新型浮式系泊系统靠泊动力响应分析

乐丛欢 ，丁红岩 ,

(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；3. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

在海洋油气生产作业期间，由于平台储油能力有限，需要输油穿梭船定期将原油运输到港口．对于一些中小型储油平台和对生产作业有较高稳性的浮式生产系统，出于安全角度考虑，油船不能直接停靠其上，需要提供辅助的系泊系统用于油船的定位输油作业．系泊系统主要分为固定式和浮动式两种．固定式系泊系统由打入海底的桩柱支撑，整体稳定性好，适用于水深较浅的海域，随着水深的增加，固定式系泊系统由于自重和建造成本的大幅增加而不再适用．浮动式系泊系统由水浮力支撑，可多次移位、重复使用，适用于深水海域，但其整体稳定性较差，对地基及环境条件要求较高．随着海洋开发的不断深入，呈现出多种新颖的系泊方式，并通过了理论和试验的验证．

本文研究的系泊系统是一种刚性与柔性相结合的新型浮式系泊系统，该浮式系泊系统具有建造成本低，施工简单、施工周期短的优势，适用于浅水开发．

1 新型浮式系泊系统

新型浮式系泊系统如图1 所示．该新型浮式系泊系统由中间2 个独立的浮式系(靠)泊平台及两侧刚性系泊平台构成．两侧的刚性平台主要是为了增强系泊的约束性，提高其定位效果．位于中间的2 个浮式系(靠)泊平台(见图2)由上部结构、锚链和基础构成，其中上部结构包括水下浮筒以及带护舷的立柱，浮筒提供的恒定的净浮力使锚链处于受拉状态．如图3 所示，当船舶靠泊时，上部结构在浮力、锚链拉力和船体靠泊力的共同作用下，产生一定的侧移和下沉，并带动周围水体运动，新型浮式系泊系统通过浮式系(靠)平台的变位吸收大量能量，优化了受力模式，因而船舶与平台之间的相互作用力较小[1-2]．

浮动式系泊系统主要包括张紧式和悬链线式两种[3-5]，目前多采用悬链线式．浮式系泊系统由于具有可浮动性，其受力复杂，关于浮式系泊的研究仍处于初步阶段[6-8]．新型浮式系泊系统涉及到船体及多浮体之间的耦合运动问题，系统的运动相对复杂．船体靠泊时与浮式平台发生碰撞，两者之间的撞击力很难确定，并且由于浮体的运动速度是时变的，所以引起的惯性力、黏性力、附加质量也是时变的．若再加上波浪的作用，整体、系统地分析将非常复杂．本文设计了比例尺为1∶40 的多组模型试验，对不同靠泊工况组合下浮式系泊系统的运动特性及动力响应进行定性定量的分析．

图1 浮式系泊系统Fig.1 Floating mooring system

图2 浮式系(靠)泊平台Fig.2 Floating berthing and mooring platform

图3 浮式系(靠)泊平台变位吸能Fig.3 Floating berthing and mooring platform absorbing energy by changing positions

2 试验设计

2.1 试验模型

2.1.1 系(靠)泊平台模型

试验模型按重力和惯性力弗劳德相似定律1∶40 比例进行相似比尺设计[9-10]，模型如图4 所示，具体尺寸见表1．以下表示中均采用 “原型尺寸(模型尺寸)” 形式．

图4 浮式系泊系统模型Fig.4 Model of floating mooring system

2.1.2 护舷模拟

护舷原型为型号为D400×400×1500 半圆型D型橡胶护舷．模型设置高度与原型护舷高度几何相似，受力点与原型护舷中心的受力点位置相同．

2.1.3 锚链模型

锚链模型采用基本无弹性的尼龙线与多级弹簧钢片的组合体模拟，通过改变弹簧钢片的长度来模拟原型的拉力-伸长关系曲线相似，参数见表1．

表1 浮式系泊系统模型尺寸Tab.1 Main characteristic parameters of floating mooring system

2.1.4 船舶模型

试验船舶为万吨级穿梭油轮船，船型参数见表2．船舶模型采用木制船模，与原型保持几何相似．采用铅制砝码压载配重模拟船舶的压载和满载状态，船舶模型通过仪器测试，满足吃水、重量、重心位置、质量惯性矩和自振周期等与原型相似．

表2 试验船型主要尺寸参数Tab.2 Main characteristics of vessel

2.2 试验仪器设备

试验水池：长40,m，宽11,m，深1,m．试验水池设有造波机和消波装置．

测量设备：电容式波高仪、加速度传感器、位移传感器、力传感器、摄像系统、波浪率定系统、水温计以及相应的信号放大器和信息采集系统．

2.3 仪器布置

如图5 所示，船艏系(靠)泊平台(平台A)和船艉系(靠)泊平台(平台B)的靠船柱顶端各布置1 个3自由度的加速度传感器，用于测量在船舶撞击作用下系(靠)泊平台的横荡、纵荡、垂荡3 个运动方向上的加速度．同时在2 个平台上分别布置位移传感器，测量平台位移变化．在每个锚链与筒形基础的连接处安装1 个拉力传感器，测量锚链张力．

图5 传感器布置Fig.5 Arrangement of instrumentation

2.4 测试组合方案

在净浮力(300,t/4.69,kg)及水深(25,m/0.625,m)一定的情况下，进行包括无波浪情况下及波浪(波向角90o)作用下靠泊试验，主要考虑船速、排水量和波浪等参数的影响，试验组合见表3；表4 为无波浪刚性系(靠)泊(平台A 和平台B 固定)试验组合，用于对比浮式靠泊效果．

表3 浮式靠泊试验组合Tab.3 Test combinations of floating berthing

表4 刚性靠泊试验组合Tab.4 Test combinations for rigid berthing

3 试验结果与分析

试验中得到了大量的数据，通过快速傅里叶变换对原始数据进行滤波分析．由于篇幅限制，文中只给出部分试验结果．

3.1 无波浪情况下靠泊分析

图6和图7 分别为无波浪试验组合下，平台A和平台B 位移时程曲线．对比图6 和图7 平台位移时程曲线可以发现船艏首先靠泊，船艉稍后靠泊，这主要是由于船舶在没有动力驱使下，由于偏心的存在(船舶重心偏向于船艉)，无法实现平靠．由于船艏首先靠泊，船舶靠泊能量大部分在船艏靠泊时被平台A和周围水体吸收，平台A 的位移都远大于平台B；尤其当船速和排水量较小时，初始靠泊能量较小，平台A 和平台B 位移差距更明显．从图7 可以进一步发现，船舶压载情况下，以0.4,kn 的速度低速靠泊时，由于初始靠泊能量较小，船艉并未与平台B 发生碰撞，这与试验观测结果一致．随着船速和排水量的加大，船艏和船艉靠泊的时间间隔越小，平台A 和平台B位移的差距也越小，平台B吸能比例逐渐增大.

图6 平台A位移时程曲线Fig.6 Displacement-time curves of platform A

图7 平台B位移时程曲线Fig.7 Displacement-time curves of platform B

图8和图9 分别为无波浪试验组合下，平台A和平台B 最大位移曲线．从图8 和图9 可知船速和排水量对于平台位移影响很大，压载靠泊时，船速从0.4,kn 增至1.0,kn，系(靠)泊平台的平均位移(平台A和平台B 位移平均值)由0.92,m 增至3.40,m，增幅达269.3%，其中平台A 最大位移达到4.85,m．与压载相比，满载靠泊将引起平台A 和平台B 的更大范围的运动．满载靠泊时，船速从0.4,kn 增至1.0,kn，系(靠)泊平台的平均位移由2.73,m 增至6.19,m，增幅达126.5%，其中平台A 最大位移达到6.63,m．

图8 平台A的最大位移Fig.8 Maximum displacement of platform A

图9 平台B的最大位移Fig.9 Maximum displacement of platform B

图10和图11 分别为无波浪试验组合下，护舷1(位于平台A)、护舷4(位于平台B)撞击力时程曲线．从图10 和图11 可以发现，撞击力的试验结果与平台位移结果吻合，与船艏发生碰撞的护舷1 撞击力远大于与船艉发生碰撞的护舷4．船速和排水量对于护舷撞击力的影响很大，满载情况下船速从0.4,kn 增加到1.0,kn，护舷1 的最大撞击力从166.5,kN 增长到232.7,kN，涨幅达39.8%；护舷4 的最大撞击力从52.7,kN 增长到98.9,kN，涨幅达87.7%．排水量从5,000,t 增加到12,000,t，1.0,kn 船速下，护舷1 的撞击力从177.6,kN 增长到232.7,kN，涨幅达31.0%；护舷4 的最大撞击力从49.0,kN 增长到98.9,kN，涨幅达101.8%．从撞击力的角度也可知，船艉系(靠)泊平台B 吸能比例随船速和排水量的增大而逐渐增大．由于船艏首先靠泊，所以船舶第1 次靠泊时间可以认为是船舶与护舷1 的撞击时间．从护舷1 的撞击力时程曲线计算出的撞击时间可知，靠泊时间主要由船速决定：船速越大，撞击时间越短；其中船速为1.0,kn 时，组合3 和组合6 的撞击时间大约为16.2,s；当船速为0.4,kn 时，组合1 和组合4 的撞击时间约为30.5,s．

表5 给出了浮式系(靠)泊平台与刚性系(靠)泊平台护舷处最大撞击力结果．与刚性靠泊相比，浮式靠泊可以有效减小靠泊时的最大撞击力，其中平台A护舷撞击合力降低比例达到45%以上，平台B 护舷撞击合力降低比例达到80%以上．结果显示当其他条件一定时，船速越大，撞击力降低比例越大．从护舷最大撞击力来看，满载情况下船速在1.0,kn 以内，刚性靠泊时可能出现的最大护舷撞击力达到2,458.2,kN，而浮式靠泊时可能出现的最大护舷撞击力为578.7,kN，仅为刚性靠泊护舷撞击力的30.13%．

图10 护舷1撞击力时程曲线Fig.10 Impact force-time curves of fender 1

图11 护舷4撞击力时程曲线Fig.11 Impact force-time curves of fender 4

表5 浮式靠泊与刚性靠泊最大撞击力对比Tab.5 Comparisons of the maximum impact force between floating berthing and rigid berthing

3.2 波浪下靠泊分析

波浪的要素很多，包括波高、周期、波向等，波浪影响系泊系统的响应很复杂，限于篇幅本文只初步对渤海典型海况波浪下靠泊(波高2,m，周期6,s)与无波浪靠泊进行对比，今后将会对波浪因素进行专门的论述．图12 和图13 分别为规则波试验组合下，平台A 和平台B 位移时程曲线．对比图12 和图13 可以发现在逆浪的作用下，仍然是船艏首先靠泊．船艉后靠泊.与无波浪工况不同的是，满载情况下，当船速为0.4,kn时，船艉无法与平台B 发生碰撞．这主要是由于波浪作用方向与船舶靠泊方向相反，波浪阻力消耗了一部分初始靠泊能量．船舶靠上平台后，受到护舷提供的撞击反力和波浪力的作用下，随后与平台发生分离，平台在锚链的拉力作用下，逐渐恢复到平衡位置，随后在波浪力的作用下，船舶与系(靠)泊平台将发生二次碰撞，此时平台位移和撞击力都比第1 次要小．

表6 给出了无波浪及波浪(规则波(H＝2,m，T＝6,s)，随机波(Hs＝2,m，Tp＝6,s))工况下浮式靠泊时各参数极值情况．从表6 可知，与无波浪作用规律相似，在规则波和随机波作用下，当其他要素一定时，船速越大，系(靠)泊平台位移越大，这意味着更多的撞击能量通过系(靠)泊平台的变位方式被吸收．与无波浪工况对比发现，在波浪作用下，平台的各向加速度均得到不同程度的放大，随机波作用下系(靠)泊平台的靠泊动力响应明显大于相同波高和周期的规则波作用下的动力响应．当船速较小时，由于波浪力方向与靠泊方向相反，波浪力的作用使得平台A 和平台B 位移小于同条件下无波浪靠泊状态．随着船速的增大，波浪引起的水的阻尼对船艉的速度影响有减弱的趋势，这和无波浪靠泊时的趋势是一致的．当船速为1.0,kn 时，无波浪下船艏系(靠)泊平台位移为6.625,0m，相同条件下的规则波下船艏系(靠)泊平台的位移为7.084,8,m，随机波下船艏系(靠)泊平台的位移达到了7.793,3,m；可见，波浪作用下船舶满载靠泊时，由于波浪力的作用，系(靠)泊平台可能发生更大的位移，以吸收波浪作用到船舶上产生的能量，而随机波作用下船舶将引起更大的平台位移；同时在波浪作用下满载靠泊时，船速不宜大于1.0,kn．

图12 规则波作用下船艏系(靠)泊平台位移时程曲线Fig.12 Displacement-time curves of bow berthing and mooring platform in the regular wave

图13 规则波作用下船艉系(靠)泊平台位移时程曲线Fig.13 Displacement-time curves of stern berthing and mooring platform in the regular wave

表6 无波浪及波浪(规则波、随机波)工况下靠泊动力响应(满载)Tab.6 Berthing dynamic response in the no wave，regular wave and irregular wave(full load) conditions

4 结 论

(1) 相对于刚性靠泊，浮式靠泊的靠泊力小，吸能大．浮式系泊系统具备了传统刚性系泊系统所不具备的吸能缓冲作用，靠泊安全性提高．

(2) 船速是影响靠泊动力响应的主要因素之一．船速越大，撞击时间越短，护舷处撞击力越大，同时平台的位移越大；对于本系泊系统，船舶满载的情况下，船速不宜大于1.0,kn，当船速大于1.0,kn，护舷最大撞击力将超过护舷设计反力，同时浮式平台位移过大，靠泊安全性能得不到保障．

(3) 船舶排水量对于该浮式系泊系统的靠泊动力响应影响较大．排水量越大，护舷处撞击力越大，同时浮式系(靠)泊平台的位移越大．

(4) 由于船体结构重心偏向船艉，船艏首先靠泊，靠泊能量大部分被船艏系(靠)泊平台所吸收，船艏系(靠)泊平台的位移和护舷撞击力都远远大于船艉系(靠)泊平台．尤其当撞击能量较小时，这种差异越明显．随着船速和船舶排水量的加大，船艏和船艉靠泊的时间间隔越小，船艏系(靠)泊平台和船艉系(靠)泊平台上护舷撞击合力及位移的差距也越小．所以当初始靠泊能量较小时，船艉系(靠)泊平台的吸能比例小．随着初始靠泊能量增大，船艉系(靠)泊平台吸能比例逐渐增大．

(5) 与无波浪工况对比发现，在波浪作用下，平台的各向加速度均得到不同程度的放大．随机波作用下系(靠)平台的靠泊动力响应明显大于相同波高和周期的规则波作用下的动力响应．

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