海上供应船旁靠大型浮式平台耦合响应的模型试验研究

2019-07-05单铁兵

船舶 2019年3期

单铁兵

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

两船旁靠作业是海上开展船对船之间的人员、物资、设备以及燃油等转运的常用方式。通过系泊缆绳将旁靠的船舶绑扎在一起以限制船体之间的相对运动，设置若干弹性护舷，从而避免船舶之间发生刚性碰撞的风险。两船旁靠属于多体耦合问题：船体之间的水动力干扰直接关系到旁靠作业的安全；船体、系泊缆绳和护舷三者之间存在复杂的作用机制，旁靠带缆起到约束船体的作用，同时受船体运动的拉扯而导致张力变化；置于两船之间的护舷能够避免船体发生碰撞，但也受船体的挤压产生反力而影响船体的运动。

两船旁靠作业的窗口期受环境条件、装运设备的正常工作要求、旁靠带缆系统的配置、船型尺度及排水量和护舷属性等多种因素的影响，研究两船旁靠系统的耦合响应特征将为供应船靠泊大型浮式平台提供重要的指导依据。

国内外已有学者针对两船旁靠系统开展分析研究。理论方面：Koo等［1］采用时域耦合法研究两船旁靠卸载作业时，水动力参数对运动响应的影响；Hong等［2］采用高阶边界元法分析两船旁靠作业时的水动力干扰；单铁兵等［3］基于时域分析方法对大型浮式结构物与供应船旁靠作业时的水动力干扰、旁靠缆绳受力特征进行研究。模型试验方面：赵文华等［4］对FLNG与LNG旁靠卸载作业时的水动力性能开展水池模型试验，借助试验数据对船体、系泊系统及连接系统之间的耦合作用进行研究；徐乔威等［5］对LNG船旁靠FLNG卸载作业时，两船之间的复杂水动力作用开展模型试验研究。

本文主要针对大型浮式平台与供应船旁靠作业时的耦合响应特性进行水池模型试验研究，对两船体六自由度的相对运动特点、旁靠系泊缆的受力以及两船之间护舷的挤压应力随风浪流角度的变化进行详细分析，并获得相关结论，为今后实际旁靠作业的工程操作提供有价值的参考。

1 研究对象

本文的研究对象包括大型浮式平台和一艘供应船。该浮式平台总长292 m、型宽54 m、型深22 m、吃水12 m、满载排水量可达17万t；供应船总长约为179 m、型宽31 m、型深13 m、吃水9.1 m、排水量约4.3万t。浮式平台和供船的试验模型如图1所示，实物和模型的缩尺比取为1 ： 70，具体的船型参数如下页表1所示。

图1 浮式平台和供应船的试验模型

2 系泊系统

2.1 浮式平台多点系泊系统

浮式平台采用16点系泊系统。该系统由4组（每组4根，总共16根）系泊缆构成（如下页图2所示），1号、8号、9号、16号与X轴方向的夹角为40°，单组中相邻缆绳的夹角为4°。

每根缆绳由顶端的钢丝绳、底部锚链组成，抛出长度约为3 600 m，导缆孔至锚端的水平跨距为3 450 m，系泊缆的设计参数如下页表2所示。

表1 浮式平台与供应船的的主尺度参数

图2 浮式平台多点系泊系统的布置

该模型试验在上海交通大学海洋工程水池内开展。因受水池尺度的限制，即使按λ=1 ： 70的缩尺比，也无法满足缩尺条件下的系泊缆绳布置。因此，应用了水池截断技术开展截断设计，使截断后的系泊系统在水平方向的回复刚度与实际情况相同，以此保证模型试验中的平台水平运动特性与截断前一致。该试验中，将系泊缆模拟成水平系泊系统，由4根系泊缆组成，其中2根布置在浮式平台首部，其余2根布置在尾部。模型试验所用的水平系泊缆布置如图3所示，截断后的缆绳参数如表3所示，模型试验中缆绳的预张力约为10 N。

图3 试验中，浮式平台的系泊系统布置

表3 截断后的水平缆绳参数

2.2 旁靠系统

浮式平台与供应船之间通过12根连接缆连接，在两船之间设置4个防撞护舷，以免船体之间发生刚性碰撞。

12根连接缆的布置方式如图4所示，分为4组，即：尾部4根尾缆（编号为F1-1～F1-4）、中部靠近尾部2根倒缆（编号为F1-5～F1-6）、中部靠近首部2根倒缆（编号为F1-7～F1-8）以及首部4根首缆（编号为F1-9至F1-12）。

图4 旁靠系统的布置图

连接缆在浮式平台和供应船上的系缆点坐标见表4。为便于测量，坐标系原点分别置于各自船尾基线处，并符合右手法则，X正向朝船首，Y正向朝左舷，Z正向垂直朝上。

表4 浮式平台和供应船旁靠系缆点坐标（实型值）

图5显示的是水池模型试验过程中，通过旁靠带缆系统绑扎在一起的供应船与浮式平台。

图5 供应船与浮式平台的旁靠试验

旁靠系泊缆均选用弹性较好的8股聚丙烯丙纶长丝纤维缆绳，破断负荷约为3 500 kN，预张力取破断负荷的10%。旁靠系泊缆伸长率与轴向力之间的分布曲线如图6所示，具有明显的非线性特点。模型试验通过多段弹簧串联来模拟该非线性分布，如图7所示。

图6 旁靠系泊缆的模拟结果

图7 旁靠的系泊缆模型

护舷设备（编号为P1-1～P1-4）分别布置于两船之间近船首和船尾附近，护舷直径3.3 m，当达到60%压缩量时，护舷提供3 015 kN反力。为精确模拟护舷，试验前进行了大量的选材工作，最终采取两种不同规格的压簧来模拟，压簧底部有压力传感器测量护舷上的载荷。旁靠护舷的模拟曲线如下页图8所示，护舷的模拟形式如下页图9所示。

图8 旁靠护舷的模拟结果

图9 供应船与浮式平台之间的护舷模拟

护舷设备的坐标如表5所示，坐标系原点置于供应船船尾基线处，并符合右手法则，X正向朝船首，Y正向朝左舷，Z正向垂直朝上。

3 试验仪器

本次试验的测试仪器主要包括电阻式浪高仪、多普勒流速仪、风速仪、单分力传感器、压力传感器以及非接触式6自由度运动采集系统：

（1）电阻式浪高仪

安装在水池中用于标定和校核海洋环境中的波浪，其测量精度为0.1 mm，量程为0～50 cm。

（2）多普勒流速仪

测量平均流速，设备精度为0.1 mm/s，量程为0～5 m/s。

（3）风速仪

测量试验风速，精度为1 mm/s，量程为0～10 m/s。

（4）单分力传感器

测量系泊缆上的载荷，精度为0.01 N，设备的试验量程为0～200 N。

（5）压力传感器

测量靠垫上的载荷，精度为0.01 N，量程为0～200 N。

第二，放置滤波器、配置从动态数据转换、配置转换至动态数据、获取波形成分函数在流程图上。在“编程”“结构”子选板中选择“MathScript节点”放置在流程图上，并输入脚本。该节点用于执行脚本。

（6）非接触式6自由度运动采集系统

用来测量静水衰减试验、RAO试验和风浪流试验中模型的运动。其线位移的测量精度为0.1 mm，量程约为0～10 m/s；角位移的测量精度为0.1°，设备量程约为 0～40°。

4 环境条件

供应船和浮式平台之间旁靠作业的海况环境条件参数如表6所示，频谱形式为JONSWAP谱，形状参数为1.0，风浪流同向。

表6 海洋环境条件（实际值）

本次试验中，海流采用表面流速进行模拟；风的模拟通过计算机和变频仪控制造风系统风机的转速，从而获得对应的风速；不规则波由液压造波机产生，确保通过摇板造波机产生的有义波高、谱峰周期及波浪谱密度曲线与目标值一致。不规则波的模拟结果如图10所示。

图10 不规则波的模拟结果

5 试验结果及分析

5.1 相对运动特征

图11显示的是在不同方向下，两船各自由度的最大幅值。

从该图可以看出：

图11 不同方向下，两船各自由度的最大幅值

（1）无论是浮式平台还是供应船，由于受的风浪流载荷较小，在180°迎浪条件下，运动响应较为温和，当从180°逐渐变化至225°时，各船的纵荡、横荡、横摇和艏摇幅度增大明显，横荡的增量最为明显，并在270°时达到最大。尽管如此，由于评估两船能否旁靠作业的标准为相对运动，而该自由度的运动具有明显的跟随性，因此，较大偏移引起的系泊张力才是该自由度的考察重点。

（2）各来流角度下，相比吨位较大的浮式平台，供应船的运动响应更大。这是由于供应船吨位小、同时固有周期更接近波浪的能量集中区域，从而导致运动响应变大，尤其是对旁靠作业起决定性的波频运动的增大。

（3）与供应船靠浮式平台下风位的状态相比，供应船位于上风位的运动响应明显增大。例如，供应船在下风位时（180°～270°），垂荡、横摇以及纵摇的最大幅值分别为0.5 m、1.4°以及0.6°；而供应船位于上风位时，上述自由度的相应值为0.9 m、1.8°以及2.1°；因此，供应船从下风位靠泊作业更有利。

图12显示的是浮式平台与供应船旁靠作业时，各自由度的运动响应。

图12 225°风浪流条件下，两船之间的运动时历图

从图12中可以看出：

（1）浮式平台在纵荡、横荡以及艏摇这三个自由度上的运动响应与供应船基本同步，虽然两船各自的运动幅度较大，但两者之间的相对运动较小，以横荡为例，两船最大值均超过9 m，但相对运动小于0.3 m；另外，这三个方向运动时历的过零周期长，呈现明显的低频慢漂特征，旁靠缆绳对降低两船之间相对运动的贡献较大。因此，一般而言，这三个方向不会成为制约浮式平台与供应船旁靠作业的因素。

（2）在垂荡、纵摇和横摇角度下，浮式平台与供应船的运动并不同步，两船具有较大的相对运动。由于这三个方向由一阶波浪力引起，均表现为波频运动，运动幅度主要由两船各自的固有属性如型线、装载以及固有频率有关；因此，旁靠系泊系统无法对这三个方向的运动幅度进行限制。

5.2 旁靠系统的受力特点

旁靠连接缆F1-1～F1-12受力最大值如图13所示。

图13 各来流角度下，不同的缆绳受力情况

从图13中可知：

（1）最大缆绳张力的发生位置受到来流角度的影响。当来流角度为180°时，最大的缆绳张力位于船首，编号F1-3，最大值为619 kN；来流角度为225°时，该最大张力发生在船尾，编号F1-12，最大值为494 kN；当来流角度为270°时，最大张力发生在船首，编号为F1-2，最大值为502 kN；而一旦供应船在上风位（如135°），最大张力发生在中部的倒缆区域，编号为F1-8，最大值高达729 kN。

（2）当供应船处于上风位时，不仅供应船的运动响应加剧，缆绳的最大张力也明显增大，这是旁靠系泊系统设计难点之一，因此，除加大缆绳规格之外，供应船还应尽可能位于浮式平台的下风位旁靠作业。

下页图14显示的是各来流角度下，不同的护舷受力分布。从图中可以看出，与缆绳的受力情况类似，供应船位于浮式平台下风位时，护舷所受的挤压力稍小，约为1 600 kN；一旦风向变化使供应船处于浮式平台的上风位，供应船的运动加剧，使护舷的挤压力增大，约为2 800 kN，增幅达到75%，因此，浮式平台对供应船的遮挡效应是相当可观的，使其所受的外载荷在一定程度上降低，能起到缓和船体的运动、降低旁靠设备受力的效果。

下页图15为不同风浪流角度下，护舷作用于船体的反力时历分布。从图中可知，护舷所受的挤压力呈现波频和低频叠加的作用，护舷的波频力由船体的波频运动引起，低频力则由船体的低频慢漂运动产生。