海上供應船旁靠大型浮式平臺耦合響應的模型試驗研究

單鐵兵

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

兩船旁靠作業(yè)是海上開展船對船之間的人員、物資、設備以及燃油等轉運的常用方式。通過系泊纜繩將旁靠的船舶綁扎在一起以限制船體之間的相對運動，設置若干彈性護舷，從而避免船舶之間發(fā)生剛性碰撞的風險。兩船旁靠屬于多體耦合問題：船體之間的水動力干擾直接關系到旁靠作業(yè)的安全；船體、系泊纜繩和護舷三者之間存在復雜的作用機制，旁靠帶纜起到約束船體的作用，同時受船體運動的拉扯而導致張力變化；置于兩船之間的護舷能夠避免船體發(fā)生碰撞，但也受船體的擠壓產(chǎn)生反力而影響船體的運動。

兩船旁靠作業(yè)的窗口期受環(huán)境條件、裝運設備的正常工作要求、旁靠帶纜系統(tǒng)的配置、船型尺度及排水量和護舷屬性等多種因素的影響，研究兩船旁靠系統(tǒng)的耦合響應特征將為供應船靠泊大型浮式平臺提供重要的指導依據(jù)。

國內外已有學者針對兩船旁靠系統(tǒng)開展分析研究。理論方面：Koo等［1］采用時域耦合法研究兩船旁靠卸載作業(yè)時，水動力參數(shù)對運動響應的影響；Hong等［2］采用高階邊界元法分析兩船旁靠作業(yè)時的水動力干擾；單鐵兵等［3］基于時域分析方法對大型浮式結構物與供應船旁靠作業(yè)時的水動力干擾、旁靠纜繩受力特征進行研究。模型試驗方面：趙文華等［4］對FLNG與LNG旁靠卸載作業(yè)時的水動力性能開展水池模型試驗，借助試驗數(shù)據(jù)對船體、系泊系統(tǒng)及連接系統(tǒng)之間的耦合作用進行研究；徐喬威等［5］對LNG船旁靠FLNG卸載作業(yè)時，兩船之間的復雜水動力作用開展模型試驗研究。

本文主要針對大型浮式平臺與供應船旁靠作業(yè)時的耦合響應特性進行水池模型試驗研究，對兩船體六自由度的相對運動特點、旁靠系泊纜的受力以及兩船之間護舷的擠壓應力隨風浪流角度的變化進行詳細分析，并獲得相關結論，為今后實際旁靠作業(yè)的工程操作提供有價值的參考。

1 研究對象

本文的研究對象包括大型浮式平臺和一艘供應船。該浮式平臺總長292 m、型寬54 m、型深22 m、吃水12 m、滿載排水量可達17萬t；供應船總長約為179 m、型寬31 m、型深13 m、吃水9.1 m、排水量約4.3萬t。浮式平臺和供船的試驗模型如圖1所示，實物和模型的縮尺比取為1 ： 70，具體的船型參數(shù)如下頁表1所示。

圖1 浮式平臺和供應船的試驗模型

2 系泊系統(tǒng)

2.1 浮式平臺多點系泊系統(tǒng)

浮式平臺采用16點系泊系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4組（每組4根，總共16根）系泊纜構成（如下頁圖2所示），1號、8號、9號、16號與X軸方向的夾角為40°，單組中相鄰纜繩的夾角為4°。

每根纜繩由頂端的鋼絲繩、底部錨鏈組成，拋出長度約為3 600 m，導纜孔至錨端的水平跨距為3 450 m，系泊纜的設計參數(shù)如下頁表2所示。

表1 浮式平臺與供應船的的主尺度參數(shù)

圖2 浮式平臺多點系泊系統(tǒng)的布置

該模型試驗在上海交通大學海洋工程水池內開展。因受水池尺度的限制，即使按λ=1 ： 70的縮尺比，也無法滿足縮尺條件下的系泊纜繩布置。因此，應用了水池截斷技術開展截斷設計，使截斷后的系泊系統(tǒng)在水平方向的回復剛度與實際情況相同，以此保證模型試驗中的平臺水平運動特性與截斷前一致。該試驗中，將系泊纜模擬成水平系泊系統(tǒng)，由4根系泊纜組成，其中2根布置在浮式平臺首部，其余2根布置在尾部。模型試驗所用的水平系泊纜布置如圖3所示，截斷后的纜繩參數(shù)如表3所示，模型試驗中纜繩的預張力約為10 N。

圖3 試驗中，浮式平臺的系泊系統(tǒng)布置

表3 截斷后的水平纜繩參數(shù)

2.2 旁靠系統(tǒng)

浮式平臺與供應船之間通過12根連接纜連接，在兩船之間設置4個防撞護舷，以免船體之間發(fā)生剛性碰撞。

12根連接纜的布置方式如圖4所示，分為4組，即：尾部4根尾纜（編號為F1-1～F1-4）、中部靠近尾部2根倒纜（編號為F1-5～F1-6）、中部靠近首部2根倒纜（編號為F1-7～F1-8）以及首部4根首纜（編號為F1-9至F1-12）。

圖4 旁靠系統(tǒng)的布置圖

連接纜在浮式平臺和供應船上的系纜點坐標見表4。為便于測量，坐標系原點分別置于各自船尾基線處，并符合右手法則，X正向朝船首，Y正向朝左舷，Z正向垂直朝上。

表4 浮式平臺和供應船旁靠系纜點坐標（實型值）

圖5顯示的是水池模型試驗過程中，通過旁靠帶纜系統(tǒng)綁扎在一起的供應船與浮式平臺。

圖5 供應船與浮式平臺的旁靠試驗

旁靠系泊纜均選用彈性較好的8股聚丙烯丙綸長絲纖維纜繩，破斷負荷約為3 500 kN，預張力取破斷負荷的10%。旁靠系泊纜伸長率與軸向力之間的分布曲線如圖6所示，具有明顯的非線性特點。模型試驗通過多段彈簧串聯(lián)來模擬該非線性分布，如圖7所示。

圖6 旁靠系泊纜的模擬結果

圖7 旁靠的系泊纜模型

護舷設備（編號為P1-1～P1-4）分別布置于兩船之間近船首和船尾附近，護舷直徑3.3 m，當達到60%壓縮量時，護舷提供3 015 kN反力。為精確模擬護舷，試驗前進行了大量的選材工作，最終采取兩種不同規(guī)格的壓簧來模擬，壓簧底部有壓力傳感器測量護舷上的載荷。旁靠護舷的模擬曲線如下頁圖8所示，護舷的模擬形式如下頁圖9所示。

圖8 旁靠護舷的模擬結果

圖9 供應船與浮式平臺之間的護舷模擬

護舷設備的坐標如表5所示，坐標系原點置于供應船船尾基線處，并符合右手法則，X正向朝船首，Y正向朝左舷，Z正向垂直朝上。

3 試驗儀器

本次試驗的測試儀器主要包括電阻式浪高儀、多普勒流速儀、風速儀、單分力傳感器、壓力傳感器以及非接觸式6自由度運動采集系統(tǒng)：

（1）電阻式浪高儀

安裝在水池中用于標定和校核海洋環(huán)境中的波浪，其測量精度為0.1 mm，量程為0～50 cm。

（2）多普勒流速儀

測量平均流速，設備精度為0.1 mm/s，量程為0～5 m/s。

（3）風速儀

測量試驗風速，精度為1 mm/s，量程為0～10 m/s。

（4）單分力傳感器

測量系泊纜上的載荷，精度為0.01 N，設備的試驗量程為0～200 N。

（5）壓力傳感器

測量靠墊上的載荷，精度為0.01 N，量程為0～200 N。

第二，放置濾波器、配置從動態(tài)數(shù)據(jù)轉換、配置轉換至動態(tài)數(shù)據(jù)、獲取波形成分函數(shù)在流程圖上。在“編程”“結構”子選板中選擇“MathScript節(jié)點”放置在流程圖上，并輸入腳本。該節(jié)點用于執(zhí)行腳本。

（6）非接觸式6自由度運動采集系統(tǒng)

用來測量靜水衰減試驗、RAO試驗和風浪流試驗中模型的運動。其線位移的測量精度為0.1 mm，量程約為0～10 m/s；角位移的測量精度為0.1°，設備量程約為 0～40°。

4 環(huán)境條件

供應船和浮式平臺之間旁靠作業(yè)的海況環(huán)境條件參數(shù)如表6所示，頻譜形式為JONSWAP譜，形狀參數(shù)為1.0，風浪流同向。

表6 海洋環(huán)境條件（實際值）

本次試驗中，海流采用表面流速進行模擬；風的模擬通過計算機和變頻儀控制造風系統(tǒng)風機的轉速，從而獲得對應的風速；不規(guī)則波由液壓造波機產(chǎn)生，確保通過搖板造波機產(chǎn)生的有義波高、譜峰周期及波浪譜密度曲線與目標值一致。不規(guī)則波的模擬結果如圖10所示。

圖10 不規(guī)則波的模擬結果

5 試驗結果及分析

5.1 相對運動特征

圖11顯示的是在不同方向下，兩船各自由度的最大幅值。

從該圖可以看出：

圖11 不同方向下，兩船各自由度的最大幅值

（1）無論是浮式平臺還是供應船，由于受的風浪流載荷較小，在180°迎浪條件下，運動響應較為溫和，當從180°逐漸變化至225°時，各船的縱蕩、橫蕩、橫搖和艏搖幅度增大明顯，橫蕩的增量最為明顯，并在270°時達到最大。盡管如此，由于評估兩船能否旁靠作業(yè)的標準為相對運動，而該自由度的運動具有明顯的跟隨性，因此，較大偏移引起的系泊張力才是該自由度的考察重點。

（2）各來流角度下，相比噸位較大的浮式平臺，供應船的運動響應更大。這是由于供應船噸位小、同時固有周期更接近波浪的能量集中區(qū)域，從而導致運動響應變大，尤其是對旁靠作業(yè)起決定性的波頻運動的增大。

（3）與供應船靠浮式平臺下風位的狀態(tài)相比，供應船位于上風位的運動響應明顯增大。例如，供應船在下風位時（180°～270°），垂蕩、橫搖以及縱搖的最大幅值分別為0.5 m、1.4°以及0.6°；而供應船位于上風位時，上述自由度的相應值為0.9 m、1.8°以及2.1°； 因此，供應船從下風位靠泊作業(yè)更有利。

圖12顯示的是浮式平臺與供應船旁靠作業(yè)時，各自由度的運動響應。

圖12 225°風浪流條件下，兩船之間的運動時歷圖

從圖12中可以看出：

（1）浮式平臺在縱蕩、橫蕩以及艏搖這三個自由度上的運動響應與供應船基本同步，雖然兩船各自的運動幅度較大，但兩者之間的相對運動較小，以橫蕩為例，兩船最大值均超過9 m，但相對運動小于0.3 m；另外，這三個方向運動時歷的過零周期長，呈現(xiàn)明顯的低頻慢漂特征，旁靠纜繩對降低兩船之間相對運動的貢獻較大。因此，一般而言，這三個方向不會成為制約浮式平臺與供應船旁靠作業(yè)的因素。

（2）在垂蕩、縱搖和橫搖角度下，浮式平臺與供應船的運動并不同步，兩船具有較大的相對運動。由于這三個方向由一階波浪力引起，均表現(xiàn)為波頻運動，運動幅度主要由兩船各自的固有屬性如型線、裝載以及固有頻率有關；因此，旁靠系泊系統(tǒng)無法對這三個方向的運動幅度進行限制。

5.2 旁靠系統(tǒng)的受力特點

旁靠連接纜F1-1～F1-12受力最大值如圖13所示。

圖13 各來流角度下，不同的纜繩受力情況

從圖13中可知：

（1）最大纜繩張力的發(fā)生位置受到來流角度的影響。當來流角度為180°時，最大的纜繩張力位于船首，編號F1-3，最大值為619 kN；來流角度為225°時，該最大張力發(fā)生在船尾，編號F1-12，最大值為494 kN；當來流角度為270°時，最大張力發(fā)生在船首，編號為F1-2，最大值為502 kN；而一旦供應船在上風位（如135°），最大張力發(fā)生在中部的倒纜區(qū)域，編號為F1-8，最大值高達729 kN。

（2）當供應船處于上風位時，不僅供應船的運動響應加劇，纜繩的最大張力也明顯增大，這是旁靠系泊系統(tǒng)設計難點之一，因此，除加大纜繩規(guī)格之外，供應船還應盡可能位于浮式平臺的下風位旁靠作業(yè)。

下頁圖14顯示的是各來流角度下，不同的護舷受力分布。從圖中可以看出，與纜繩的受力情況類似，供應船位于浮式平臺下風位時，護舷所受的擠壓力稍小，約為1 600 kN；一旦風向變化使供應船處于浮式平臺的上風位，供應船的運動加劇，使護舷的擠壓力增大，約為2 800 kN，增幅達到75%，因此，浮式平臺對供應船的遮擋效應是相當可觀的，使其所受的外載荷在一定程度上降低，能起到緩和船體的運動、降低旁靠設備受力的效果。

下頁圖15為不同風浪流角度下， 護舷作用于船體的反力時歷分布。從圖中可知，護舷所受的擠壓力呈現(xiàn)波頻和低頻疊加的作用，護舷的波頻力由船體的波頻運動引起，低頻力則由船體的低頻慢漂運動產(chǎn)生。

圖14 各來流角度下，不同的護舷受力情況

圖15 不同風浪流角度下， 護舷作用于船體的反力時歷圖

6 結 語

本文采用模型試驗的方法對浮式平臺和供應船旁靠作業(yè)時的耦合響應開展深入研究，主要結論如下：

（1）兩船在縱蕩、橫蕩及艏搖這三個低頻方向的運動具有良好的同步性，兩船相對運動幅度較小，一般不會成為制約旁靠卸載作業(yè)的控制因素，但兩船在另外三個波頻方向運動具有一定的獨立性，且不受旁靠纜繩的約束，是影響旁靠作業(yè)窗口期的重要因素；

（2）纜繩張力和護舷擠壓力對來流角度較為敏感，且供應船處于上風位時，纜繩的張力、護舷的擠壓力比其位于下風位有明顯增大，建議供應船還應盡可能位于浮式平臺的下風位旁靠作業(yè)。