超大型 FPSO 出坞靠泊环境载荷计算分析

杜玉春，杨含坤，尹 艳

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

船舶出坞是指船舶在干船坞内注水起浮后，依靠船坞牵引设备和辅助拖轮，从坞内转移至坞外码头的全过程。在船舶出坞过程中，通常会受到外部风、浪、流的影响。船坞中性线与外部水流夹角也间接影响着外部作用力的大小。近年来，随着船舶向大型化发展，船舶出坞过程受到的外部风浪流作用力也越来越大。作为现代大型船舶建造的一个关键环节，船舶出坞必不可少。为保障船舶安全出坞，必须合理配置拖轮以平衡船舶受到的外力。因此，船舶出坞所受环境载荷的准确计算对拖轮的选型具有重要的指导作用。

为了得到较为准确的外部环境力，一般进行水池和风洞模型试验，但该方法存在费用高、耗时长的缺点。因此，在实际的船舶建造工程中，为了节省拖轮使用成本，船厂通常采用较为保守的估算方法来确定外部作用力。目前，最常用的方法是根据石油公司国际海事论坛(Oil Company International Maritime Forum，OCIMF)给出的经验公式。然而，其适用船型为常规的流线型液货船，并且仅考虑风和流的作用力，而未考虑波浪力。

为此，本文提出了一种适合于非流线的超大型海上浮式生产储卸油装置(float production storage and offloading，FPSO)出坞过程环境力计算方法，全面考虑出坞过程中风浪流这三种载荷。根据CB/T 3677—2015《船舶进出干船坞技术要求》规定的出坞环境条件，应用水动力分析软件AQWA计算外部环境力，将计算结果与所用的经验公式计算结果进行对比分析，为超大型FPSO出坞过程的安全性和可靠性提供理论依据，为出坞靠泊确定拖航方案。

1 船型与环境参数

1.1 船型参数

本文研究对象为一艘超大型FPSO储油船，其侧视图如图1所示，其主要船型参数如表1所示。

图1 超大型FPSO侧视图

表1 FPSO船型参数

1.2 出坞环境参数

船舶出坞时需考虑外部环境条件。以长江口某造船公司为例，其船坞外侧为长江，水流较为顺直，船坞外侧水域水深为9.0 m，船坞中心线与船坞外水流的夹角几乎成90°。风速、浪高和流速依据CB/T 3677—2015《船舶进出干船坞技术要求》，分别取值为10.7 m/s(浦氏5级)、1.5 m和1 m/s(2 kn，1 kn=1.852 km/h)。

2 经验公式计算

2.1 计算模型

船舶出坞时的外部环境载荷风、浪、流计算坐标系如图2所示。假定风浪流外部作用力作用于船舶纵横中心线的交点处，出坞时仅考虑水平作用力和绕船舶垂直轴的首摇力矩。

图2 外部环境载荷计算坐标系

2.2 风的作用力

对于大型船舶而言，出坞时吃水较小，水面以上受风面积较大，尤其是海工船舶，应充分考虑风载荷对出坞的影响。船舶出坞时所受的风的作用力和风力首摇矩计算公式[1]如下：

式中：FXw为风的纵向作用力，kN；FYw为风的侧向作用力，kN；MXYw为风的首摇风力矩，kN·m；ρw为空气密度，取值1.28 kg/m3；Vw为水面平面以上10 m处的风速，m/s；CXw、CYw、CXYw为纵向风力系数、侧向风力系数、风力首摇矩系数，无量纲，系数值通过OCIMF试验图谱获得。

2.3 流的作用力

船舶出坞时所受的流的作用力和流力首摇矩计算公式[2]如下：

式中：FXc为流的纵向作用力，kN；FYc为流的侧向作用力，kN；MXYc为流的首摇流力矩，kN·m；ρc为水的密度，kg/m3；Vc为流速，m/s；CXc、CYc、CXYc为流的纵向力系数、侧向力系数、首摇流力矩系数，无量纲，系数值由OCIMF试验图谱获得。

2.4 波浪的作用力

波浪的作用力通常分为两种：一种是一阶波浪力，也称高阶波浪干扰力，这种作用力不会改变船舶的位置和船首向，仅仅会引起船舶周期性摇荡。另一种是二阶波浪漂移力，这种作用力会影响船舶的航向与轨迹，其影响程度与波高的平方成正比。由于船舶建造场地通常为岸边，波浪一般较小，并且船舶出坞时移动速度缓慢，一阶波浪力对船舶的影响很小，因此船舶出坞时仅考虑二级波浪漂移力。船舶出坞时所受的波浪漂移力和流力首摇矩计算公式如下[2]：

式中：FXwave为纵向波浪力，kN；FYwave为侧向波浪力，kN；h为波高，m；θ为波浪与船首向之间的夹角，(°)。

2.5 计算结果

由于油气处理工艺模块在出坞前未安装，因此在出坞时，仅考虑船体、生活楼和机舱棚模块。船舶出坞时的空船重量通常基于估算值，在实际的出坞中还需加注压载重量，所以实际的吃水存在很大的不确定性。在计算中为覆盖本船出坞过程中的吃水值，选择一个吃水范围值，即T分别为4.5 m、5.0 m、5.5 m。在三种不同吃水条件下，考虑风浪流同时侧向作用于船体，所受到的最大侧向联合作用力如表2所示，首摇力矩计算结果如表3所示，船舶侧向首摇力矩曲线如图3所示，船舶首摇力矩-攻角曲线如图4所示。

表2 风浪流作用力计算结果 (单位：kN)

表3 首摇力矩计算结果 (单位：kN)

图3 船舶侧向总首摇力矩曲线

图4 首摇力矩-攻角曲线

由上述图表可知：

(1) 在相同的攻角下，当风速为5级，流速为2 kn时，风的作用力高出流的作用力20%左右，风起着主导作用。

(2) 风的作用力随着吃水的增加而减小，流的作用力随着吃水的增加而增加，波浪二阶漂移力依据其计算公式，与船舶吃水无关。外部作用力的合力随着吃水的增加而增加。

(3) 在出坞过程中，波浪二阶漂移力与风和流的作用力相比为一小量，几乎可以忽略不计。

(4) 船舶侧向总首摇力矩最大值集中在攻角为45°左右的位置，最大值约为6 100 t·m。

3 水动力软件计算

AQWA是一个功能齐全的海洋工程水动力学性能计算软件。经过40多年的改进优化，其多样化的能力和良好的计算精度得到了广泛的认可。目前已成为大学、研究机构、海洋工程设计公司的重要浮体分析工具，且已被LR、CCS、DNV、ABS船级社作为分析和验证海洋工程水动力性能的标准软件[3]。

AQWA的环境因素(风浪流)的方向以X轴正向为0°，风浪流作用力的方向为X轴正向逆时针方向(逆时针方向为正值)。本船水动力模型和网格划分模型分别如图5和图6所示。

图6 网格划分模型

图5 FPSO 水动力模型

在使用AQWA软件进行计算的过程中，风浪流与船体的夹角取值为90°，船舶吃水采用出坞时理论吃水，即5.0 m。波浪力仅计算船舶在波浪中受到的二阶平均漂移力。根据船舶出坞水域的海况条件，采用JOSWAP谱，有义波高取选取1.5 m。采用频域分析法，计算出船舶在不规则波中，不同波浪频率所对应的二阶波浪漂移力(response amplitude operator，RAO)，计算结果如图7所示。当用AQWA计算风和流的阻力时，需要确定风和流的阻力系数。风阻力系数与受风构件形状有关，本文依据《海上移动式钻井平台构造和设备规则》(MODU 2009)[5]规则取值。流的阻力系数不仅与船体表面粗糙度有关，还与雷诺数和库尔根-卡培数有关[6]。对于实际工程项目而言，最好采用模型试验来确定。但在试验资料不足的情况下，可以参考相关经验值。部分规范、规则及标准给出的参考值如表4所示[7]，本文取值1.0。风和流的作用力计算结果分别如图8和图9所示。

表4 流的阻力系数取值

图7 波浪漂移力-波浪频率关系曲线 (攻角为90°)

图8 风的作用力-时间曲线(攻角为90°)

图9 流的作用力-时间曲线(攻角为90°)

从上图中我们可以看出，对于不同吃水，二阶波浪漂移力基本相同。当吃水为5.0 m，波浪频率为0.087 Hz时，波浪拖拽力达到最大值40 kN；风对船体的作用力在600 s后几乎不变，可视为一固定值，其值约为410 kN。流对船体的作用力在600 s后基本稳定在600～700 kN，其均值约为620 kN。

4 计算结果对比分析

采用OCIMF经验公式和AQWA数值模拟方法进行FPSO出坞靠泊受力计算，计算对比结果如表5所示。

表5 计算结果对比 (单位：kN)

从表5可以看出：

(1) 用OCIMF经验公式计算出的风的作用力结果偏大，而浪和流的作用力与AQWA数值模拟结果基本一致。造成风的作用力计算结果偏大的原因在于经验公式计算仅考虑了风力系数和风速，而未考虑受风构件形状和风速在高度上的差异，因此计算结果较为保守。

(2) 由经验公式计算出的二级波浪漂移力与AQWA数值模拟计算出的最大值基本相同。由于经验公式在计算二阶波浪漂移力时，仅考虑了波高，未考虑波浪周期/频率的影响，存在一定的局限性。AQWA数值模拟计算出的波浪二阶漂移力不但考虑了波高，而且考虑了频率的影响，并可以计算出不同频率对应的二级波浪漂移力，计算结果更加合理。

(3) 在考虑最大二阶波浪漂移力的情况下，由经验公式计算出的风、浪、流合力比AQWA数值模拟计算出的结果大20%，以公式计算结果配备拖轮，可有效保证船舶出坞靠泊过程中的安全性。

5 计算方法局限性分析

经验公式计算中的风、流等作用力系数来自流线型船体试验图谱，而对于非流线型的船体，在出坞靠泊中只能参考使用。经验公式对于风的作用力计算，仅考虑了风速，而未考虑构筑物的高度因素和形状因素。对于受风面积较大的、形状较为复杂的海洋工程装备，虽然经验公式计算结果偏大，但更便捷。

AQWA数值模拟方法适用于不同的船型，计算结果较经验公式更贴合工程实际。但利用AQWA，需要建立复杂的几何模型和水动力模型并划分网格，须耗费较长的时间。

6 船舶出坞工程实践

在超大型FPSO出坞靠泊过程中，经理论计算，船舶出坞吃水为5 m，依据上述经验公式计算出FPSO出坞靠泊过程中最大的作用力为1 324 kN。依据参考文献[8]，全回转拖轮功率与系柱拖力转换关系为8 kg/hp(1 hp=735 W)，重力加速度取9.8 m/s2，拖轮功率裕度为1.25。以此估算超大型FPSO出坞时所需辅助拖轮功率为21 110 hp。

在FPSO出坞过程中，配备3 200 hp、4 000 hp和5 200 ph拖轮各两艘。在拖航过程中，配备四条旁拖拖轮和一条吊拖拖轮，功率合计为21 600 hp。配备一条3 200 hp应急拖轮。FPSO实际出坞拖轮配备如图10所示。

图10 FPSO实际出坞拖轮配备

为保证FPSO出坞安全，本项目在拖轮配置方面考虑了1.25倍的拖轮功率裕度。对于不需要考虑拖轮裕度而直接使用上述公式计算船舶出坞靠泊时的环境载荷的情况，还需要大量的工程实践进行验证。

7 结 语

(1) 船舶在出坞过程中，波浪力仅占总作用力的4%左右，因此，计算外部作用力时可忽略波浪因素；风和流的作用力在FPSO出坞靠泊过程中约占总作用力的96%。关于船舶出坞时机，应尽可能避开大风天气以及涨落潮流速较大时段。

(2) 风的作用力随着船舶吃水的增加而减小，流的作用力随着船舶吃水的增加而增加，但流的作用力的增加值大于风的作用力的减小值。因此，风、浪、流合力随着吃水的增加而增大。船舶出坞的配载应在满足船舶纵倾和稳性的前提下，尽可能地降低船舶吃水。

(3) 以OCIMF经验公式估算的合力值较AQWA数值模拟计算的合力值约大30%，以估算值配备拖轮，可保证船舶出坞靠泊的安全性。

(4) 采用OCIMF经验公式估算外部环境载荷，在一定的安全系数下，OCIMF计算结果可用于江河入海口的船舶出坞。