水深对FPSB多点系泊系统特性的影响研究

单铁兵

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）



水深对FPSB多点系泊系统特性的影响研究

单铁兵

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］针对某服役于南海海域的大型“浮式处理与补给基地”（FPSB)，采用准动态方法对其辐射状系泊系统展开多方面研究。采用三维势流理论计算了FPSB的水动力性能，获得系泊定位分析所需的附加质量、势流阻尼、船体慢漂载荷以及船体运动RAO。分析水深对FPSB多点系泊系统定位能力的影响，研究不同水深条件下，船体的偏移和系泊缆张力的特性。计算表明，水深对系泊系统的几何特征、定位性能均产生一定影响；此外，当水深变化引起系泊系统的定位能力减弱而无法达到规范要求时，还给出相关的解决措施，为实际工程操作提供有价值的参考。

［关键词］浮式处理与补给基地; 准动态方法; 系泊系统; 定位能力; 张力

引 言

大型“浮式处理与补给基地”（FPSB）具有“以岛礁开发支撑功能为主，兼顾具备油田开发支撑、远洋渔业产品冷藏加工、临时生活居住及医疗救助、油水等生活生产物资仓储补给”等多种功能。

诸如FPSB之类的大型浮式结构物，由于体型庞大，所受的风浪流作用较为明显。为抵抗外部环境力引起的漂移，通常采用若干系泊缆将船体系固于海上，使其仅在许可范围内运动，以确保作业的安全性。系泊系统是大型浮式结构物不可缺少的组成部分，因此系泊系统的定位能力分析是设计中较为重要的环节。

FPSB采用移动式多点系泊的方式进行海上定位，通过调节缆绳的长度来适应不同的作业水深，以满足不同海域岛礁开发的要求。然而，水深的变化将对平台的运动响应、系泊系统特性产生一定的影响，因此有必要对其进行详细分析。郑律［1］采用时域方法对FPSO及其系泊系统进行分析。系泊系统为单点形式，由12根系泊线组成。初步考察不同水深环境下的船体运动响应，锚链线强度。吴波等［2］预报了半潜平台的系泊系统在两种不同水深条件下的静力学特性、研究了系泊缆张力与平台位移之间的关系。

本文采用基于准动态方法的“Ariane软件”对服役于南海海域的“浮式处理与补给基地”的系泊系统进行定位分析，考察FPSB在水深分别为1 000 m和500 m时，船体运动偏移和系泊缆张力特性，分析水深对系泊定位能力的影响。在水深变化引起系泊系统的定位能力减弱时，通过调整系泊的相关参数，优化系泊布置，使系泊系统的定位能力满足规范要求，为实际的工程操作提供有价值的参考。

1　计算理论

1.1水动力分析

FPSB系泊系统定位能力的分析主要由“船体水动力频域计算”和“系泊定位计算”两部分组成。

FPSB船体周围的速度势Φ需满足Laplace方程、自由面边界条件、海底条件、物面条件和辐射条件［3］，如式（1）～式（5）所示：

根据微幅波理论，式（6）通过转化，可得到仅有波浪作用下的船体运动RAO［5］：

基于上述求解方法，可获得相关水动力参数，如：附加质量、阻尼、一阶波浪力、二阶平均慢漂载荷、船体运动RAO等。此外，在风浪流共同作用下，还需要计算出船体所受的风力和流力系数。

将上述求解的结果作为输入参数，计算不同水深条件下FPSB系泊定位能力，分析船体的低频慢漂位移和各系泊缆的张力特性，研究水深对系泊定位能力的影响。

1.2系泊定位分析

FPSB系泊定位能力的计算采用准动态分析方法，即：在计算船体的运动时，将其分离成低频部分和波频部分。

船体三个方向上的低频运动通过下式求解［6-7］：

式中：m为船体质量；Iψψ为船体首摇转动惯量；、分别为x和y方向的附加质量；为首摇方向的附加转动惯量； Bxx、Byy和Bψψ为三个方向的阻尼系数；xG、yG和ψG为船体重心位置处的横荡运动、纵荡运动和首摇运动；、和分别为船体在三个方向所受的风浪流作用力。

船体的波频运动通过各Airy波对应的运动响应线性叠加而成［8］。坐标点位于（x，y）处，t时刻的波面高度可表示为：

式中：n为Airy波的个数；ai、ωi和φi分别为第i 个Airy波的波幅、圆频率和相位；β为入射波浪的传播方向；ki为波数。

FPSB的服役海域为中国南海，故采用符合南海海况的JONSWAP谱，能量谱密度函数如下所示：

随机波浪的形状参数为2.05，谱峰周期Tp为14.0 s，有义波高Hs为9.0 m，其能量谱密度曲线如图1所示。

图1　波浪谱密度函数曲线

选择合理的频率区间（ωm，ωM），并将其分成均等的n份，第i个Airy波的幅值ai可表示为：

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。

FPSB重心处总的运动位移时历由平均位移、低频位移和波频位移组合而成。将该运动时历加至系泊缆顶端，计算出系泊缆各处的张力。

2　FPSB系泊系统

2.1水动力模型

根据FPSB的型线图和主尺度参数，建立船体水下的网格模型，如图2所示。

（2）评估单元的开发背景分析。对开发历程的了解与把握，采油厂具有相当大的优势。一个评估单元往往具有较长的开发历程，对这个历程各阶段及其变化的了解程度有助于SEC储量评估的准确性。如某评估单元就是一个典型例子（见图3），单元整个开发历程划分为五个阶段，每个阶段及其转换期的评估参数选取存在较大差异。

图2　FPSB水动力网格图

FPSB船体主尺度参数见表1。

表1　FPSB船体主尺度

2.2系泊参数

FPSB系泊系统共有12根系泊缆，分为4组，每组3根，每1组内相邻2根系泊缆之间的夹角为5°，O点距船尾X=131.25 m。

每根系泊缆由两部分组成，上部与平台连接的为钢丝绳，下端为锚链，钢丝绳和锚链单位长度下的水中质量分别为90 kg/m和411 kg/m。系泊缆参数见表2。

表2　系泊缆的参数

2.3设计衡准

根据BV-NR 493规范，采用准动态方法获得的系泊缆张力按照表3进行衡准。

表3　系泊张力的衡准

3　环境条件与计算工况

选用中国南海百年一遇的条件对该船系泊定位展开分析。服役海况环境条件参数如表4所示。风、浪、海流同向，作用方向为90°～ 270°。

表4　极限海况环境条件参数

选用500 m和1 000 m的水深，详细分析水深对系泊定位特性的影响。通过对该FPSB进行系泊定位分析发现，水深比较浅时，按照上述系泊系统的配置，系泊缆张力的安全系数不符合规范要求。因此，改变1号、6号、5号和12号缆绳与X轴方向的夹角 （如图3所示），并降低系泊缆的预张力，使其满足规范的要求。

图3　系泊系统布置图

将FPSB的系泊布置模式分为三种不同的情形，以研究布缆方式对系泊定位能力的影响，见表5。

表5　FPSB的系泊布置模式

4　数值计算及分析

通过系泊分析软件“ARIANE”建立了FPSB系泊定位系统的数值模型，如图4所示。

图4　FPSB系泊系统的数值模型

在风浪流等外部激励载荷的作用下，船体将产生偏移，引起系泊缆的形状和位置发生改变，导致系泊缆顶端的张力发生变化，从而提供平衡外部环境载荷的反方向回复力，该回复力随船体位移的变化曲线称为刚度曲线，直接反映系泊系统抵御外部载荷的能力。

图5为系泊系统的水平布置方式相同，不同水深条件下（即：方案1和方案2模式），水平方向上船体位移-回复力的变化曲线。从图5可知，系泊系统的刚度趋于直线，呈线性特征。在相同的偏移下，500 m水深时，系泊系统提供的回复力大于1 000 m时提供的回复力，这说明在相同的外载荷作用下，500 m水深时，系泊系统的静态运动幅度相比较小。

此外，不同水深时，沿Y方向的横荡回复力均比X方向的纵荡回复力要大，说明该系泊系统的布置方式适用于横向外部载荷较纵向更大的情况。

图5　不同水深时，船体位移-回复力的变化曲线

计算极限海况下，水深分别为1 000 m和500 m（方案1和方案2模式），系泊完整工况和一根缆破损工况时，导缆孔处的系泊缆张力，如图6-图7所示。

图6　系泊缆最大张力的安全系数随风浪流角度的变化（完整工况）

图7　系泊缆最大张力的安全系数随风浪流角度的变化（单缆破断工况）

从图中可以看出：

（1）在各种水深条件下，系泊缆的最大张力发生在90°或270°横浪作用，此时缆绳的安全系数最小。

（2）当水深较浅时（方案2模式），某些角度下，尽管船体的运动幅值相比深水时要小，但在完整工况下，系泊缆张力的最小安全系数为1.61；在单缆破断工况下，最小安全系数仅为1.10；均不符合规范要求。这是由于随着水深的减小，系泊缆相应的悬链线长度减小，依靠系泊缆自身质量形成的悬链线特性减弱，使系泊性能降低，系泊缆更容易被拉起而达到张紧状态。另外，由于系泊所受的张力较大，锚端的上拔力较大，更容易发生走锚。

图8和图9显示的是水深分别为1 000 m和500 m时（方案1和方案2模式），系泊完整和单缆破断工况下，FPSB最大偏移%随风浪流角度的变化规律。

图8　FPSB最大偏移%随风浪流角度的分布（完整工况）

图9　FPSB最大偏移%随风浪流角度的分布（单缆破断工况）

从图中可以看出：

（1）在各种水深条件下，系统最大漂移往往发生在FPSB横浪状态下，其原因主要是在该角度作用下，受风和受流面积大，船体承受的外载荷也越大。最小偏移发生在入射角度为0°附近（在船尾迎浪附近）。

（2）系泊系统的布置调整之前，无论是系泊缆完整还是单缆破断的状态，FPSB的偏移量分布规律基本一致，即：在船首、船尾迎浪附近（0° 或180°），偏移量最小，越靠近横浪方向（90°或270°），偏移量越大。此外，水深较浅时， FPSB的漂移均偏小，这是由于该水深条件下，系泊系统刚度偏大的缘故。

（3）单缆破断工况，各风浪流角度作用下的船体偏移均大于系泊缆完整工况。

在水深为500 m时，为满足规范的要求，需要对系泊系统进行优化，通过在系泊布置上进行适当的调整，同时降低系泊系统的整体刚度，以减少系泊缆的张力为最终目标。

由于外部环境载荷在FPSB横浪方向时的影响最大，现将1号、6号、5号和12号缆绳与X轴方向的夹角φ由50°调大到60°，使系泊缆更靠近横浪方向，以有效抵抗横向载荷。此外，将系泊缆预张力从破断负荷的15%降低至10%（参见系泊布置模式“方案3”）。系泊系统调整之后，FPSB的慢漂运动和系泊缆张力将呈现以下特征：

（1）经此调整后，当系泊完整和单缆破断的工况下，系泊缆张力的最小安全系数均能满足规范要求。

（2）系泊系统的布置调整后，FPSB的偏移量分布规律与调整前并不一致，即：船体最小的偏移量并非发生在首尾迎浪附近，而是发生在偏离其30°的范围内。其原因在于系泊系统朝横向挪动，纵向的刚度减小，从而导致船体首尾向的偏移增大。

（3）系泊系统的布置调整后，系泊缆的最大张力普遍减小，其代价为船体的偏移量将增大。

5　结 论

本文采用准动态方法分析了水深对FPSB多点系泊系统定位能力的影响，研究在不同水深条件下，船体的偏移和系泊缆张力的特性；在水深变化引起系泊系统的定位能力减弱时，通过调整系泊缆的预张力，修改缆绳的布置方式，使系泊系统满足规范的要求，可得到以下结论：

（1）在系泊缆预张力和水平布置方式相同的情况下，水深较浅时，系泊系统提供的回复力更大，因此，相同的外载荷作用下，系统的静态运动幅度更小。

（2）在不同的水深条件下，船体的最大漂移、系泊缆的最大张力往往发生在FPSB横浪状态，主要是由于此时受风面积和受流面积大，船体承受的外载荷也越大的缘故。

（3）水深对系泊缆的几何特征将产生一定影响。在水浅时，系泊缆悬垂部分长度的变化受船体水平漂移的影响较水深时更大，系泊缆更容易被拉起而达到张紧状态。

（4）水深对系泊系统的定位性能将产生一定影响。水浅时，尽管系泊系统可以提供更大的回复力，从而减小船体的偏移，但该回复力的产生更多是通过缆绳张紧后的轴向拉伸来实现的，这将导致系泊缆的张力变大，增加系泊系统断裂的风险。

（5）当FPSB的作业水深逐渐变浅时，按照相同的预张力和系泊布置，系泊系统的定位能力将逐渐减弱，其表现为船体偏移减小，系泊缆张力变大，锚端更容易起锚。若系泊系统无法满足要求时，应根据环境载荷的分布情况调整系泊的布置、调节系泊系统的预张力，同时判断船体的偏移能否满足实际作业要求。

［参考文献］

［1］ 郑律.水深对某典型FPSO及其系泊系统影响研究［J］.船舶，2014（4）：17-21.

［2］ 吴波，程小明，田超，等.不同水深环境下平台系泊系统特性研究［C］.第十三届全国水动力学学术会议暨第二十六届全国水动力学研讨会文集，2014：1222-1231.

［3］ 戴遗山. 舰船在波浪中运动的频域与时域势流理论［M］. 北京：国防工业出版社，1998.

［4］ BV. Hydrostar for experts user manual［R］. 2012.

［5］ Bernard Molin. 海洋工程水动力学［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［6］ BV. Ariane 7 theoretical manual［R］. 2007.

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［8］ BV. Quasi-dynamic analysis of mooring systems using ariane software［R］. 1998.

Infl uence of water depth on characteristics of multi-point mooring system for FPSB

SHAN Tie-bing
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:The spreading mooring system for the floating process and supply base(FPSB) that operates in the South China Sea are investigated based on a quasi dynamic method. The hydrodynamic performance of the FPSB is calculated by the three-dimensional potential theory to obtain the added mass, potential damping, slow drift loading, and motion response amplitude operator for the mooring positioning analysis. The influence of the water depth on the mooring positioning ability is analyzed from the investigations of hull offset and line tension with different water depth. The results indicate that the water depth has an influence on the geometry and positioning ability of the mooring system to some extent. In addition, this paper provides the relevant solutions for the practical engineering operation when the weakened positioning ability cannot meet the specification requirements due to the variation of water depth.

Keywords:floating process and supply base(FPSB); quasi dynamic method; mooring system; positioning ability; tension

［中图分类号］U661.1

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）02-0001-07

［收稿日期］2015-12-03；［修回日期］2015-12-17

［作者简介］单铁兵（1982-），男，博士，高级工程师，研究方向：船舶及海洋工程水动力性能及系泊定位分析。