单点系泊船体对艉部推力需求分析

郭欣杰，邱成国，葛 涛

(太重(天津)重型机械有限公司，天津 300450)

单点系泊船体对艉部推力需求分析

郭欣杰，邱成国，葛 涛

(太重(天津)重型机械有限公司，天津 300450)

由软刚臂系泊的浮式生产储存卸货装置(FPSO)在渤海海域应用十分广泛，艉部推力在软钢臂的安装与解脱、自航、定点排污和避碰等作业中发挥着重要的作用。采用数值模拟方法分析艉部推力对FPSO的自航能力、系泊状态下纵向和横向运动及水平系泊力、自由状态下的运动产生的影响，从而论证艉部推力存在的必要性。结果表明：艉部推力可为FPSO提供自航能力，对系泊状态下的纵向运动影响很小，反而会增大水平系泊力，对横向运动和自由状态下的运动影响显著。

艉部推力；软刚臂系泊；系泊运动；自由运动

0 引言

FPSO是海洋油气开发中应用最广泛的海洋工程装备。例如，作业于渤海海域的明珠号和长青号采用塔架软钢臂单点系泊装置系泊，使得FPSO具有风标效应，能使FPSO在风浪流等外界环境联合作用下，位于最小环境力的位置上。虽然由软钢臂系泊的FPSO属于非自航船，但在许多作业中，艉部推力都发挥着重要的作用。一般情况下，艉部推力有如下几种功能：

(1)软刚臂安装时，普遍采用拖船在艉部拖拽FPSO的方法，使系泊缆张紧，从而减少安装过程中FPSO的纵向位移。艉部推力可以替代拖船完成艉部拖拽工作。

(2)软刚臂解脱与安装过程相反，但艉部推力起到的作用与安装时相同。

(3)艉部推力可以实现FPSO具有一定的自航能力。

(4)艉部推力可以使FPSO绕塔架旋转，调整艏向用于定点排污。

(5)在系泊状态下，施加艉部推力用于减小或避免FPSO与软刚臂碰撞的几率。

(6)在高海况下当软刚臂系泊失效后，艉部推力可以控制FPSO的运动，从而使其具有一定的避碰能力。

本文以某作业于渤海海域并且由软刚臂系泊的FPSO为研究对象，采用数值计算方法分析在各种工况下艉部推力对FPSO的运动和系泊力的影响。

1 理论概述

对于由软刚臂系泊的FPSO，需综合考虑波浪、风、流载荷以及由软刚臂配重提供的回复力，在施加艉部推力的情况下，其时域运动方程为：

(1)

式中：M为FPSO的质量矩阵；A(∞)为波浪频率为无穷大时的附加质量；K(t)为时延函数；C为FPSO的静水回复力矩阵；等号右边依次为一阶波浪力、风载荷、流载荷、系泊力、艉部推力和二阶波浪力。

根据API规范，采用模块法计算主要构件的风载荷，即把整个结构离散成不同的标准构件，叠加各组成构件的风载荷获得总的风载荷。构件i受到的风载荷计算公式为：

(2)

总的风载荷为：

(3)

总的风载荷矩为：

(4)

流速在水面以下逐渐递减，但考虑到FPSO吃水较小，故将流速作为定长值处理。依据API规范，同样采用模块法计算流载荷，但对于FPSO，水面以下仅有FPSO部分。因此，FPSO受到的流载荷Fc计算公式为：

(5)

式中：Css为流力系数，Css=515.62N·s2/m4；Cd为拖曳力系数；Ac(α)为流向为α时，FPSO的迎流面积；Vc为设计流速。

流载荷Mc计算公式为：

Mc=Fcyx+Fcxy

(6)

式中：Fcy为FPSO受到的横向流载荷；Fcx为FPSO受到的纵向流载荷；x为FPSO的横向流载荷距参考点的力臂；y为FPSO的纵向流载荷距参考点的力臂。

目前，求解二阶漂移力的方法主要有3种：基于物面表面积分的近场法、基于动量和能量守恒的远场法和在近场法基础上衍生出的中场法。本文采用近场法来计算二阶漂移力。

2 计算条件

2.1 模型参数

FPSO主要参数见表1。软刚臂系泊系统中单个系泊腿的质量为15.47 t，软刚臂质量为237.6 t，压载水质量为350 t。

表1 FPSO主要参数

2.2 艉部推力参数

在FPSO设计阶段，初步确定在其艉部装配2台小功率的全回转推进器，主机可为推进器提供大约2×1 000 kW的功率。根据NRP140舵桨推力-功率曲线，1 000 kW推进器功率可提供大约16～17 kN的推力。因此，在数值计算中选取艉部推力为2×10、2×16、2×20 kN，推力作用点见表2。

2.3 环境条件

根据艉部推力的功能需求，选取3种计算工况：

(1)自航工况：FPSO在静水中航行，不考虑风浪流的影响。

(2)作业工况：FPSO在系泊状态下正常作业，在风浪流联合作用下有风标效应。

(3)自由工况：软刚臂系泊失效，FPSO在风浪流联合作用下自由慢漂，此时依靠艉部推力控制运动来实现避碰。

作业工况和自由工况下风浪流参数见表3。

表2 推力作用点

表3 作业工况和自由工况参数

根据规范，选取6种常见风浪流方向组合工况，组合情况见表4。

表4 风浪流方向组合 (°)

工况风浪流工况1180180工况2180180180工况3180180135工况418018090工况5180135135工况618013590

3 计算模型

3.1 坐标系

规定FPSO艏向和风浪流方向都与x轴逆时针旋转为正值，其风浪流方向规定如图1所示。

3.2 水动力模型

建立FPSO水动力计算网格如图2所示，采用四边形单元对FPSO表面进行划分。软刚臂系泊系统如图3所示，主要由系泊支架、系泊腿和软刚臂3部分组成，其中软刚臂与塔架相连。

4 计算结果

4.1 自航工况计算

为分析FPSO在给定艉部推力下的自航能力，首先计算FPSO在不同航速下的静水总阻力，其曲线图如图4所示，然后根据插值得到在艉部推力为2×10、2×16、2×20 kN下FPSO所能达到的航速分别为6.07、7.66、8.55 kn。

4.2 作业工况计算

在作业工况下，主要分析艉部推力对系泊状态下FPSO的纵向和横向运动及系泊力产生的影响。

4.2.1 对纵向运动和系泊力的影响

在不同工况下，风浪流联合作用会使FPSO的艏向角达到某一平衡位置，纵向施加艉部推力拖拽FPSO不会改变FPSO的艏向角平衡位置，只对船艏与软刚臂的距离和水平系泊力产生影响，其结果见表5。

表5 艉部推力对纵向运动和系泊力的影响

4.2.2 对横向运动和系泊力的影响

在不同组合工况下，当FPSO达到艏向角平衡位置后，横向施加艉部推力可以使FPSO绕塔架旋转，此时艉部推力作用方向分别为顺时针横向和逆时针横向2种情况，可以看出艉部推力艏向角平衡位置、船艏-软刚臂最小距离、水平系泊力最大值均有不同程度的影响，其结果见表6～表8。

4.3 自由工况计算

本文选取FPSO作业海域附近最大的一座海洋平台作为避碰的参考障碍物。考虑到FPSO自身的主尺度，规定障碍物的大小为53.5 m(最大平台宽度)+81.7 m(FPSO总长的一半)=135.2 m。

本节选取工况2中的风浪流方向组合，艉部推力作用方向在总体坐标系中始终保持一致，选取10°～90°每隔10°为艉部推力作用方向，计算在每种艉部推力作用方向下，FPSO与障碍物不发生碰撞的最小安全距离和对应的艉部推力作用时间，其结果如图5、图6所示。

表6 艏向角平衡位置 (°)

工况无艉部推力2×10kN2×16kN2×20kN顺时针逆时针顺时针逆时针顺时针逆时针工况10-37．0437．04-54．7954．79-67．9867．98工况20-22．0722．07-31．3831．38-36．2436．24工况3-21．68-38．08-2．57-48．489．39-56．1016．83工况4-44．29-60．50-29．85-71．95-17．67-80．54-1．48工况5-29．26-51．08-14．18-63．46-5．64-69．940．14工况6-51．63-69．13-35．31-81．2225．79-90．82-19．49

表7 船艏-软刚臂最小距离 m

工况无艉部推力2×10kN2×16kN2×20kN顺时针逆时针顺时针逆时针顺时针逆时针工况16．676．816．806．666．656．726．72工况27．077．617．617．637．637．597．59工况37．667．137．687．137．677．087．64工况47．877．557．787．347．617．047．26工况57．617．497．567．497．507．457．41工况67．847．457．827．077．686．867．54

表8 水平系泊力最大值 kN

工况无艉部推力2×10kN2×16kN2×20kN顺时针逆时针顺时针逆时针顺时针逆时针工况1106．88133．67133．64139．97139．98136．63136．77工况2114．32139．14139．12148．10148．07147．20147．21工况3131．47152．58112．45145．43116．18159．16120．30工况4138．98164．65124．30165．59100．17158．4581．68工况5127．56124．82140．18134．16137．52139．73137．68工况6127．61129．00128．08136．36124．00124．23124．15

在不同艉部推力作用下，FPSO与障碍物不发生碰撞的最小安全距离和对应的艉部推力作用方向、作用时间见表9。

4.4 结果分析

本文主要计算了在艉部推力作用下，FPSO的自航能力、系泊状态下纵向和横向运动及系泊力的变化、自由状态下的运动控制三方面，对计算结果分析如下：

表9 最小安全距离

(1)在给定艉部推力下，FPSO在静水中的航速可以达到6～8 kn。该航速可以满足当系泊位置发生改变时的自行移位，无需拖船拖航。

(2)纵向施加艉部推力可以使船艏-软刚臂的最小距离增大，达到FPSO与软刚臂不碰撞的目的，但效果并不明显，反而会显著地增大水平系泊力。

(3)横向施加艉部推力可以有效地改变FPSO的艏向平衡位置，满足定点排污等功能需求，并且逆时针横向和顺时针横向施加艉部推力对艏向平衡位置和船艏-软刚臂最小距离的改变效果相差不大。

(4)由图5和图6可知，自由状态下艉部推力越大，最小安全距离和需要艉部推力的作用时间都越小，说明FPSO与其他平台的距离只要大于最小安全距离就不会发生碰撞。

5 结论

本文针对由软刚臂系泊的FPSO采用数值计算的方法分析艉部推力对FPSO运动和水平系泊力的影响，从而为FPSO在设计阶段对艉部推力的需求进行论证。得到如下结论：

(1)艉部推力可以有效地协助FPSO完成各种作业，如自航、定点排污等。

(2)艉部推力有利于FPSO的安全，如自由状态下的避碰等，但在防止FPSO与其软刚臂发生碰撞上作用很小。

(3)对于FPSO是否需要艉部推力，不仅要从功能上进行分析，也要考虑艉部推力的成本、维修等经济因素，以及由于艉部推力的存在对FPSO的总布置和主机功率分配造成的影响。

[1] 祁祺, 张涛, 文攀,等. 基于AQWA的FPSO系泊系统响应数值模拟[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(12):14-18.

[2] 刘元丹, 刘敬喜, 谭安全. 单点系泊FPSO风浪流载荷下运动及其系泊力研究[J]. 船海工程, 2011, 40(6):146-149.

[3] 李欣, 杨建民, 范模. 渤海油田浅水软刚臂系泊FPSO触底分析[J]. 海洋工程, 2004, 22(2):51-57.

[4] 张作涌. FPSO旁靠外输作业安全评估[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2014.

2017-02-18

郭欣杰(1990—)，女，助理工程师,主要从事海洋平台结构制造方面的研究；邱成国(1974—)，男，高级工程师，主要从事船舶总体方面的研究。

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