软刚臂结构形式对应FPSO吨位的适用范围

，，，，

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

软刚臂式单点系泊装置是海洋石油工程领域的关键装备之一，因其具有良好的“风向标效应”被广泛应用于渤海海域FPSO的定位[1]。软刚臂结构是单点系泊装置中连接FPSO与系泊塔架，为FPSO提供水平回复力的关键结构件，其结构形式直接影响到软刚臂系泊系统的可靠性、安全性。目前，我国渤海海域服役的软刚臂式单点系泊装置主要依靠进口，国内相关参考资料匮乏，因此，有必要研究软刚臂结构形式对单点系泊性能的影响，以获取相关规律用于软刚臂单点系泊装置的结构设计及优化。

1 数学模型

渤海海域在役软刚臂单点系泊装置结构形式主要分为横舱式、双箱式和双瓶式3种。根据软刚臂结构形式建立简化模型见图1。

图1 软刚臂结构简化模型

软刚臂单点系泊装置关键结构件由系泊腿Lx、系泊刚臂LR组成，其中系泊腿上端连接FPSO船艏支架，连接点设为A；系泊刚臂连接系泊塔架轭架铰接头轴承，连接点设为O；系泊腿与系泊刚臂通过万向联轴器进行铰接，连接点设为C。

对模型做如下简化处理。

1)系泊刚臂长LR分为2部分：系泊刚臂连接段L1和压载结构段L2。

2)根据系泊刚臂结构形式，O点部分为轭架铰接头。该处结构重量较为集中，故假设取系泊刚臂连接段L1质量重心GR位于L1全长2/5处；压载结构段L2质量分布较为均匀，取其重心GY位于L2全长1/2处。

3)系泊刚臂轴线与OC夹角为θ；铰接点C距系泊刚臂轴线距离为D。

4)平台远离时，系泊腿与竖直方向夹角为γ，OC与水平方向夹角为α。

5)k为压载结构系数,设

L2=k×LRLR=L1+L2L1=(1-k)×LR

(1)

6)设系泊腿重量GX与系泊腿长度LX呈线性相关，系泊腿线质量为ρX(t /m)。

GX=ρXLX

(2)

7)设软刚臂连接段重量GR，软刚臂连接段线质量为ρR(t /m)，软刚臂连接段重量为

GR=ρRL1=ρR(1-k)LR

(3)

根据软钢臂结构受力以及简化模型几何关系，推导出水平系泊力计算公式为[2-4]

(4)

式中：D为铰接点C距系泊刚臂LR中心线距离，m；γ为平台远离时，系泊腿与竖直方向夹角，rad；ΔH为A、C点高度差，m；ρR为软刚臂连接段线质量，t /m；ρX为系泊腿线质量，t /m。

根据图1绘制平台平衡位置以及远离时的系泊刚臂几何模型，见图2。图2中OC′A′为平衡位置时软刚臂状态，OCA为远离时软刚臂状态。

图2 软刚臂位移计算模型

根据图2推导出β、γ的关系。

(5)

(6)

式中：β为平台处于平衡位置时OC与水平方向的夹角，rad。

根据软刚臂单点系泊系统水系泊力FAX与位移之间的关系：FAX=KΔX，可以得出系泊系统刚度K；通过平台位移ΔX与软刚臂结构尺寸之间的几何关系可以得出ΔX与α之间的关系。

(7)

2 计算分析

参考渤海现役软钢臂单点系泊装置，主要尺寸初始值见表1，平台远离最大水平位移12 m。

利用MATLAB软件编程并将初始值代入

表1 软刚臂主尺度初值

程序计算，求解水平系泊力与压载结构系数、压载结构段重量的关系并绘制水平系泊力等值线见图3。

图3 水平系泊力与k、Gy的等值线

由图3可知：增大压载结构系数k，水平系泊力FAX随之减小；增加压载结构段重量GY，水平系泊力随之增大；当水平系泊力增大时，压载结构段重量GY随着压载结构系数k的变化急剧增大。

根据系泊刚度计算公式，求解系泊刚度与压载结构系数、压载结构段重量的关系见图4。

图4 刚度变化

由图4可知，当压载结构段重量一定时，随着k值的增大，刚度随之降低。

3 结构形式

根据结构形式与k值的对应关系,令k≤0.01，压载仓形式为横舱式;k≥0.3，压载仓型式为双瓶;k∈(0.01,0.3),压载仓形式为双箱式。分别计算k=0、0.1、0.2、0.3、0.4时压载舱结构尺寸，取压载舱钢板厚度t=15 mm，压载液密度为1.05 t /m3。

横舱式、双瓶式截面形状为圆形，双箱式截面形状为U形，见图5。

图5 压截舱形式

根据图3计算结果，得出不同压载结构系数对应的压载结构段重量见表2；根据截面形状以及压载结构段重量，计算不同k值下压载舱结构尺寸见表2。

表2 不同k值对应的压载舱结构尺寸

表中：δ-双臂夹角；L-横舱式压载长度；G-压载液重量。

3.1 结构形式对FPSO极限靠近距离的影响

船体靠近软刚臂单点系泊装置，当靠近距离超过软刚臂结构允许的极限距离时，软刚臂结构与船体发生碰撞。因此，软刚臂结构允许船体靠近的极限距离越大，船体与软刚臂发生碰撞的概率越小；同时，船体偏离平衡位置的距离越大，提供的水平回复力越大，阻碍船体与软刚臂结构碰撞的能力也随之增强。

根据表2中软刚臂压载舱结构尺寸，建立船体与软刚臂结构的碰撞模型，见图6。

图6 碰撞模型

图6中A点是船体位于平衡位置船体参考点，X点是船体靠近时与双箱式结构接触点，C点是船体靠近时与双瓶式结构接触点，点A、X、C在船体结构上位于同一点，模型作如下处理。

1)对于双瓶式和双箱式结构，不考虑横向加强杆件对碰撞性能的影响。

2)软刚臂结构纵向位移区域，船体型宽变化对碰撞的影响忽略不计。

3)软刚臂结构双臂夹角与船艏部分型线AE段夹角保持一致，型线AE段采用直线过渡。

根据以上处理，推导船体极限靠近位移公式。

横舱式极限靠近位移为

(8)

双箱式k=0.1时极限靠近位移

(9)

k=0.2～0.4时，极限靠近位移

(10)

D1、D2、Di分别对应不同k值时压载舱结构尺寸D值，见表2。

表3 不同k值对应极限靠近位移以及水平系泊力

由表3可知：当软刚臂单点装置刚度相同时，随着k的增加，极限靠近距离、软刚臂装置提供水平恢复力均随之增大。

3.2 结构形式的选取

根据上述分析，当主尺度、刚度曲线、水平系泊力相同的情况下，按照压载重量排序：横舱式>双箱式>双瓶式；当主尺度、压载重量相同的情况下，横舱式提供的水平回复力>双箱式>双瓶式，极限靠近距离横舱式<双瓶式<双箱式。FPSO吨位越大，船体位移越小，系泊力越大，当FPSO吨位较大时，由于其所需水平系泊力较大，而产生的位移较小，因此，选取横舱式结构能以较小的压载重量满足其系泊要求；当FPSO吨位较小时，由于其所需水平系泊力相对较小，而产生的位移较大，因此，选取双瓶式结构能较好地满足船体的系泊性能。

4 结论

3种软刚臂结构形式对于FPSO系泊性能影响相差不大，但是不同结构形式的软刚臂适用不同吨位的FPSO；当FPSO吨位较大时，选取横舱式能较好地满足系泊要求；当FPSO吨位较小时，选取双瓶式结构较能满足系泊要求。根据本文的研究结果，示范工程平台系泊方式宜选用双瓶式软刚臂结构；对于后期单点系泊装置的研究，建议考虑对软刚臂结构主尺度、结构参数等进行优化设计研究，以得到软刚臂结构设计方法以及最优解。