懸鏈浮筒式多點系泊設(shè)計

王金城，陳 謙，張美林

(中交第三航務工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

我國的港口建設(shè)歷經(jīng)多年繁榮發(fā)展，傳統(tǒng)的各類固定泊位碼頭的設(shè)計已十分成熟，優(yōu)良的港口岸線資源越來越少。同時，為響應國家“一帶一路”倡議，越來越多國內(nèi)的港口工程建設(shè)者和設(shè)計者走出國門，參與全球碼頭建設(shè)行業(yè)的競爭。離岸式多點系泊系統(tǒng)作為國外油輪碼頭常用的一種近海離岸系泊的方案，開始逐漸進入中國建設(shè)者們的視野。

懸鏈浮筒式多點系泊(multi buoy moorings，MBM)是一種具有多組系泊腿的離岸系泊方式，其中系泊腿主要包含錨、錨鏈和系泊浮筒。懸鏈浮筒式多點系泊可以有效解決國內(nèi)岸線資源枯竭的問題；同時，相比傳統(tǒng)固定泊位碼頭，它具有疏浚少、結(jié)構(gòu)簡單、對自然條件適應性好、對拖船要求低、造價低等優(yōu)勢。

然而，國內(nèi)對于MBM的設(shè)計研究幾乎沒有，傳統(tǒng)固定碼頭的設(shè)計方法并不適用于MBM的設(shè)計。MBM泊位系泊的船舶運動與受力復雜，MBM泊位設(shè)計對船舶運動、外荷載作用等的計算更復雜。傳統(tǒng)碼頭設(shè)計的靜力分析難以滿足MBM系纜力計算的要求，船舶系纜力的動態(tài)分析成為設(shè)計MBM的關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范

1.1 國內(nèi)規(guī)范

國內(nèi)并沒有針對離岸系泊定位的相關(guān)規(guī)范，相近的規(guī)范有《斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[1]和《浮式結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)設(shè)計與分析》[2]。前者針對浮式碼頭結(jié)構(gòu)，簡單描述了平底躉船錨鏈及錨的計算，后者是套用美國石油協(xié)會的API-RP-2SK[3]，側(cè)重于石油平臺或者浮式生產(chǎn)儲油、卸油裝置的單點系泊設(shè)計。

1.2 國外規(guī)范

國外的規(guī)范相對較多，如BS 6349-6[4]，對單點和雙點系泊的基本布置形式、系泊船舶的環(huán)境荷載計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行了相關(guān)介紹；石油公司國際海事論壇(OCIMF)的《懸鏈浮筒式多點系泊的設(shè)計、操作和維護指南》[5]從多浮筒系泊的規(guī)劃、設(shè)計、作業(yè)、保養(yǎng)、維修等方面給出詳細的規(guī)定與指導；挪威船級社與德國勞氏船級社集團的DNVGL-OS-E301[6]，偏重于海上平臺結(jié)構(gòu)的系泊設(shè)計，屬于長期系泊的類型，因而系泊環(huán)境標準很高，不完全適用于船舶的系泊；美國國防部的《系泊設(shè)計手冊》[7]將艦隊系泊系統(tǒng)分為單點系泊、兩點系泊、多點系泊、多船系泊共4類，并給出具體的布置形式。此外，OCIMF的《系泊設(shè)備指南》[8]、美國石油協(xié)會的API-RP-2SK等也有離岸系泊的相關(guān)內(nèi)容。

2 MBM平面布置

根據(jù)船舶自帶錨鏈是否參與系泊，可以將MBM分為傳統(tǒng)浮筒系泊(CBM)與全浮筒系泊(ABM)兩類。

CBM是一種船首利用船舶自帶船錨錨碇，船尾由多組系泊浮筒系泊的離岸系泊方式。由于依賴于船錨來錨碇船首，給船舶定位帶來很大的不確定性；相比于永久的系泊腿，船錨所能提供的系纜力有限，因此CBM更適用于自然條件較溫和的海域。

ABM是一種船首、船尾全部采用浮筒系泊的離岸系泊方式。ABM通常用于海底條件不利于船錨拋錨，或最不利環(huán)境條件下需要額外系泊約束力的情況。

OCIMF的《懸鏈浮筒式多點系泊的設(shè)計、操作和維護指南》給出了油輪MBM泊位常用的3種平面布置形式，見圖1。

圖1 OCIMF的MBM泊位平面布置形式

BS6349-6推薦采用3、5、6和8浮筒的布置形式，見圖2。

對比OCIMF與BS6349-6，二者推薦的平面布局都是基于船舶的纜繩、船錨的布置來進行基本布局，在各系泊腿與船錨的角度、系泊腿到船舶距離等設(shè)計上也大致相同。OCIMF推薦纜繩最大角度為10°～15°，船到浮筒的最大距離不超過150 m。一個顯著的區(qū)別在于，OCIMF推薦減少系泊腿的數(shù)量，并增大單個系泊腿的承載力，這主要是由于在滿足船舶系纜力以及船舶作業(yè)位移要求的情況下，浮筒數(shù)量越少，系纜力的分布越合理，也更便于控制船舶的系泊狀態(tài)。

圖2 BS 6349-6的MBM泊位浮筒布置

3 設(shè)計荷載

對于作用在固定式系船、靠船結(jié)構(gòu)上的船舶荷載，國內(nèi)規(guī)范僅考慮由風和水流產(chǎn)生的系纜力，只有在大型碼頭中，才要求考慮波浪引起的船舶撞擊力，而且并未給出計算方法。在MBM泊位的系纜設(shè)計中，波浪是船舶6個方向運動的重要環(huán)境荷載，對船舶位移有顯著的影響，波浪對船舶作用是必須要考慮的一個因素。

風、水流荷載的計算，國標、OCIMF、BS6349-6以及API-2SK-2005均有各自成熟的計算體系。OPTIMOOR軟件采用的是OCIMF基于試驗推導的風、水流荷載的計算公式，靜態(tài)計算模式下，假定設(shè)計風為恒風，其速度、方向都是恒定的，基于系泊系統(tǒng)對風速改變所需的響應時間，取30 s的平均風速作為設(shè)計風速；動態(tài)分析模式下，選擇頻域分析法的風譜計算船舶風荷載。

波浪對浮式結(jié)構(gòu)物的作用由兩部分構(gòu)成：一階的波浪振蕩力與二階的波浪漂移力。一階波浪力頻率與波浪自身頻率一致，大小與波幅成正比。對于作用在小型船舶、細長形的結(jié)構(gòu)物上時，結(jié)構(gòu)物對于波浪影響較小，一階波浪力可以使用莫里森公式計算；對于作用在大型船舶上的波浪，波浪撞擊到結(jié)構(gòu)物上反射較大，可以按照駐波來考慮一階波浪力。一階波浪力引起的船舶6個方向的運動，工程設(shè)計中，可以簡化使用響應振幅算子(response amplitude operators，RAOs)來計算，RAOs是一組船舶運動振幅與波浪振幅的比值，其數(shù)據(jù)是利用水動力模型計算得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶6個方向自由度、波浪周期、波浪方向、船型、船舶吃水、水深，工程計算時選取相對應的比例值。二階波浪漂移力，相比于一階波浪力要小很多，同時二階波浪漂移力頻率小于波浪自身頻率，變化比較緩慢，工程設(shè)計中，可以簡單考慮為恒定力，稱為平均漂移力。

4 系纜分析方法

4.1 準靜力分析

對于施工圖設(shè)計階段的MBM泊位分析，OCIMF規(guī)范不推薦采用準靜力計算方法。

準靜力分析假定錨泊裝置對波浪的一階運動沒有約束，計算出的船舶的一階波浪運動，疊加在風、流、平均漂移力平衡方程，計算出船舶的運動與受力。

4.2 動態(tài)分析

4.2.1頻域分析法

頻域分析求解船舶運動方程時，按船舶的平均運動、低頻運動以及波頻運動3類分別求解，并相互不耦合。平均運動通過求解環(huán)境力與系泊反力的靜態(tài)方程求得；低頻運動以及波頻運動通過頻域的方法產(chǎn)生均方差運動求得。統(tǒng)計的峰值，例如有效值和最大值，根據(jù)特定的峰值分布來估計。最后，將低頻運動以及波頻運動組合來模擬特定的一次風、浪過程。

4.2.2時域分析法

這種方法中，運動方程為聯(lián)合了平均運動、低頻運動以及波頻運動的一個通用方程，在時域內(nèi)求解。這類方法目前尚未成熟且計算復雜，不利于工程設(shè)計的推廣，因而運用不多。

5 OPTIMOOR系纜分析案例

5.1 工程概況

項目位于伊朗南部的格什姆島，在外海指定錨泊區(qū)域內(nèi)錨泊大型油船，然后通過輸油管道從船體將燃油引至后方陸域煉油廠。泊位平均水深為-21.3 m，系泊?？?萬～12萬DWT油船。設(shè)計船型及主尺度為：12萬DWT油船，總長277 m，型寬、型深分別為44.7、23.9 m，滿載、壓載吃水分別為16.2、7.2 m。

MBM泊位采用浮筒聯(lián)合船舶自帶錨鏈的系泊方式，共6組系纜腿與1組船舶自帶錨鏈錨碇，平面布置見圖3。5個系纜腿(1～5)布置在船尾，系纜腿6布置在船首右側(cè)，船首左側(cè)自帶1套錨泊裝置。

圖3 錨泊區(qū)域平面布置(單位：m)

5.2 OPTIMOOR系纜動態(tài)分析

在進行系泊安全分析時，應針對具體泊位的具體環(huán)境狀況，選擇可能的不利環(huán)境組合，分別驗算各組合下的系泊腿、纜繩受力。本案例僅選擇1種組合演示OPTIMOOR的計算結(jié)果，采用波浪、涌浪、流均從船艏30°方向作用在12萬DWT油船上。

本次分析，時長選擇2 h，顯示步長選擇30 s，計算步長為3 s。風選擇Harris風譜，波浪選擇Pierson-Moskowitz波譜，涌浪選擇Longuet-Higgins譜。

動態(tài)模式下，由Harris風譜生成的陣風風速見圖4a)，模擬的系纜力與船舶位移見圖4b)、c)。系纜力與位移的最大值與允許值見表1。

圖4 動態(tài)分析結(jié)果

表1 OPTIMOOR動態(tài)模擬的最大值與允許值

利用OPTIMOOR的動態(tài)分析功能，可以得到MBM泊位的系纜力的時域變化曲線，通過數(shù)學分析，可以得到各纜繩、系纜腿的最大受力。一方面可以驗證結(jié)構(gòu)的安全，另一方面可以根據(jù)結(jié)果，合理調(diào)整平面布局。

6 結(jié)論

1)各國主流規(guī)范,BS 6349和OCIMF的指導書對浮筒系泊的基本布局與設(shè)計計算的規(guī)定較為全面，可作為國內(nèi)未來發(fā)展浮筒系泊的規(guī)范基礎(chǔ)；挪威船級社與德國勞氏船級社集團的DNVGL-OS-E301側(cè)重于長期的浮式系泊，不完全適用于船舶多浮筒系泊的情況；美國國防部的《系泊設(shè)計手冊》則側(cè)重于軍艦的系泊。

2)BS 6349與OCIMF規(guī)范推薦的平面布局，在纜繩、船錨的布局方面基本相似，較大的不同點在于OCIMF推薦減少系泊腿的數(shù)量，而增大單個系泊腿的承載力，這主要是由于在滿足船舶系纜力以及船舶作業(yè)位移要求的情況下，浮筒個數(shù)越少，系纜力的分布越合理。

3)MBM泊位設(shè)計中船舶波浪荷載有別于傳統(tǒng)固定式碼頭系泊船舶荷載，本文計算浮式船舶波浪荷載為：浮式結(jié)構(gòu)物所受波浪作用中的一階波浪振蕩力可由莫里森公式或駐波公式計算，一階波浪力引起的船舶位移在工程設(shè)計中可簡化通過響應振幅算子來求得；二階波浪漂移力在工程設(shè)計中可以簡化為一恒定力，疊加到船舶所受風、流力中計算。

4)MBM泊位系纜分析主要分為靜態(tài)分析、頻域分域與時域分析，工程設(shè)計中，頻域分析可以作為動態(tài)分析MBM泊位的主要方法。

5)選擇OPTIMOOR作為系泊分析軟件，結(jié)合工程實例，對MBM進行動態(tài)分析，其計算結(jié)果驗證了工程項目系纜腿結(jié)構(gòu)的安全性與平面布局的合理性。