shè)計綜述[J]. 海洋工程裝備與技術(shù)，2017， 4（2）：102-104.

[4] 陳少華，孫明光. 油船“魚尾”運動及Hopf分叉算法[J]. 海洋工程，1994，12（1）：26-41.

[5] Aghamohammadi F. The prediction of the fishtailing instabilities of a tanker at a single point mooring [D]. London： University College London， 1989.

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[7] Bernitsas M.M. and Papoulias F.A. Stability of single point mooring systems [J]. Applied Ocean Research， 1986， 8（1）： 49-58.