多船旁靠系泊作业关键特性试验研究

吴建成

(交通运输部广州打捞局，广东 广州 510260)

两船旁靠的作业方式常应用于海上补给、模块吊运、物料转运、FPSO或FLNG与穿梭油轮之间油气卸载等实际海上操作问题，两船往往通过若干旁靠系泊缆连接在一起，同时设置护舷设备保持船舶之间的一定间隙以防止碰撞。

目前，国内外学者均有针对两船旁靠作业方面的理论和试验研究。Koo和Kim[1]2005年采用时域耦合方法研究了两船在旁靠卸载作业时，水动力参数对运动响应的影响；Kashiwagia等[2]2005年采用高阶面元法对FPSO与LNG之间的水动力干扰问题进行分析，重点研究了两船旁靠作业时的二阶波浪慢漂力和力矩分布特点，同时对比验证了不同的积分方法在求解波浪作用力的准确性；金海丰等[3]2018年采用ARIANE软件分析计算了挖泥船与泥驳旁靠装驳作业时，旁靠系泊系统的受力在不同环境力作用下的变化情况；单铁兵等[4]2017年基于准动态分析方法对两船旁靠作业时的水动力扰动、旁靠缆绳受力、护舷的挤压力进行了理论研究；Huang等[5]2018年采用三维势流理论对生活居住平台和FPSO旁靠时gangway附近的动态响应进行了数值计算，研究了两平台的水动力干扰对六自由度运动的影响，并通过模型试验进行验证，计算结果与模型试验存在一定偏差；Zhao等[6]2018年分析了两船间隙对旁靠作业水动力性能的影响，研究表明一旦两船间隙中的水体发生共振，将持续较长时间而不易消散，且对入射波浪的频率较为敏感，同时还给出了可供势流计算参考的间隙内水面衰减系数。

船舶旁靠作业属于典型的多浮体耦合问题，涉及了旁靠连接系统与船体的相互作用、水动力干扰、遮蔽效应、各船之间的缝隙内水体共振等强非线性效应，理论研究存在诸多假设，数值计算结果的可信度还有待进一步验证，水池模型试验可相对准确反映出上述强非线性耦合作用，结果更为合理。赵文华等[7]和Zhao等[8]采用水池模型试验技术对FLNG与LNG旁靠作业的水动力性能、船体与旁靠系统之间的耦合作用进行了研究；Pessoa等[9]2016年采用数值计算与模型试验相结合的方法对FLNG与LNG旁靠系泊状态下的一阶波频与二阶低频运动进行了分析，并研究两船之间的相对运动、系泊缆载荷等参数对作业窗口期的影响， 研究结果表明，二阶低频载荷对旁靠运动性能的影响不能被忽略。

三船旁靠系泊作业所涉及的强非线性效应、蕴含的作用机理比两船情况更为复杂，相比理论计算，模型试验可获得更为准确的预报结果。以2艘千吨级的供应船旁靠17万吨级浮式平台进行输油和吊装作业为研究对象，开展水池模型试验研究，其中浮式平台通过辐射状系泊缆进行定位，2艘供应船依次旁靠在平台的艏部及艉部，并通过旁靠系缆设备与浮式平台连接，针对旁靠缆绳的张力、护舷的挤压力、各船体的绝对和相对运动特征随环境参数变化的特点进行详细的分析，获得了相关结论，同时确定了适合三船旁靠作业的海况条件，为实际的工程操作提供参考。

1 船体参数

以一艘浮式平台和两艘尺度不一的供应船为研究对象。浮式平台总长约292 m，型宽50 m，型深22 m，吃水12 m，满载排水量17万余吨，采用多点系泊进行定位；1号供应船总长约为122 m，型宽为22 m，型深12 m，吃水7 m，排水量约为9 500 t；2号供应船总长约为113 m，型宽约20 m，型深9.8 m，吃水约3.9 m，排水量约为6 300 t。实船与模型的缩尺比均为64，具体的船型参数如表1所示，浮式平台和供应船的试验模型如图1所示。

图1 浮式平台和供应船的试验模型Fig. 1 Test models of floating structure and supply vessels

表1 浮式平台与供应船的主尺度参数
Tab. 1 Main dimensions of floating structure and supply vessels

名称浮式平台(实型值)浮式平台(模型值)1号供应船(实型值)1号供应船(模型值)2号供应船(实型值)2号供应船(模型值)总长/m292.154.174 121.80 1.740112.91 1.613型宽/m54.00.771 22.05 0.31520.30 0.290型深/m220.314 12.25 0.1759.80 0.140吃水/m120.171 7.00 0.1003.85 0.055排水量/t～172 0000.490 9 4930.0276 3280.018

2 定位系统

系泊系统是控制海上浮式结构物漂移的重要设备，该浮式平台采用16点系泊系统进行定位，分别布置于平台的艏部及艉部，由定位绞车、导缆器、系泊缆以及定位锚组成，如图2所示。绞车实现系泊缆的收放及刹车定位，导链器可沿轴向旋转以满足不同抛锚角度的需求，定位锚楔入泥土提供抓持力。

图2 系泊定位系统的组成Fig. 2 Composition of positioning mooring system

图3 浮式平台辐射状系泊系统Fig. 3 Spreading mooring system of floating structure

系泊系统包括16根系泊缆，单根系泊缆由顶端钢丝绳和底部锚链组成。通过下列方式可提高系泊系统整体的抗风浪能力：

1)顶部钢丝绳选用螺旋股的插接方式可提高轴向刚度，R4级高规格的有档海工锚链作为底部系泊缆，既可以增加系泊系统的回复力，提高破断负荷，又能防止缆绳与海床发生摩擦而导致寿命大幅降低；

2)钢丝绳与锚链所选的破断负荷相当，使两者的安全系数接近。

同时，相邻系泊缆的夹角为4°，呈辐射状布置，如图3所示。抛出长度约为3 600 m，其中钢丝绳长度3 200 m，底部的锚链长度400 m。

3 旁靠连接系统

两艘供应船均旁靠于浮式平台的一侧、1号供应船和2号供应船各通过12根旁靠缆绳连接，同时在每个供应船与浮式平台之间放置4个弹性护舷。

1号供应船位于浮式平台的艏部，从艉部开始编号，分为艉缆4根F1-1～F1-4，艉倒缆2根F1-5～F1-6，首倒缆2根F1-7～F1-8，艏缆4根F1-9～F1-12，如图4所示。护舷由艉部开始编号，分别为艉部护舷P1-1，中后部护舷P1-2，中前部护舷P1-3以及前部护舷P1-4。

2号供应船位于浮式平台的艉部，与1号供应船类似，旁靠缆绳从艉部开始依次编号至艏部，即F2-1～F2-12。护舷由艉部开始依次编号至艏部，即P2-1～P2-4，如图5所示。

前后两艘供应船布置时，应尽可能保持较远的距离，以避免两船运动过程中发生碰撞。同时确保1号供应船的艏部旁靠缆绳与浮式平台的艏部锚泊定位缆绳不出现干涉，1号供应船与2号供应船的交叉缆绳不发生剐蹭。

图4 浮式平台与1号供应船的旁靠系统布置示意Fig. 4 Arrangement of side-by-side mooring system between floating structure and supply vessel no. 1

图5 浮式平台与2号供应船的旁靠系统布置示意Fig. 5 Arrangement of side-by-side mooring system between floating structure and supply vessel no. 2

旁靠系泊缆在浮式平台、供应船1和供应船2上的系缆点坐标如表2所示，其中，坐标系原点分别位于各自船尾基线处，x、y、z分别以船艏、左舷和垂直朝上为正。

图6 浮式平台与供应船的旁靠试验Fig. 6 Model test of side-by-side mooring between floating structure and supply vessels

浮式平台与两供应船的旁靠试验如图6所示。各船上均安装了非接触式6自由度运动采集系统，以测量每条船的运动响应；拉力传感器设置在每根缆绳的端部，测量系泊缆绳上所受的张力；在船体一侧设置压力传感器，以测量各护舷所受的挤压力。

旁靠带缆选用弹性较好的纤维缆绳，其受力随缆绳的伸长呈非线性变化，如图7所示，当伸长率(dL/L)从0%增加到12%时，缆绳张力基本呈线性变化，一旦缆绳继续拉伸，其张力急剧增大，在伸长仅达到总长的20%时，张力达到了100%，缆绳随即发生破断。该缆绳的破断负荷选为3 500 kN，预张力取350 kN，各缆绳的总长均为30 m，根据预张力的大小来调整抛出长度。图8为旁靠系泊缆所采用的试验模型。

表2 多船旁靠系缆点坐标Tab. 2 Coordinates of mooring line with side-by-side mooring

图7 旁靠系泊缆的模拟曲线Fig. 7 Simulation curve of side-by-side mooring lines

图8 旁靠的系泊缆模型Fig. 8 Model of side-by-side mooring lines

护舷选择旁靠作业时常用的充气式橡胶护舷，实物如图9所示，其直径选为3.3 m，当达到60%压缩量时，护舷提供的反力为3 015 kN。采取两种不同规格的压簧来精确模拟护舷的非线性特征，压簧底部有压力传感器测量护舷上的载荷，旁靠护舷的试验模型、变形量与设计反力的关系曲线分别如图10和图11所示。

图9 旁靠护舷的实物图Fig. 9 Full-scale model of fenders

图10 供应船与浮式平台之间的护舷模拟Fig. 10 Simulation for fenders between supply vessel and floating structure

图11 旁靠护舷的变形量与设计反力的关系曲线Fig. 11 Relation curve of fender deformation and design reaction force

两供应船护舷设备的坐标如表3所示，坐标系原点置于供应船船尾基线处，x、y、z分别以船艏、左舷和垂直朝上为正。

表3 供应船的护舷坐标Tab. 3 Coordinates of fender with supply vessels

4 规范衡准

BV船级社的NR493规范[10]规定，纤维缆的安全系数不低于1.84，由此可知，缆绳的最大负荷应小于1 902 kN；护舷所受的挤压量不应超过其直径的60%，因此，护舷所受的反作用力应小于3 015 kN。

5 环境条件

浮式平台与两供应船之间旁靠作业选取的海况环境条件如表4所示，随机波浪的频谱选为Jonswap谱，风浪流定义为同向作用于船体之上，旁靠带缆的设计趋于保守，选用3种环境条件，以研究船体之间的相对运动、带缆张力等参数随环境条件的变化特性，同时确定该旁靠带缆设备的设计上限。

表4 海洋环境条件(实际值)Tab. 4 Environmental conditions (full-scale)

图12显示的是有效波高为3.5 m和1.5 m时，不规则波的水池模拟曲线。分析可知，有效波高为3.5 m时，其波浪谱密度曲线的峰值是有效波高为1.5 m时的5倍多，因此，波浪能量随有效波高的增加呈非线性增大趋势，对旁靠系泊船只的作业窗口期影响越来越明显。

图12 不规则波的水池模拟结果Fig. 12 Simulation results of random wave in wave tank

6 试验结果及分析

6.1 静水衰减试验

在模型试验池中对各船开展静水衰减试验，以确定固有周期。其步骤为：试验前先将模型系上系泊缆，然后将预张力调整到目标值，最后将船沿垂荡、横摇以及纵摇方向施加一作用力，使其偏移一段距离或旋转一角度后，迅速松开，开展静水衰减试验，相应的结果如表5所示。

表5 静水衰减试验结果(固有周期)Tab. 5 Results of decay test (natural period)

6.2 旁靠缆绳的受力特征

图13～15显示的是不同海况、不同浪向角条件下，各旁靠缆绳的受力情况。由图分析可知：

1)无论是1号供应船还是2号供应船，各缆绳的张力均随有效波高的增大而增大。在高海况条件下，横浪对旁靠缆绳的张力影响最大，尤其以艏缆和艉缆最为突出，比如，有效波高为3.5 m时，1号供应船的艏缆F1-9张力值约为1 000 kN，而2号供应船的艉缆F2-4和艏缆F2-9的张力更是达到了2 500 kN和3 500 kN，安全系数分别为1.21和0.86，已经远超规范要求的衡准值，艏缆甚至已经发生断裂，当海况环境逐渐降低时，各浪向角下的缆绳张力差异逐渐缩小，有效波高为1.5 m时，各浪向角下的缆绳张力较为接近。其原因为：高海况下，相比其它角度，横浪时，作用于船体上的波浪载荷、流载荷更大，导致船体的运动响应更为明显；而低海况时，如上一节分析可知，波浪谱密度峰值迅速下降，波能较小，因此浪向角对旁靠缆绳的受力影响较小。

图13 各来流角度下缆绳的受力分布情况(Case1海况)Fig. 13 Distributions of line tensions from #1 to #12 in different incidence wave directions (Case1)

图14 各来流角度下缆绳的受力分布情况 (Case2海况)Fig. 14 Distributions of line tensions from #1 to #12 in different incidence wave directions (Case2)

图15 各来流角度下缆绳的受力分布情况 (Case3海况)Fig. 15 Distributions of line tensions from #1 to #12 in different incidence wave directions (Case3)

2)对于1号供应船，张力较大的缆绳多集中在艏缆及艉倒缆附近，而2号供应船，张力较大的缆绳位置发生在艏缆及艉缆附近，在实际工程作业时，可通过增加缆绳长度、减小预张力以降低缆绳的张力。

3)同一工况下，相比1号供应船，2号供应船的旁靠缆绳张力普遍更大，说明2号供应船受环境条件的影响，尤其是波浪的影响更为敏感，其原因可能是2号船的排水量更小，响应更剧烈，从而引起缆绳张力增大。

4)从缆绳所受张力分析可知，有效波高为3.5 m时，部分缆绳的拉力已经超过了规范的衡准限制，其安全系数已经不满足要求；有效波高不大于2.5 m时，缆绳的张力均在合理范围内，1号供应船旁靠缆绳的最小安全系数为5.2，2号供应船旁靠缆绳的最小安全系数为4.1，满足规范要求。

6.3 旁靠护舷的挤压特征

图16～18显示的是不同浪向角下，各护舷的受力情况。

图16 各来流角度下，不同的护舷受力情况(Case1)Fig. 16 Fender force in different incidence wave directions (Case1)

图17 各来流角度下，不同的护舷受力情况(Case2)Fig. 17 Fender force in different incidence wave directions (Case2)

图18 各来流角度下，不同的护舷受力情况(Case3)Fig. 18 Fender force in different incidence wave directions (Case3)

从图中可以看出：

1)一般而言，两供应船旁靠护舷的挤压力均受波浪角度的影响，180°艏迎浪时，护舷的挤压力最小，随着浪向角由艏迎浪逐渐变为横浪时，护舷的挤压力也随之增大，在270°横浪时护舷挤压力达到最大。

2)有效波高为3.5 m时，两船的部分护舷挤压力已经远远超过了护舷的受力极限；当有效波高降低至2.5 m时，1号和2号供应船的护舷最大受力分别为1 550 kN、1 850 kN，均在护舷许可范围内。

3)相比1号供应船，2号供应船的护舷挤压力更明显。

6.4 各船体的运动特征

浮式平台与供应船旁靠作业时，相互之间靠的很近，很容易发生碰撞，各自的运动响应及之间的相对运动图需予以重点关注。图19～21显示的是不同海况条件下，各船体的最大运动幅值。

图19 不同海况条件下，三船艏迎浪(180°)时的六自由度最大运动Fig. 19 Max motion response of 6DOF in 180° for different wave conditions

图20 不同海况条件下，三船艏斜浪(225°)时的六自由度最大运动Fig. 20 Max motion response of 6DOF in 225° for different wave conditions

图21 不同海况条件下，三船横浪(270°)时的六自由度最大运动Fig. 21 Max motion response of 6DOF in 270° for different wave conditions

从图中可以看出：

1)无论是浮式平台还是供应船，环境条件越恶劣，各自由度下的运动响应越明显，尤其水平方向的偏移以及横摇、纵摇的变化较为剧烈。

2)在纵荡、横荡以及艏摇这三个低频方向，浮式平台与供应船的最大响应较为接近，即在这几个自由度上，三船之间的相对运动并不大，而且差异性并不受有效波高和入射角度的变化而明显改变。比如艏迎浪，有效波高为3.5 m的工况下，三船之间的纵荡运动均接近7.4 m；当有效波高降为2.5 m时，三船之间的纵荡运动均接近2.7 m。

3)在垂荡、横摇和纵摇这三个波频方向，各船之间的响应幅值差别较大，对比供应船，由于浮式平台的吨位大、同时固有周期远离波能峰值，因而运动响应普遍较小；相反，供应船的排水量小，固有周期更小，与波浪频率接近，因此更容易发生共振，受波浪的扰动更剧烈，因此运动响应更明显。以三船艏斜浪，有效波高为2.5 m为例，浮式平台、1号供应船和2号供应船的垂荡最大幅值分别为0.5 m、1.0 m和0.8 m，横摇的最大幅值分别为0.5°、2.7°和2.5°，纵摇的最大幅值分别为0.3°、1.9°和1.5°，供应船的运动幅值是平台的数倍。

图22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时历曲线。有效波高为3.5 m时，无论是缆绳张力还是护舷的挤压力均超过了衡准值，不满足设计要求，鉴于篇幅有限，仅针对有效波高为2.5 m，波浪角度为225°的情况进行对比分析，其余有效波高下的运动规律与之类似。

图22 225°风浪流条件下，各船六自由度的时历分布(绝对运动)Fig. 22 Time series of 6DOF for each vessel in wave, wind and current of 225°(absolute motion)

从图中可以看出：

1)各船在纵荡、横荡以及艏摇方向的振荡周期均超过100 s，呈现明显的低频特征，浮式平台和供应船在这几个方向的运动时历曲线形状和相位均较为接近，即三船具有明显的同步性，尽管各自的运动响应较大，但浮式平台与供应船之间的相对运动较小。例如下述海况条件下，浮式平台的纵荡、横荡以及艏摇运动高达6.9 m、6.6 m和1.9°，1号供应船为6.8 m、6.6 m和1.9°，2号供应船高达7.0 m、8.6 m和1.9°，如图23所示，但船舶之间的相对运动才是影响旁靠作业的关键因素，浮式平台与1号供应船纵荡、横荡以及艏摇方向的相对运动仅为1.4 m、2.1 m以及0.8°，浮式平台与2号供应船纵荡、横荡以及艏摇方向的相对运动仅为1.7 m、2.2 m以及0.7°，完全可满足作业要求，旁靠缆绳将船舶绑扎在一起限制船体之间的相对运动，使船舶在纵荡、横荡以及艏摇方向形成了跟随性特点，因此低频方向的运动一般不会成为制约多船旁靠作业的因素。

2)垂荡、横摇以及纵摇这三个方向，其时历曲线可观察到较明显的波频振荡特点，各船在这几个方向的运动表现出不同步的特性，相对运动较大，由于这三个方向的运动响应主要与入射波浪的频率、船自身的固有属性相关联，因此，旁靠带缆设备无法对这三个方向的运动幅度进行限制，是影响多船旁靠作业的主要因素。

图23 六自由度的绝对运动及相对运动特征(225°)Fig. 23 Characteristics of absolute and relative motions for 6DOF(225°)

7 结 语

采用模型试验的方法对供应船旁靠大型浮式结构物作业时的关键特性开展了深入研究，主要结论如下：

1) 波浪能量随有效波高的增大呈现非线性增大趋势，旁靠系泊设备所受的载荷也随之迅速增加，是影响旁靠作业窗口期的主要外部因素。

2) 波浪入射角度对旁靠作业的影响程度与海况有较大关联，高海况条件下，横浪对旁靠缆绳的张力和护舷的挤压力影响最大，当海况环境降低时，改变浪向角对结果的影响可忽略。其原因为：高海况下，相比其它角度，横浪作用于船体上的波浪载荷、流载荷更大，导致船体的运动响应更为明显，缆绳张力和护舷挤压力也随之增大；而低海况时，波浪谱密度峰值迅速下降，波能较小，因此浪向角对旁靠缆绳的受力和护舷的挤压力影响程度有限。

3) 受布缆方式、缆绳长度以及船体运动等多方面的影响，1号和2号供应船上缆绳张力较大的发生区域并非完全一致，但降低缆绳张力的策略相同，即：增加缆绳长度和减小预张力以满足作业要求。

4) 相比1号供应船，2号供应船的旁靠缆绳张力和护舷的挤压力普遍更大，说明2号供应船受环境条件的影响，尤其是波浪的影响更为敏感，其原因可能是2号船的排水量小，响应更剧烈，从而引起缆绳张力和护舷挤压力增大。

5) 旁靠缆绳将浮式平台、2艘供应船绑扎在一起限制船体之间的相对运动，使船舶在纵荡、横荡以及艏摇方向形成了跟随性特点，尽管各自的运动响应较大，但浮式平台与供应船运动响应的幅值和相位都比较接近，相对运动较小，完全可满足作业要求，因此低频方向的运动一般不会成为制约多船旁靠作业的因素。

6) 垂荡、横摇以及纵摇这三个波频方向，各船的运动并不同步，相对运动较大，由于这三个方向的运动响应主要与入射波浪的频率、船自身的固有属性有关，因此，旁靠带缆设备无法对这三个方向的运动幅度进行限制，是影响多船旁靠作业窗口期的主要因素。

7) 有效波高为3.5 m时，旁靠带缆系统的张力和护舷所受到的挤压力均大于规范的衡准值或设备的许用值，同时运动响应较大，无法满足要求，当有效波高不超过2.5 m时，可实现该浮式平台与供应船之间的旁靠带缆作业。