远海浮式结构物与供应船旁靠系泊特性研究

单铁兵，潘方豪，邹 雯，金海丰

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

远海浮式结构物与供应船旁靠系泊特性研究

单铁兵，潘方豪，邹 雯，金海丰

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

针对远海浮式结构物与供应船进行旁靠作业时，水动力干扰、两船的相对运动、旁靠系缆系统和护舷系统的受力特征等问题开展研究。建立各船的有限元模型，设计出两船旁靠连接缆系统，选取合适的系泊缆和护舷参数。研究表明：浮式结构物和供应船的横荡、纵荡方向存在一定的同步性或跟随性，幅值相差不大，其它方向的运动并不存在明显的同步特征；供应船的各自由度运动幅值均比浮式结构物偏大；旁靠护舷的受力时历出现了明显的低频效应，说明护舷的受力较大程度上受船体低频慢漂运动的影响；浮式结构物对供应船的水动力干扰较大，当浮式结构物在供应船的上风位置时，表现为屏蔽效应，供应船的运动较小；在其背风位置时，运动加剧，出现多次共振、峰值放大现象，供应船对浮式结构物的水动力性能几乎无影响，因此，供应船从浮式结构物的下风口一侧靠泊作业将更有利于船舶的安全性能。这些研究结论可为实际工程操作提供参考。

旁靠系泊；水动力干扰；护舷；屏蔽效应；低频效应

远海浮式结构物与供应船采用旁靠方式卸载货物，通过系泊缆与橡胶护舷连在一起，将供应船上的货物、设备、淡水、燃油等卸载至浮式结构物上，是一种应用广泛的作业方式。远海浮式结构物与供应船的旁靠作业属于多浮体干扰问题，两者之间的水动力干扰和耦合运动较为复杂，尤其当两船距离很近时，该扰动现象更为明显，两船之间的相对运动加剧，对货物的调运、卸载带来较大的安全隐患[1]。多船旁靠作业的安全性受环境条件，各船吨位，间距，相对运动，旁靠缆绳数目、直径、材质、预张力，布置方式以及护舷属性等多种因素的影响。研究两船作业的水动力性能、运动以及旁靠系泊布置特性将为浮式结构物与供应船实际靠泊作业提供重要的参考依据。

国内外已经有学者在浮体间的水动力影响、旁靠作业系缆方式等方面开展了相关研究。Kim[2]采用时域方法分析多浮体之间的水动力干扰效应，并考虑了船体之间的系缆方式。Koo等[3]基于时域耦合方法，研究了附加质量、阻尼等位于对角线上的影响系数对两浮体相对运动的影响，两船采用旁靠系泊方式开展卸载作业。Hong等[4]采用高阶边界元与模型试验相结合的方法分析了LNG FPSO,LNGC以及穿梭油轮旁靠作业过程中的运动和二阶慢漂载荷特征，各船之间的带缆方式较为简单，主要侧重点集中在多船之间的干扰问题，结果表明：多船之间的水动力干扰效应对船体的运动影响较大，当船体之间的距离较小时尤为如此。张普杰等[5]对LNG船与LNG-FSRU并靠作业时，多浮体之间的相对运动、旁靠系缆张力、护舷反力等进行了数值研究，研究表明：多浮体之间的相互水动力系数与单船状态存在一定区别，当频率大于某一值时，两船之间存在很大的相互排斥的横向波漂力。徐乔威等[6]对LNG船旁靠FLNG卸载作业时的水动力性能开展了物理模型试验，试验结果表明：两船的艏摇一致性良好，横荡和纵荡存在较明显的相对运动，风和波浪的夹角变化对两船相对运动和旁靠系统所承受的载荷具有一定影响。

该文基于水动力软件HYDROSTAR和系泊分析程序“ARIANE”，对远海浮式结构物与供应船在旁靠作业状态时的RAO响应、水动力响应曲线、两船相对运动、旁靠连接缆和护舷的受力等特征进行了详细研究，为实际工程操作提供有价值的参考。

1 分析方法和理论

远海浮式结构物与供应船之间旁靠作业特征的分析主要由“水动力频域计算”和“系泊定位计算”两部分组成。Hydrostar程序主要获得不同浪向、频率作用下，考虑两船干扰效应时各船的水动力性能，如运动RAO、附加质量、辐射阻尼、一阶波浪力等。

各船体速度势Φ满足的边界条件如下所示[7]：

2Φ=0(Laplace方程)

(6)

各船在微幅波作用下的六自由度运动[8]可表示为：

HYDROSTAR中，采用中场积分方法计算各船的二阶低频慢漂载荷。中场积分方法的原理为：在船体周围一定距离处建立一个控制面，应用高斯定理将船体表面压力积分转换到控制面和自由表面上积分。船体水平方向上的二阶慢漂载荷的计算公式为：

(9)

式中：C为控制面；ΓC为控制面与自由面相交的曲线。

远海浮式结构物、供应船的低频运动可通过下式求解[9]：

式中：m为船体质量；Δmx，Δmy和ΔIψψ分别为x、y和Ψ方向的附加质量或附加惯性矩；Bxx，Byy和Bψψ为三个方向的阻尼系数；Kxx，Kyy和Kψψ为三个方向的刚度系数；xG，yG和ΨG为船体重心位置处的横荡运动，纵荡运动和艏摇运动；Fx(t)，Fy(t)和Mψ(t)为船体所受的外载荷。

式中：Ffx(t)、Ffy(t)和Mfψ(t)为一阶波浪力或力矩；Fsx(t)、Fsy(t)和Msψ(t)为二阶慢漂波浪力或力矩；Fcx(t)、Fcy(t)和Mcψ(t)为流载荷；Fwx(t)、Fwy(t)和Mwψ(t)为船体所受的风载荷；Fmx(t)、Fmy(t)和Mmψ(t)为旁靠连接缆和FPSB系泊定位缆绳的张力和力矩；Fpx(t)、Fpy(t)和Mpψ(t)为两船之间护舷对船体的作用力。

此外，船体还受到波频运动的影响。船体重心位置处，相对平衡位置的波频运动时历为：

式中：R*和R**分别为船体运动响应的同相位和反相位幅值，βH为入射角度，XG和YG为船体重心处的平衡位置。

各船重心处总的运动位移由平均、低频和波频位移组成，将该运动位移加至系泊定位缆或旁靠连接缆的顶端，可计算出系泊缆各处的张力。

2 船体及系泊系统

2.1两船水动力模型

研究作业水深为1 000 m时，远海浮式结构物与供应船之间的旁靠系泊特性，两船的主要参数见表1所示。

采用HYDROSTAR软件计算浮式结构物与供应船旁靠时，各船的水动力系数、一阶波浪力、船体运动幅值响应等。其中，遭遇浪向为0～180°，中间间隔15°，频率为0.02～2.0 rad/s，中间间隔0.02 rad/s。根据两船型线图建立的面元模型如图1所示。采用中场积分方法获得各船的二阶波浪漂移力，在船体周围一定距离处建立一个控制面，应用高斯定理将船体表面压力积分转换到控制面和自由表面上积分，中场积分的控制面网格分布如图2所示。

参考Chen等[10]，势流软件HYDROSTAR中FPSB与供应船之间的波面耗散系数选为0.053。

表1 浮式结构物和供应船的主要参数Tab.1 Main dimensions of floating structures and supply ship

图1 水面以下网格模型Fig.1 Mesh model under water surface

图2 中场公式的控制面网格Fig.2 Control surface grid with middle-field formulation

2.2系泊参数

浮式结构物采用多点系泊系统进行定位，该系统共有12根系泊缆，分为4组，每组3根，每一组内相邻两根系泊缆之间的夹角为5°，3#与Y轴的夹角为50°。供应船与浮式结构物旁靠作业时，通过12根缆绳绑定，两船之间采用四个“高压充气橡胶护舷”以防止两船直接发生碰撞。

浮式结构物的系泊定位缆绳以及其与供应船之间旁靠绑定缆绳的编号如图3所示。系泊定位缆绳的编号从1#～12#变化。浮式结构物与供应船之间的绑扎缆绳从13#～22#变化，12根缆绳分为4组，即：船首部3根，称为艏缆；中部靠近首部2根，称为倒缆；中部靠近尾部2根，称为倒缆；船尾部3根，称为尾缆。

图3 旁靠系缆系统布置Fig.3 Arrangement plan of side-by-side mooring system

旁靠系缆均为8股丙纶长丝纤维缆绳，直径D为120 mm，单位长度质量为6.825 kg/m，破断负荷为1 756 kN，缆绳编号从尾部开始，13#变化至22#，各根缆绳预张力为175.6 kN，取破断负荷的10%。其伸长率与最小破断负荷之间的关系如图4所示。

图4 缆绳伸长率与最小破断率的关系曲线Fig.4 Curve of line elongation and minimum breaking rate

2.3护舷设备选型

选用高压充气橡胶护舷作为浮式结构物与供应船之间的护舷设备，根据冲击能量选取碰垫设备[11]，船舶运动的冲击能量E由下式计算：

式中：V为两船相对靠泊的速度(m/s)；W为船舶与船舶横向靠泊时的假想质量(t)，按下式计算：

式中：WA、WB分别为A船和B船的假想质量；WA1、WA2分别为A船满载排水量和附加质量；WB1、WB2分别为B船满载排水量和附加质量。

通过计算，可知E为272 195 J，选取护舷为高压充气橡胶护舷。利用压缩空气来吸收冲击能量，通过查表，获得目标护舷的直径、长度分别为2.0 m和3.5 m，数量共为4个，分别布置于首尾部分，每个护舷在变形60%时，达到压力极限。护舷的变形和反力曲线，护舷的布置位置分别如图5和6所示。

图5 变形-反力曲线Fig.5 Curve of deformation and react force

图6 旁靠护舷的布置位置Fig.6 Arrangement of side-by-side fender

3 环境条件与计算工况

两船旁靠作业时，服役海况环境条件参数如表2所示，风、浪、海流同向。在系泊定位分析计算时，频谱形式为JONSWAP谱，形状参数为2.0。

表2 环境条件参数Tab.2 Parameter of environmental condition

4 数值计算及分析

基于系泊分析软件“ARIANE”，建立了浮式结构物与供应船旁靠系泊系统的数值模型，如图7所示。采用ARIANE软件对浮式结构物与供应船之间的旁靠作业开展系泊分析。考察不同浪向下，船体的相对运动偏移、两船各纤维缆绳的张力和护舷作用力特征。

图7 旁靠系泊分析计算模型Fig.7 Calculation model of side-by-side mooring analysis

4.1水动力响应曲线分析

图8～图11显示的是两船旁靠、单船体情况时，各船运动RAO对比。从图中可以看出：

1)浮式结构物对供应船的水动力干扰较大，当供应船在浮式结构物的下风位置时(如270°)，表现为屏蔽效应，供应船各自由度的运动响应均比单船体时偏小；当供应船处于浮式结构物的上风位置时(如90°)，运动加剧，同时出现多次共振、峰值放大现象，两船扰动对供应船的运动响应呈现明显影响。

2)相比单船作业，两船旁靠作业过程中，供应船遭遇的水动力干扰频率范围更广，峰值更大。

3)由于供应船的吨位、水线面以及吃水等较小，其对浮式结构物的水动力性能几乎无影响。

图8 供应船横摇运动Fig.8 Roll motion of supply ship

图9 供应船纵摇运动Fig.9 Pitch motion of supply ship

图10 浮式结构物横摇运动Fig.10 Roll motion of FPSB

图11 浮式结构物纵摇运动响应Fig.11 Pitch motion of FPSB

4.2两船体的相对运动特征

图12显示的是两船相对运动幅值(两船相对运动=浮式结构物运动-供应船运动)，从图中可以看出：

1)整体上来看，两船的横荡相对运动占主导地位，尤其风浪流为45°～90°区间内，此时的风浪流载荷较大，相对运动幅值比纵荡更明显，最大值接近1 m。若横荡超过旁靠作业限制，可增大两船之间的系泊缆预张力，能有效降低相对横荡幅值，但需注意的是，该方法将增大纤维缆绳的受力，有超过安全系数的风险，此外，该措施还可能会增加护舷的撞击力。

2)两船在横摇、纵摇和艏摇的相对运动规律与其它三个方向类似，纵摇和艏摇基本随来流角度的增大出现先增大后减小的趋势；横摇则呈现逐渐增大的趋势，在90度达到最大，约为2.2°。

3)从相对运动来看，270°～360°时，两船各自由度的相对运动比0～90°的情况更小，因此，在旁靠作业时，若环境方向已确定，供应船应从浮式结构物的下风口一侧进行靠泊作业，更有利于船舶的安全性能。

图12 两船各自由度的相对运动幅度分布特性Fig.12 Distribution features of relative motion at each DOF

从图13可以看出，浮式结构物的纵荡、横荡的自由度运动和供应船之间存在一定的同步性或跟随性；但在纵摇、横摇以及垂荡角度下，并不存在所谓的同步运动特点，两船具有较大的相对运动，该现象与徐乔威等对LNG旁靠FLNG的模型试验[6]结论一致。通过数值分析可知：

1) 两船纵荡运动相位(即步调)高度一致，幅值相差也不大；横荡方面，由于充气护舷的影响，其沿垂向的弹力将对两船的运动幅值产生影响，因此两者幅值存在稍许差距，但横荡的相位基本一致；在艏摇方向，浮式结构物的艏摇曲线呈现低频特性，而供应船则表现为波频特征，两者响应平均位置基本一致，但在脉动幅值和相位上均存在一定差别。造成该现象的原因在于：两者的系泊定位方式并不相同，导致系统的艏摇固有周期存在较大差距。

2)无论是纵荡还是横荡方向，浮式结构物与供应船的运动均以低频运动为主，因此，波浪的低频成分是引起两船水平方向慢漂运动的主导因素。

3)在垂荡、横摇和纵摇方向，浮式结构物与供应船无论在响应幅值还是相位上均存在较大差距，并不存在较明显的同步运动特性，且均以波频响应为主。产生这种现象的原因在于：该三个方向的固有周期集中在波频范围内，系泊定位系统和旁靠布缆系统对其约束影响较小。

4)供应船的运动响应均比浮式结构物偏大，比如风浪流角度为45°时，供应船和浮式结构物横荡的最大幅值为12.3和13.2 m，垂荡的最大幅值为0.05和2.0 m，横摇的最大幅值约为0.03°和2.4°，纵摇的最大幅度为0°和4.3°，艏摇的最大幅值约为0.01°和1.0°。造成该现象的原因可能为：ⓐ在纵荡、横荡和艏摇方向上， 浮式结构物自身带有锚泊定位系统，而供应船只通过多根旁靠系泊缆与浮式结构物相连，因此在水平方向上具有的抵抗力偏小，导致供应船的运动响应增大，且相对运动的增大容易引起旁靠系统连接缆拉力载荷增大。ⓑ在垂荡、横摇和纵摇方向上，供应船的固有周期均远小于浮式结构物，与作业海况的固有周期接近，很容易产生共振，尤其是垂荡和纵摇方向，供应船的固有周期分别为8.3和9.8 s，较接近波浪周期。

图13 45°来流角度下浮式结构物与供应船之间的相对运动时历图Fig.13 Time series of relative motion between FPSB and supply ship at 45°

4.3旁靠连接缆的受力特征

通过数值计算，获得了旁靠连接缆的受力最大值，从统计值可以看出：

当风浪流角度在0°～90°范围内变化时，16#～22#号连接缆即“倒缆和艏缆”的受力普遍较大，这是由于风浪流沿船体首部方向来，这几根连接缆所受的载荷作用明显，且16#和20#号缆的最大张力高达990 kN，可能的原因在于：这几根缆绳的长度相对较短，在伸长量相同的条件下，张力增加的更为明显。因此，当张力增加过大时，应考虑加强连接缆的强度，适当增加连接缆的原长或者降低连接缆的预张力等措施。

图14 各绑扎缆绳的最大值随来流角度变化情况Fig.14 Maximum force distributions of each lashing rope according to incident angle

当风浪流角度在270°～330°范围内变化时，由于浮式结构物对供应船的屏蔽作用，供应船所受的环境载荷变小，使得系泊缆的张力急剧降低，各缆绳的最大张力基本维持在200 kN附近。

图15显示的是不同风浪流角度下，旁靠绑扎缆绳中，受力最大缆绳的时历变化。从图中可以看出，连接缆的张力时历曲线既包含低频成分又呈现波频甚至高频特征，如图15(b)可知，连接缆张力在频率为0、0.9和1.6 rad/s时均出现了较明显的峰值。这与浮式结构物自身系泊系统的锚索张力特性并不相同，如图16(b)所示，浮式结构物的系泊定位锚索(3#)仅在频率接近0.02 rad/s时出现较大峰值，张力时历基本只表现低频成分。引起缆绳的低频成分主要由波浪低频慢漂载荷引起；波频成分主要由波浪作用在船体上的波频载荷引起；产生高频张力的原因可能是“缆绳长度较短，松弛-张紧作用过程的时间很短，导致张力时历中出现突变的尖峰和倍频成分，称之为高频的冲击张力(snap tension)”[12]。

图15 风浪流为 45°时20#连接缆的张力时历曲线和频谱分析Fig.15 Time history of tension and frequency spectrum of 20# at 45°

图16 风浪流为 45°时3#系泊缆的张力时历曲线和频谱分析Fig.16 Time history of tension and frequency spectrum of 3# at 45°

4.4护舷的受力特征

图17显示的是护舷受力随环境角度的变化情况，图18给出了护舷F4作用力的时历曲线。

图17 护舷受力随环境角度的变化特征Fig.17 Features of fender force according to environmental angle

图18 不同风浪流角度下护舷F4所受作用力的时历图Fig.18 Time history of F4 according to different environmental angles

从图中可以看出：1)当风浪流角度为270°～360°时，护舷上的受力明显小于来流角度为0°～90°的情况，造成这种结果的原因在于：浮式结构物对供应船的遮挡效应，使得供应船上所受的环境载荷在一定程度上降低的缘故。2)结合浮式结构物、供应船的运动特征，供应船的运动幅值比浮式结构物更为明显，处于较为不利的运动状态，供应船的运动响应是两船发生碰撞的主要原因。3)护舷的受力时历出现了明显的低频效应，说明护舷的受力较大程度上受船体低频慢漂运动的影响；4)从两船的运动响应、旁靠缆绳的受力、护舷上的碰撞力等方面均可以看出，尽管风浪流为90°时，对应的环境载荷较大，但最大响应或受力却发生在45°附近，在两船旁靠实际作业过程中应引起重视。

5 结 语

采用时域分析方法对大型浮式结构物和供应船之间的旁靠系泊特性展开深入研究，可得到以下结论：

1)浮式结构物对供应船的水动力干扰较大，当供应船在浮式结构物的下风口时，表现为屏蔽效应，供应船各自由度的运动均比单船体时偏小，当供应船在浮式结构物的上风口时，运动加剧，同时出现多次共振、峰值放大现象，由于吨位较小，供应船对浮式结构物的水动力性能几乎无影响。

2)两船的相对横荡运动占主导地位，相对幅值比纵荡更大，若横荡超过旁靠作业限制，可增大两船之间的系泊缆预张力，有效降低相对横荡值，但该方法将增大纤维缆绳的受力，有超过安全系数的风险，还可能会增加护舷的撞击次数。

3)在旁靠作业时，若环境方向已确定，供应船应从浮式结构物的下风口一侧靠泊并作业，更有利于船舶的安全性能。

4)浮式结构物和供应船的某些自由度运动存在一定的同步性或跟随性，即：横荡、纵荡和艏摇方向的相位(即步调)高度一致，幅值相差也不大，但其它三个以波频为主的方向，各自运动并不存在明显的同步特征。

5)供应船的各自由度运动幅值均比浮式结构物的运动幅值偏大，其原因可能是：在纵荡和横荡方向上， 浮式结构物有锚泊定位系统，而供应船只通过多根旁靠系泊缆与浮式结构物相连，缆绳提供的抵抗力较小；在其它方向上，供应船的固有周期均远小于浮式结构物，与作业海况的固有周期接近，很容易产生共振。

6)倒缆和艏缆相应的受力普遍较大，可能的原因是这几根缆绳的长度相对较短。在伸长量相同时，张力增加得更为明显，因此，当张力增加过大时，应考虑加强连接缆的强度，适当增加连接缆的原长或者降低连接缆的预张力。

7)浮式结构物系泊定位锚索的张力基本表现低频特征，两船旁靠连接缆不仅包含低频成分，而且受船体垂荡、横摇和纵摇的影响，且波频成分所占的比例也较大。

8)浮式结构物的受力时历出现了明显的低频效应，说明浮式结构物的受力较大程度上受船体低频慢漂运动的影响；当来流角度为270°～360°时，护舷上的受力明显小于来流角度为0°～90°的情况，造成这种结果的原因在于浮式结构物对供应船的遮挡，使得供应船受的环境载荷在一定程度上降低的缘故。

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Study on characteristics of side-by-side mooring between the offshore floating structures and supply ship

SHAN Tiebing,PAN Fanghao,ZOU Wen,JIN Haifeng

(Marine Design & Research Institute of China,Shanghai 200011,China)

The hydrodynamic interference,relative motion,side-by-side mooring and fender system forces are investigated respectively as the supply ship operates side by side with the Offshore Floating Structures.The FEM models of two ships are created.The side-by-side mooring system is designed in preliminary.In addition,suitable parameters of mooring lines and fenders are selected.It indicates that a good identity exists in the motion of sway,surge between two ships.But the identity of the other directions is not obvious.The motion magnitude of each DOF on the supply ship is relatively large.The fender forces show low-frequency effect,which indicates that the low-frequency drift motion of ship influences the fender forces to a large extent.Furthermore,hydrodynamic interference from the Offshore Floating Structures to supply ship is large.Shielding effect is much obvious as the Offshore Floating Structures are at the upwind side of the supply ship,and vessel motion is quite small.On the contrary,as the Offshore Floating Structures are at the leeside,the motion of the supply ship increases.The phenomenon of resonance and peak amplification on RAO appears.The supply ship has no effect on the hydrodynamic performances of the Offshore Floating Structures.Therefore,it is relative safe as the supply ship berths and operates from the leeside of the Offshore Floating Structures.The conclusions would provide a valuable reference for actual engineering operation.

side-by-side mooring; hydrodynamic interference; fender; shielding effect; low-frequency effect

U661

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.001

1005-9865(2017)05-0001-11

2016-10-12

国家发改委海洋工程装备研发及产业化专项“远海大型浮式结构物研发”资助项目；高技术船舶科研资助项目(K7590)

单铁兵(1982-)，男，江西高安人，高级工程师，从事海洋结构物水动力性能及系泊定位研究。E-mail：snailstb@163.com