连接缆形式对旁靠外输安全的影响分析

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(哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨 150001)

浮式储油卸油装置(FPSO)是海洋油气开发中应用最广泛的海洋工程设备。油气外输作业是FPSO最为复杂和危险的海上作业活动，如何保证和提高FPSO外输过程的安全性一直是研究的重点[1]。对于油船外输作业来说，输油的过程完全在海上进行，而海上的环境载荷是难以确定的，即使完全按照规范所规定的外输条件以及程序进行也难免会发生意外事故，危险性非常大。尤其对于旁靠外输来说，其突出的特点是穿梭油船和FPSO舷侧相靠，间距很小，两者之间存在相当大的水动力相互影响和船体间的相互运动。旁靠外输对波浪和风的影响非常敏感，即使是在较稳定的海况下也可能出现剧烈的运动，特别是在旁靠的两船形状、尺寸差别很大时，这种原油外输方式最容易受天气条件限制。过高的波浪是造成旁靠外输停输的主要原因[2-6]。

本文主要针对软刚臂定位的FPSO旁靠作业系统(见图1)，应用多体水动力学理论，全面考虑FPSO与穿梭油船之间的水动力耦合，以及船体与软刚臂系统、船体与连接缆之间的耦合，分析连接缆刚度，连接缆原长和连接缆布置形式等参数的改变对系统安全性能的影响，寻求提高系统安全性的有效措施。

图1 软刚臂定位的FPSO旁靠外输

1 旁靠系统耦合分析理论

旁靠外输作业系统的安全性采用系统中连接缆的最大张力、靠球变形来评价， FPSO与穿梭油船旁靠作业时，主要依靠布置在两船间的尼龙大缆和靠球提供了水平方向回复力。尼龙大缆上的张力值过大时会导致大缆破断，两船间距便无法控制，外输作业安全得不到保证；靠球的变形值时刻反映两船的间距，也是应该考虑的因素。实际作业时，为了安全起见，对大缆的张力值要选取一个安全系数(大缆破断张力与所受最大张力的比值). 本文连接缆安全系数(连接缆最大张力/最小破断力)取2.2，靠球变形不超过60%视为安全。整个计算基于多体水动力软件AQWA完成，基本流程见图2。

图2 计算基本流程

(1)

式中：M——船舶质量;

Ma(∞)——船舶附加质量;

λ——阻尼系数;

K——船舶恢复力系数;

ζ——船舶运动位移;

FR(t)——波浪辐射力;

Fcw——海流力和风力;

FDP(t)——连接缆拉力(FPSO还包括软刚臂系泊力);

FP(t)——靠球对船作用力。

小间隙多浮体问题是旁靠分析中最突出的特点，由于多浮体水动力相互影响的存在，无论是波浪力还是浮体间相互作用的水动力系数在某些频率上都存在着强烈的共振现象，波面会急剧升高，这是和实际情况不相符的。事实上，由于流体表面张力和波浪破碎等导致的能量耗散，流场的响应会远低于理论计算的结果。本研究的处理方式是在船体间的自由液面上施加具有阻尼的刚性盖子，称为阻尼板。设置阻尼板能够很好地改善对慢漂力和相对横荡和艏摇运动的预报；在时域分析中，阻尼板对于预报小间隙多浮体之间的垂荡和纵摇运动起着极其关键的作用。

在求解连接缆张力的时候，需要将连接缆的刚度矩阵从系缆点转移至重心处，此转化可以通过引入张力和位移的矩阵完成。如果刚度矩阵是在固定坐标系中定义的，还会产生附加的刚度矩阵。每根连接缆的刚度矩阵Kg与重心的位移以及作用在重心上的力和力矩有关，两船体通过连接缆相连时，Kg是一个耦合的12×12矩阵，一个结构的位移会导致另一个结构受力的改变，写成如下形式：

(2)

其中：x0,y0,z0——连接缆系缆点相对于重心的坐标;

Px,Py,Pz——连接缆张力在坐标x,y,z方向的分量，连接缆的张力与伸长的关系一般采用多项式拟合，根据连接缆性能确定的其系数。

FPSO的软刚臂系泊系统起到定位作用，采用刚性杆元模拟，杆元根据实际采用刚性铰接、固接连接，根据连接处的位移和转角连续条件，在局部坐标系中建立连续方程

(3)

式中:xi,xi+1——铰连接点在刚体Bi和Bi+1局部坐标系中的坐标值;

xoi,xo(i+1)——刚体Bi和Bi+1的转动中心在各自局部坐标系中的坐标值;

ξi、ξi+1——刚体Bi和Bi+1的平动位移;

αi,αi+1——刚体Bi和Bi+1的转动角位移;

αix，α(i+1)x，αiz，α(i+1)z——刚体Bi和Bi+1的转动角位移在X和Z轴上的分量。

2 计算参数及建模

2.1 系统参数

计算模型选用渤海明珠号FPSO以及玉池号穿梭油船组成的旁靠系统，两船体的主尺度见表1。FPSO和穿梭油船的作业水深为17.4 m。计算时选取两种典型的装载工况：外输作业开始时，FPSO满载而穿梭油船压载此时记为Case1，外输作业完成时，即FPSO压载而穿梭油船满载记为Case2。两种装载工况下两船的相关参数见表2。

表1 船体主尺度

表2 两种装载工况下的参数

靠球的直径为2.5 m，长5.5 m，靠球的回复力F与变形值的关系方程如下。

F=572 380·Δx+118 090·Δx2+597 960·Δx3

(4)

连接缆为直径88 mm的特级尼龙缆，最小破断力为2 011 kN，连接缆张力变形曲线见图3。环境载荷的选取参照明珠号作业的渤中区域1年一遇的海况，波浪谱选择JONSWAP谱，谱峰升高因子为1.96，周期为7.9 s，波高为2 m。平均风速为18 m/s，表面流速为1.34 m/s。选择了5种典型环境组合(用EC表示，角度为x轴正向逆时针转至风浪流方向转过的角度)，见表3。

图3 缆绳张力变形曲线

表3 环境组合情况 (°)

2.2 水动力模型

整个外输系统水动力模型见图4。软钢臂采用tube单元模拟，计算模型中FPSO右舷挂有4组靠球。

图4 旁靠系统水动力计算模型

软刚臂系泊建模见图5，吊杆两端节点BCDE约束位移自由度且转动自由；软刚臂末端A与转塔相连的点设置为绕z轴转动自由，其它自由度固定。

图5 软钢臂示意图

根据本文算例中旁靠系统总共可布置10根连接缆。由于不同的连接缆布置形式会使作用在船体上力的大小和方向发生变化，本文在不改变导缆孔位置和两船初始间距的情况下，列举了如图6所示的4种可能的布缆形式。

图6中标号1～4为4个靠球，防止船体直接碰撞，标号5～14为10根连接缆，根据艏艉、船舯区域又有交叉布置和平行布置之分。

图6 连接缆布置形式示意

3 连接缆刚度的影响

针对于不同的要求可以选用不同连接缆材料。此处基于连接缆布置方案A，比较分析直径88 mm(最小破断力2 011 kN)和直径120 mm(最小破断力2 678 kN)连接缆时旁靠系统的安全性。

针对每种环境条件，均取100、300、500作为其波浪随机种子，进行计算，并取该种环境条件下3个最大张力值取平均，该平均值即为缆绳最大张力。根据API规范对锚缆安全系数的相关规定，选取安全系数为2.2，根据最大张力计算得到的安全系数小于参考安全系数2.2时，认为该环境条件不安全。同时要求靠球的变形在60%以内，即变形值不能大于1.5 m(直径为2.5 m×60%=1.5 m)。

缆绳安全系数的模拟结果见表4。其中安全系数为最小破断力与计算最大张力的比值。

表4 不同刚度缆绳下的安全系数对比

从安全系数结果的对比中可以看出提高缆绳的刚度可以显著提高系统的安全系数。选用刚度较好的缆绳可以增加作用在船体上的回复力，有效控制两船体的相对运动，从而降低缆绳拉力，同时缆绳的最小破断力较高，因此对系统的安全性是有利的。同样可以采用增加缆绳数量的方式达到同样的效果。但是这种方法受到经济性以及作业条件的限制不能无限地增加。为了保证外输作业安全进行，选择缆绳时，应该在同时满足安全要求和经济要求的前提下，尽量选择刚度大性能好的缆绳。

4 连接缆长度的影响

根据以往旁靠外输事故的资料，各条连接缆受力不均衡是事故发生的主要原因。而调节连接缆的原长可有效地改善各连接缆受力均衡分布，充分利用每根连接缆。一般说来，调整的原则是：受力大的连接缆变长，受力小的连接缆缩短。

在数值计算实施过程中，可设定一标准差来衡量各个连接缆受力均衡。设计连接缆长度流程见图7。

图7 缆绳长度调整流程

以环境组合EC1下的工况Case2为例，假定最大连接缆张力与最小连接缆张力的差值不大于100 kN时满足要求，调整前后各连接缆的长度和受力情况见表5。

表5 缆绳原长和受力情况对比

从表5可以看出，在不改变缆绳布置形式的前提下，通过调整缆绳长度，使得最大张力由8.929×105N降低到7.549×105N;最大张力和最小张力的差值由5.888×105N降低到0.839×105N。可见改进效果是很明显的，不仅降低了最大缆绳的受力，而且使各条缆绳的受力趋于均匀，改进之后旁靠外输系统的安全性得到了提高。同时，改进前受力大的缆绳原长改进后长度变大，而受力小的缆绳的原长改进后长度变小，这与所设计的改进思路一致，说明此方法可行。

5 连接缆布置形式的影响

在计算不同连接缆布置前，最终的连接缆原长均通过上节的连接缆长度设计方法进行了调整，使受力尽量保持均衡。

表6为针对4种连接缆布置形式在不同载况、环境条件下进行计算的安全系数结果。

表6 不同缆绳布置形式下的安全系数对比

从上面的对比中可以看出，连接缆的布置形式对系统安全性也有重要的影响。完全采用平行系缆的方式时，在环境载荷作用下系统的稳定性降低，达到平衡状态所用时间较长，同时安全系数也较低。从安全角度来说，布置方案D最合理，5种组合工况下安全系数最大。总的来说，确定连接缆布置形式时，应尽量减少平行缆的数量而改为交叉缆布置，这样可以应对多变的环境载荷，避免出现连接缆受力严重不均的情况。

6 结论

1)使用刚度大的缆绳(最小破断力较大)可以有效提高系统的安全性。缆绳刚度增大后，一方面两船的相对运动变小，另一方面最小破断力增加，自然增加了系统的安全系数。但在实际应用时这种方法受到经济条件、操作等因素的限制，很难根据环境实时调节。

2)合理设计连接缆长度可以使外输系统各连接缆在作业过程中受力更加均匀，减小最大缆绳张力，一方面提高连接缆的利用率，另一方面提高了系统的安全性。

3)不同的布置形式安全性差异很大，平行缆布置不利于各连接缆在环境载荷作用下保持受力均匀，系缆时应尽量使连接缆保持在不同方向，能更加有效地抵抗环境载荷的作用。布置形式的变化需要多次的试探，但其本质上是缆绳长度以及方向的改变，这一措施同样有利于提高系统的安全性。

[1] 缪国平,朱仁传,朱海荣.具有小间隙的多浮体系统水动力共振现象[J].海洋工程,2005,10(2)：20-24.

[2] 朱仁传,朱海荣.具有小间隙的多浮体系统水动力共振现象[J].上海交通大学学报,2008,42(8)：1238-1242.

[3] KOO B J,KIM M H.Hydrodynamic interactions and relative motions of two floating platforms with mooring lines in side-by-side offloading operation [J].Applied Ocean Research,2006,27:292-310

[4] MASASHI Kashiwagi,KAZUAKI Endo,HIROSHI Yamaguchi.Wave drift forces and moments on two ships arranged side by side in waves [J].Ocean Engineering,2005,32:529-555.

[5] 刘元丹,熊治国,刘敬喜,等.基于AQWA的旁靠油船水动力相互作用研究[J].舰船科学技术,2012,34(5):13-22.

[6] 赵文华,杨建民,胡志强,等.FLNG系统进行旁靠卸载作业时的水动力性能研究[J].船舶力学,2012,16(11)：1248-1256.