单点系泊系统系泊力响应特性分析

苏方磊，马小舟，马玉祥（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116023）



单点系泊系统系泊力响应特性分析

苏方磊，马小舟，马玉祥
（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116023）

摘要：为了得到单点系泊油轮在浅水域的安全装载方案，通过水平刚度物理模型试验与数值模拟得到了系泊系统刚度的影响参数，通过风浪流联合作用工况试验得到软刚臂水平系泊力响应。对船体吃水与软钢臂压载舱重的工作参数对水平系泊力的影响进行了分析。进一步地，对浅水不规则波的周期、非线性及低频等特征参数对系泊力的影响进行了讨论。

关键词：单点系泊；刚度；水平系泊力；不规则波

引 言

单点系泊系统的诸多优点使其成为目前海洋油气开发的主流设施。单点系泊系统包括浮式生产储油系统（FPSO）和系泊系统（SPM）。单点系泊系统一般根据作业水深选择系泊方式，随着我国近海浅水油气田的开发，越来越多FPSO及FLNG将系泊工作于浅水域，软钢臂单点系泊方式在浅水域的应用优势明显［1］。本研究目的是根据目标海域海况条件和作业要求，合理选择储油轮及系泊系统相关工作参数。这些参数与系泊系统刚度许多特性因素密切相关，其中最重要的是反映系泊力的大小［2］。系泊塔水平系泊力对单点系泊系统的安全工作性能影响很大，其相对海底的极大倾覆力矩会导致系泊塔倾倒，一旦FPSO解脱系泊，将会造成极其恶劣的后果［3］。因此，本研究主要关注单点系泊系统水平系泊力的响应特性。

本研究基于在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室进行的物理模型试验，对软钢臂单点系泊FPSO水平系泊力的各种影响参数进行了分析。港池总体布置如图1中所示，水池有效使用尺寸为40 m×24 m×1.0 m，模型缩尺比为1：50。FPSO船通过一套水上软钢臂单点系泊系统进行定位，单点系泊系统由系泊塔、软刚臂和系泊腿构成，FPSO通过船艏支架与软刚臂的系泊腿铰接相连。定义风浪流向角 0°为船尾流向船艏，定义 180°为船艏迎浪。船体六自由度运动坐标系符合右手定则，坐标轴方向如图1中所示。本研究涉及的波浪、风和流的方向角组合包括EC-1的180°风浪流同向与EC-2 的180°浪135°风90°流，如图1所示。水池整体循环造流系统可以提供均匀稳定的流场，；并排轴流风机组可以提供覆盖海洋工程工作区域的稳定风场。通过液压伺服推板式造波机可以模拟不规则波浪，造波采用合田良实改进的JONSWAP型谱［4］。

图1 港池总体布置

我国渤海海域平均水深仅为 18 m左右，而FPSO满载吃水多达十几米。因此浅水系泊 FPSO必须减载作业。研究表明，浅水中系泊FPSO的运动与水平系泊力响应会增大［5］。因此，通过选择合适的生产系统与系泊系统的工作参数组合，可以显著提高FPSO的安全工作性能。

本研究针对水上软钢臂的单点系泊方式，通过数值模拟与水平刚度试验对系泊系统的刚度特性进行了拟静力分析。对波浪的特征参数对水平系泊力响应的影响作了深入探讨。通过控制变量方法，对风浪流联合工况试验的系泊力响应影响因素进行了敏感性分析。

1 水平刚度特性分析

在系泊FPSO运动与载荷特性优化技术方面，软钢臂系泊系统的水平刚度拟静态分析是动力分析的基础，它可以为动力分析及结构设计提供一些重要参数的相关信息［6］。

1.1 数值模拟分析

数值模型的优点在于方便调节相关的结构参数。软钢臂系泊系统结构型式如图2（a）所示。

图2 系泊系统工作原理

图中：A是系泊塔与纵荡摇臂连接点，B是系泊腿与压载舱铰接点，C是系泊腿与船艏支架铰接点，W1为软钢臂结构重量，W2为压载舱重量，W3为压载舱重量，L1为软钢臂结构重心到纵摇轴承A距离，L2为压载舱重心到A距离，L3为软钢臂系泊腿长度，L4为系泊腿转动点B到纵摇轴承A距离，H1为纵荡摇臂到海底距离，H2为转动点C到海底距离，H为H1和H2的高差。静水中FPSO处于平衡位置，当环境力作用于储油轮的艏部时，储油轮向远离系泊导管架方向移动，达到最大位移后，系泊系统将依靠压载舱重的作用将储油轮拉回到初始的平衡状态［2］。FPSO远离系泊塔系泊系统的拟静态受力分析如图2（b）所示。

将W2、H、L3和L4作为控制变量，计算在水平系泊力设计荷载460 t时船体偏离平衡位置的位移量，由此衡量水平系泊力对各参数的敏感程度。水平刚度 K=Fcx/X，当系泊力一定时，位移越大则刚度越小。如图3所示，当W2变化量为15 %时，平均位移变化量为6.1 %；当H变化量为15 %时，平均位移变化量为1.2 %；当L3变化量为15 %时，平均位移变化量为13.6 %；当L4变化量仅为15 %时，平均位移变化量高达58.9 %。

图3 水平刚度数值模拟结果

对软钢臂系泊FPSO的水平刚度进行分析，得到压载舱重等参数与系泊塔水平系泊力之间的相关性，这些相关关系可为结构初步设计以及进一步的动力响应分析提供参考。由图3可知，影响系统刚柔程度的优先考虑因素依次为L4、L3、W2和H。实际应用过程中往往利用既有设备进行改造，系泊腿长度L3和钢臂长度L4为不可调节因素；而高差H可通过改变 FPSO的吃水进行调节，压载舱重W2可通过改变注入压载水重调节。水平刚度反映了系泊塔水平系泊力的大小，在进行水平刚度物理模型试验应重视以上因素。

1.2 模型试验

图4 水平刚度物模试验结果

在水深 16.3 m港池中，进行软刚臂单点系泊FPSO水平刚度试验，试验方法与图2中类似。运用控制变量方法，调节FPSO的吃水以及压载舱重得到的位移—受力水平刚度曲线分别如图4所示。可得到如下结论：系泊塔水平刚度随着吃水的增加而减小；水平刚度随着软刚臂压载舱重的增加而增加。

2 工作参数对系泊力响应的影响

敏感分析以16.3 m水深中，FPSO吃水6 m及压载舱重360 t的工况为基准，研究各参数改变对系泊塔水平系泊力响应的影响。

2.1 吃水改变

EC-1与EC-2环境工况中系泊塔有义系泊力与最大系泊力随吃水的变化规律如图5所示，可以看出，系泊塔的水平系泊力随着吃水的增大而减小。

图5 不同吃水的水平系泊力

2.2 压载舱重改变

EC-2环境工况中系泊塔有义系泊力与最大系泊力随软钢臂压载舱重的变化规律如图6所示，可以看出系泊塔的水平系泊力随着压载舱重的增大而增大。

图6 不同压载舱重的水平系泊力

3 不规则波特征参数对系泊力响应影响

3.1 波浪周期

波浪作为引起系泊浮体振动的最主要因素，其相关特征对系泊力相应的影响很大［7］。在EC-1风浪流同向作用工况中，增加来浪的谱峰周期约8 %，同时减小来浪的波高，系泊塔水平系泊力随波浪周期的变化规律如表1所示，可以看出虽然波浪的有效波高减少，但是系泊力仍随波浪周期增大而增大，这说明软刚臂单点系泊FPSO的系泊力响应对波浪的周期非常敏感。

表1 周期不同的试验工况

3.2 波浪非线性

图7 不同Ur数的水平系泊力

浅水中波浪的非线性会增强，波浪的非线性对系泊FPSO的系泊力响应影响很大。Ur数是衡量波浪非线性强弱的重要参数，定义［8］如下：

Ur数综合考虑了水深、周期与波高因素对波浪非线性的影响。对不同波高、周期及水深的工况中的实测波浪数据进行计算求出各工况波浪Ur数，分析其与系泊塔最大系泊力之间的关系如图7所示。

3.3 波浪低频特性

图8 不同水深的波浪能量谱

研究表明，浅水波的低频成分会FPSO的运动与系泊力响应增大［9］。对造波系统输入相同的目标谱参数，由图8可以看出，随着水深变浅，不规则波在低频范围的能量成分会增强。

系泊塔水平系泊力随水深变化如表2所示，可以看出，随着波浪的低频成分增加，系泊塔的水平系泊力明显增大。

表2 水深不同的水平系泊力试验结果

4 结 论

船体吃水与软钢臂压载舱重对软钢臂系泊系统的水平刚度影响很大，风浪流联合作用工况试验结果表明：FPSO吃水越大，系泊塔水平系泊力越小；软钢臂压载重越大，系泊塔水平系泊力越大。

软钢臂单点系泊系统水平系泊力对波浪的周期较为敏感。浅水波浪的非线性与低频成分越强，则系泊塔水平系泊力越大。应用本研究的相关结论可为工程实际提供一些参考

参考文献：

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［3］ 李欣．软刚臂系泊FPSO水动力响应研究［D］.上海：上海交通大学，2005．

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［5］ 李淑一．浅水软刚臂系泊 FPSO水动力性能和运动响应数值研究［D］.青岛：中国海洋大学，2011．

［6］ 胡志敏，董艳秋，杨冠声．张力腿平台拟静分析 ［J］．中国海洋平台，2001，16（4）：21-25．

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［9］ 肖龙飞．浅水波及软刚臂系泊FPSO浅水效应研究［D］.上海：上海交通大学，2007．

Analysis of Mooring Force Response Characteristics of Single Point Mooring System

Su Fanglei， Ma Xiaozhou， Ma Yuxiang
（State Key Laboratory of Costal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116023， China）

Abstract：In order to complete safe loading solutions for a tanker berthing by adopting single point mooring method in shallow water， firstly a physical model test of horizontal stiffness is combined with numerical simulation to get the influence parameters for the stiffness of mooring system， and the work condition under the combined action of wind， wave and current is tested to obtain the horizontal mooring force response of mild steel beam.Secondly， the influence of working parameters on the horizontal mooring force is analyzed， which involve the draught of ship hull and ballast weight of mild steel beam.At last， a discussion is made to study the mooring force being affected by the characteristic parameters of irregular wave in shallow water， i.e.period， nonlinearity and low frequency etc.

Key words：single-point mooring； stiffness； horizontal mooring force； irregular wave

中图分类号：U653.2

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0046-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160212

收稿日期：2015-05-02

作者简介：苏方磊（1990-），男，硕士，主要从事海洋环境因素及海洋实务对结构物作用的研究。