超大型 FPSO 出塢靠泊環(huán)境載荷計(jì)算分析

杜玉春，楊含坤，尹 艷

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

船舶出塢是指船舶在干船塢內(nèi)注水起浮后，依靠船塢牽引設(shè)備和輔助拖輪，從塢內(nèi)轉(zhuǎn)移至塢外碼頭的全過程。在船舶出塢過程中，通常會(huì)受到外部風(fēng)、浪、流的影響。船塢中性線與外部水流夾角也間接影響著外部作用力的大小。近年來，隨著船舶向大型化發(fā)展，船舶出塢過程受到的外部風(fēng)浪流作用力也越來越大。作為現(xiàn)代大型船舶建造的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，船舶出塢必不可少。為保障船舶安全出塢，必須合理配置拖輪以平衡船舶受到的外力。因此，船舶出塢所受環(huán)境載荷的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)拖輪的選型具有重要的指導(dǎo)作用。

為了得到較為準(zhǔn)確的外部環(huán)境力，一般進(jìn)行水池和風(fēng)洞模型試驗(yàn)，但該方法存在費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的船舶建造工程中，為了節(jié)省拖輪使用成本，船廠通常采用較為保守的估算方法來確定外部作用力。目前，最常用的方法是根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇(Oil Company International Maritime Forum，OCIMF)給出的經(jīng)驗(yàn)公式。然而，其適用船型為常規(guī)的流線型液貨船，并且僅考慮風(fēng)和流的作用力，而未考慮波浪力。

為此，本文提出了一種適合于非流線的超大型海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(float production storage and offloading，F(xiàn)PSO)出塢過程環(huán)境力計(jì)算方法，全面考慮出塢過程中風(fēng)浪流這三種載荷。根據(jù)CB/T 3677—2015《船舶進(jìn)出干船塢技術(shù)要求》規(guī)定的出塢環(huán)境條件，應(yīng)用水動(dòng)力分析軟件AQWA計(jì)算外部環(huán)境力，將計(jì)算結(jié)果與所用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為超大型FPSO出塢過程的安全性和可靠性提供理論依據(jù)，為出塢靠泊確定拖航方案。

1 船型與環(huán)境參數(shù)

1.1 船型參數(shù)

本文研究對(duì)象為一艘超大型FPSO儲(chǔ)油船，其側(cè)視圖如圖1所示，其主要船型參數(shù)如表1所示。

圖1 超大型FPSO側(cè)視圖

表1 FPSO船型參數(shù)

1.2 出塢環(huán)境參數(shù)

船舶出塢時(shí)需考慮外部環(huán)境條件。以長(zhǎng)江口某造船公司為例，其船塢外側(cè)為長(zhǎng)江，水流較為順直，船塢外側(cè)水域水深為9.0 m，船塢中心線與船塢外水流的夾角幾乎成90°。風(fēng)速、浪高和流速依據(jù)CB/T 3677—2015《船舶進(jìn)出干船塢技術(shù)要求》，分別取值為10.7 m/s(浦氏5級(jí))、1.5 m和1 m/s(2 kn，1 kn=1.852 km/h)。

2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

船舶出塢時(shí)的外部環(huán)境載荷風(fēng)、浪、流計(jì)算坐標(biāo)系如圖2所示。假定風(fēng)浪流外部作用力作用于船舶縱橫中心線的交點(diǎn)處，出塢時(shí)僅考慮水平作用力和繞船舶垂直軸的首搖力矩。

圖2 外部環(huán)境載荷計(jì)算坐標(biāo)系

2.2 風(fēng)的作用力

對(duì)于大型船舶而言，出塢時(shí)吃水較小，水面以上受風(fēng)面積較大，尤其是海工船舶，應(yīng)充分考慮風(fēng)載荷對(duì)出塢的影響。船舶出塢時(shí)所受的風(fēng)的作用力和風(fēng)力首搖矩計(jì)算公式[1]如下：

式中：FXw為風(fēng)的縱向作用力，kN；FYw為風(fēng)的側(cè)向作用力，kN；MXYw為風(fēng)的首搖風(fēng)力矩，kN·m；ρw為空氣密度，取值1.28 kg/m3；Vw為水面平面以上10 m處的風(fēng)速，m/s；CXw、CYw、CXYw為縱向風(fēng)力系數(shù)、側(cè)向風(fēng)力系數(shù)、風(fēng)力首搖矩系數(shù)，無量綱，系數(shù)值通過OCIMF試驗(yàn)圖譜獲得。

2.3 流的作用力

船舶出塢時(shí)所受的流的作用力和流力首搖矩計(jì)算公式[2]如下：

式中：FXc為流的縱向作用力，kN；FYc為流的側(cè)向作用力，kN；MXYc為流的首搖流力矩，kN·m；ρc為水的密度，kg/m3；Vc為流速，m/s；CXc、CYc、CXYc為流的縱向力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、首搖流力矩系數(shù)，無量綱，系數(shù)值由OCIMF試驗(yàn)圖譜獲得。

2.4 波浪的作用力

波浪的作用力通常分為兩種：一種是一階波浪力，也稱高階波浪干擾力，這種作用力不會(huì)改變船舶的位置和船首向，僅僅會(huì)引起船舶周期性搖蕩。另一種是二階波浪漂移力，這種作用力會(huì)影響船舶的航向與軌跡，其影響程度與波高的平方成正比。由于船舶建造場(chǎng)地通常為岸邊，波浪一般較小，并且船舶出塢時(shí)移動(dòng)速度緩慢，一階波浪力對(duì)船舶的影響很小，因此船舶出塢時(shí)僅考慮二級(jí)波浪漂移力。船舶出塢時(shí)所受的波浪漂移力和流力首搖矩計(jì)算公式如下[2]：

式中：FXwave為縱向波浪力，kN；FYwave為側(cè)向波浪力，kN；h為波高，m；θ為波浪與船首向之間的夾角，(°)。

2.5 計(jì)算結(jié)果

由于油氣處理工藝模塊在出塢前未安裝，因此在出塢時(shí)，僅考慮船體、生活樓和機(jī)艙棚模塊。船舶出塢時(shí)的空船重量通?；诠浪阒?，在實(shí)際的出塢中還需加注壓載重量，所以實(shí)際的吃水存在很大的不確定性。在計(jì)算中為覆蓋本船出塢過程中的吃水值，選擇一個(gè)吃水范圍值，即T分別為4.5 m、5.0 m、5.5 m。在三種不同吃水條件下，考慮風(fēng)浪流同時(shí)側(cè)向作用于船體，所受到的最大側(cè)向聯(lián)合作用力如表2所示，首搖力矩計(jì)算結(jié)果如表3所示，船舶側(cè)向首搖力矩曲線如圖3所示，船舶首搖力矩-攻角曲線如圖4所示。

表2 風(fēng)浪流作用力計(jì)算結(jié)果 (單位：kN)

表3 首搖力矩計(jì)算結(jié)果 (單位：kN)

圖3 船舶側(cè)向總首搖力矩曲線

圖4 首搖力矩-攻角曲線

由上述圖表可知：

(1) 在相同的攻角下，當(dāng)風(fēng)速為5級(jí)，流速為2 kn時(shí)，風(fēng)的作用力高出流的作用力20%左右，風(fēng)起著主導(dǎo)作用。

(2) 風(fēng)的作用力隨著吃水的增加而減小，流的作用力隨著吃水的增加而增加，波浪二階漂移力依據(jù)其計(jì)算公式，與船舶吃水無關(guān)。外部作用力的合力隨著吃水的增加而增加。

(3) 在出塢過程中，波浪二階漂移力與風(fēng)和流的作用力相比為一小量，幾乎可以忽略不計(jì)。

(4) 船舶側(cè)向總首搖力矩最大值集中在攻角為45°左右的位置，最大值約為6 100 t·m。

3 水動(dòng)力軟件計(jì)算

AQWA是一個(gè)功能齊全的海洋工程水動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算軟件。經(jīng)過40多年的改進(jìn)優(yōu)化，其多樣化的能力和良好的計(jì)算精度得到了廣泛的認(rèn)可。目前已成為大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、海洋工程設(shè)計(jì)公司的重要浮體分析工具，且已被LR、CCS、DNV、ABS船級(jí)社作為分析和驗(yàn)證海洋工程水動(dòng)力性能的標(biāo)準(zhǔn)軟件[3]。

AQWA的環(huán)境因素(風(fēng)浪流)的方向以X軸正向?yàn)?°，風(fēng)浪流作用力的方向?yàn)閄軸正向逆時(shí)針方向(逆時(shí)針方向?yàn)檎?。本船水動(dòng)力模型和網(wǎng)格劃分模型分別如圖5和圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分模型

圖5 FPSO 水動(dòng)力模型

在使用AQWA軟件進(jìn)行計(jì)算的過程中，風(fēng)浪流與船體的夾角取值為90°，船舶吃水采用出塢時(shí)理論吃水，即5.0 m。波浪力僅計(jì)算船舶在波浪中受到的二階平均漂移力。根據(jù)船舶出塢水域的海況條件，采用JOSWAP譜，有義波高取選取1.5 m。采用頻域分析法，計(jì)算出船舶在不規(guī)則波中，不同波浪頻率所對(duì)應(yīng)的二階波浪漂移力(response amplitude operator，RAO)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。當(dāng)用AQWA計(jì)算風(fēng)和流的阻力時(shí)，需要確定風(fēng)和流的阻力系數(shù)。風(fēng)阻力系數(shù)與受風(fēng)構(gòu)件形狀有關(guān)，本文依據(jù)《海上移動(dòng)式鉆井平臺(tái)構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(MODU 2009)[5]規(guī)則取值。流的阻力系數(shù)不僅與船體表面粗糙度有關(guān)，還與雷諾數(shù)和庫(kù)爾根-卡培數(shù)有關(guān)[6]。對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目而言，最好采用模型試驗(yàn)來確定。但在試驗(yàn)資料不足的情況下，可以參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值。部分規(guī)范、規(guī)則及標(biāo)準(zhǔn)給出的參考值如表4所示[7]，本文取值1.0。風(fēng)和流的作用力計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

表4 流的阻力系數(shù)取值

圖7 波浪漂移力-波浪頻率關(guān)系曲線 (攻角為90°)

圖8 風(fēng)的作用力-時(shí)間曲線(攻角為90°)

圖9 流的作用力-時(shí)間曲線(攻角為90°)

從上圖中我們可以看出，對(duì)于不同吃水，二階波浪漂移力基本相同。當(dāng)吃水為5.0 m，波浪頻率為0.087 Hz時(shí)，波浪拖拽力達(dá)到最大值40 kN；風(fēng)對(duì)船體的作用力在600 s后幾乎不變，可視為一固定值，其值約為410 kN。流對(duì)船體的作用力在600 s后基本穩(wěn)定在600～700 kN，其均值約為620 kN。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

采用OCIMF經(jīng)驗(yàn)公式和AQWA數(shù)值模擬方法進(jìn)行FPSO出塢靠泊受力計(jì)算，計(jì)算對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比 (單位：kN)

從表5可以看出：

(1) 用OCIMF經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的風(fēng)的作用力結(jié)果偏大，而浪和流的作用力與AQWA數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。造成風(fēng)的作用力計(jì)算結(jié)果偏大的原因在于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算僅考慮了風(fēng)力系數(shù)和風(fēng)速，而未考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀和風(fēng)速在高度上的差異，因此計(jì)算結(jié)果較為保守。

(2) 由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的二級(jí)波浪漂移力與AQWA數(shù)值模擬計(jì)算出的最大值基本相同。由于經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算二階波浪漂移力時(shí)，僅考慮了波高，未考慮波浪周期/頻率的影響，存在一定的局限性。AQWA數(shù)值模擬計(jì)算出的波浪二階漂移力不但考慮了波高，而且考慮了頻率的影響，并可以計(jì)算出不同頻率對(duì)應(yīng)的二級(jí)波浪漂移力，計(jì)算結(jié)果更加合理。

(3) 在考慮最大二階波浪漂移力的情況下，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的風(fēng)、浪、流合力比AQWA數(shù)值模擬計(jì)算出的結(jié)果大20%，以公式計(jì)算結(jié)果配備拖輪，可有效保證船舶出塢靠泊過程中的安全性。

5 計(jì)算方法局限性分析

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中的風(fēng)、流等作用力系數(shù)來自流線型船體試驗(yàn)圖譜，而對(duì)于非流線型的船體，在出塢靠泊中只能參考使用。經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于風(fēng)的作用力計(jì)算，僅考慮了風(fēng)速，而未考慮構(gòu)筑物的高度因素和形狀因素。對(duì)于受風(fēng)面積較大的、形狀較為復(fù)雜的海洋工程裝備，雖然經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果偏大，但更便捷。

AQWA數(shù)值模擬方法適用于不同的船型，計(jì)算結(jié)果較經(jīng)驗(yàn)公式更貼合工程實(shí)際。但利用AQWA，需要建立復(fù)雜的幾何模型和水動(dòng)力模型并劃分網(wǎng)格，須耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。

6 船舶出塢工程實(shí)踐

在超大型FPSO出塢靠泊過程中，經(jīng)理論計(jì)算，船舶出塢吃水為5 m，依據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出FPSO出塢靠泊過程中最大的作用力為1 324 kN。依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，全回轉(zhuǎn)拖輪功率與系柱拖力轉(zhuǎn)換關(guān)系為8 kg/hp(1 hp=735 W)，重力加速度取9.8 m/s2，拖輪功率裕度為1.25。以此估算超大型FPSO出塢時(shí)所需輔助拖輪功率為21 110 hp。

在FPSO出塢過程中，配備3 200 hp、4 000 hp和5 200 ph拖輪各兩艘。在拖航過程中，配備四條旁拖拖輪和一條吊拖拖輪，功率合計(jì)為21 600 hp。配備一條3 200 hp應(yīng)急拖輪。FPSO實(shí)際出塢拖輪配備如圖10所示。

圖10 FPSO實(shí)際出塢拖輪配備

為保證FPSO出塢安全，本項(xiàng)目在拖輪配置方面考慮了1.25倍的拖輪功率裕度。對(duì)于不需要考慮拖輪裕度而直接使用上述公式計(jì)算船舶出塢靠泊時(shí)的環(huán)境載荷的情況，還需要大量的工程實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1) 船舶在出塢過程中，波浪力僅占總作用力的4%左右，因此，計(jì)算外部作用力時(shí)可忽略波浪因素；風(fēng)和流的作用力在FPSO出塢靠泊過程中約占總作用力的96%。關(guān)于船舶出塢時(shí)機(jī)，應(yīng)盡可能避開大風(fēng)天氣以及漲落潮流速較大時(shí)段。

(2) 風(fēng)的作用力隨著船舶吃水的增加而減小，流的作用力隨著船舶吃水的增加而增加，但流的作用力的增加值大于風(fēng)的作用力的減小值。因此，風(fēng)、浪、流合力隨著吃水的增加而增大。船舶出塢的配載應(yīng)在滿足船舶縱傾和穩(wěn)性的前提下，盡可能地降低船舶吃水。

(3) 以O(shè)CIMF經(jīng)驗(yàn)公式估算的合力值較AQWA數(shù)值模擬計(jì)算的合力值約大30%，以估算值配備拖輪，可保證船舶出塢靠泊的安全性。

(4) 采用OCIMF經(jīng)驗(yàn)公式估算外部環(huán)境載荷，在一定的安全系數(shù)下，OCIMF計(jì)算結(jié)果可用于江河入海口的船舶出塢。