FPSO 与穿梭油轮的旁靠时域分析及系统优化

施兴华，于泽群，章柯，刘勤

江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003

0 引 言

浮式生产储卸油轮（Floating Production Storage and Offloading，FPSO)广泛应用于深海海洋油气资源开发领域，在生产过程中，油气外输作业是FPSO 的重要功能，也是FPSO 设计是否成功的关键因素之一。FPSO 远海作业、远离陆地需要外输原油时，若采取海底管路远程外输方式，其成本巨大，所以通常采取穿梭油轮海上转运这种更经济便捷的方式实现原油外输。目前，FPSO 主要通过旁靠和串靠[1]作业来实现原油从FPSO 卸载到穿梭油轮上，因此需要其系泊系统能够满足在深远海海洋环境及恶劣气候条件下的卸载作业要求，而优化系泊方案对于安全可靠地靠泊具有重要意义。

国内外学者针对FPSO 靠泊需要开展了多点系泊系统下的水动力性能研究。Wei 等[2]采用数值模拟和模型试验方法对多点系泊的FPSO 水动力性能开展了研究。郭俊伟和肖建华[3]对某FPSO多点系泊在特定海域下的水动力性能进行了分析，计算了FPSO 不同方向的短期运动响应，获得了最佳方位角。单铁兵等[4-5]对不同水深下船体的偏移和系泊缆张力特性、远海浮式结构物与供应船旁靠作业时的水动力干扰、两船相对运动、旁靠系缆系统和护舷系统受力特征等进行了研究。徐乔威等[6]针对LNG 船旁靠FLNG 船卸载作业时两船间存在复杂的水动力响应问题开展了水池模型试验。俞赟和刘鹏[7]采用三维线性零航速频域理论并结合引入两船间自由液面能量耗散系数的方法，预报了船体的运动性能。Ibinabo 等[8]提出了一种采用ANSYS-AQWA 软件计算FPSO的六自由度振动响应算子（RAO）的详细方法。刘英芳等[9]基于显式动力分析理论对运输船与某FPSO 旁靠碰撞进行了仿真分析，总结出了不同撞击参数对撞击结果的影响规律。但是, 前人对于旁靠卸载作业时FPSO 系泊缆和旁靠缆的重量及其比例的相关研究较少。

综上所述，本文将以某艘FPSO 为研究对象，针对其在南海海域的作业海况，使用ANSYSAQWA 工具和势流理论开展FPSO 多点系泊系统的重量以及分段比例的优化设计，并使用Fluent研究FPSO 和穿梭油轮的吃水深度对风浪流载荷的影响，在优化设计的基础上，进一步优化设计FPSO 和穿梭油轮的导缆孔位置，分析系泊缆、旁靠缆的受力和两船的运动响应，最终得到较好的优化方案。

1 系泊及旁靠系统

1.1 研究对象和环境参数

本文以中国南海海域采油作业的某艘FPSO 为对象，研究了FPSO 与穿梭油轮海上旁靠系泊作业时需满足的海洋环境，研究中波浪采用的是Jonswap 谱。表1 给出了研究的FPSO 及穿梭油轮的主要参数，其中穿梭油轮吨位小于FPSO。表2 给出了研究中适用的海洋环境参数，其中风速指的是每小时平均风速。

表 1 FPSO 及穿梭油轮的主尺度Table 1 Main dimensions of the FPSO and the shuttle tanker

表 2 中国南海作业的环境参数Table 2 Environmental conditions of operation in South China Sea

1.2 FPSO 系泊系统

本文FPSO 采用多点系泊系统定位，该多点系泊系统由4 组(每组3 根，共12 根)相同的组合系泊链组成。图1 所示为多点系泊的FPSO 及旁靠外输的穿梭油轮，旁靠缆布置如图2 所示，其中风浪流船艏方向为0°，指向FPSO 为270°。组合系泊缆自上（导缆孔）而下（海底锚）由钢缆和锚链（船链）段组成，各段具体参数如表3 所示。系泊缆预张力均为908.4 kN，每组系泊缆中各系泊缆夹角为5°，上、下两端水平跨度均为451 m。

图 1 多点系泊FPSO 及旁靠外输穿梭油轮耦合分析模型Fig. 1 Coupling analysis model of multi-point mooring FPSO for off-loading tanker alongside

图 2 旁靠缆布置示意图Fig. 2 Schematic diagram of alongside cable layout

表 3 船链及钢缆参数Table 3 Parameters of ship chain and steel cables

1.3 FPSO 与穿梭油轮连接系统的设计

旁靠卸载作业中，FPSO 与穿梭油轮平行排列，两浮体间通过连接缆和浮式防碰垫（护舷）连接，FPSO 与穿梭油轮间通过12 根旁靠缆和10 个防碰垫连接，如图2 所示。针对该旁靠系泊系统，采用了葡萄牙Lankhorst 公司最新研制的具有兼顾低线重和高强度特点的Lanko Force 缆索[10]，具体参数如表4 所示。

表 4 旁靠尼龙缆索参数Table 4 Parameters of nylon cable for side-by-side mooring

2 多点系泊系统优化

在风浪流联合作用下，对于像FPSO 这种大型浮式结构物，其船体运动幅度的大小及系泊缆的优化布局是现代系泊系统评价中的一项重要指标。通过对系泊系统方案的优选，可以获得最合理的设计方案。

对于多点系泊系统而言，系泊缆对FPSO 具有较强的束缚作用，使船体无法顺应环境载荷而自由平移和转动，但同时它也会导致发生系泊缆受力分配不均。考虑到系泊系统有很多需要优化的变量，包括系泊缆与船中纵剖面的夹角、系泊缆材料及其轴向刚度等。因此，本文在研究中选取FPSO 压载工况对多点系泊系统进行了优选，优化系泊缆分段及各段的比例，采用水动力分析软件AQWA 分析FPSO 在不同系泊方案下两船的运动响应和系泊缆张力，以获得最佳系泊方案。对于系泊缆不同重量分布可能带来的影响，本文通过缆索动力学分析得到缆索的张力响应。

2.1 系泊缆分段

为研究在200 m 水深下各段系泊缆受力，将每根系泊缆按长度等分成3 段，每根系泊缆总长516 m，每段长172 m，表5 给出的4 种分段方案都采用了相同压载工况。在方案2 和方案3 中，系泊缆顶端采用一小段船链与锚机连接，伸出导缆孔后即采用钢缆。假定每组系泊缆与船艏夹角为45°，每组中各系泊缆夹角为5°。表6 为系泊方案的时域数据统计。

表 5 系泊缆分段方案Table 5 Segment schemes of mooring cable

由表6 可见，在0°～180°浪向中，4 个方案在6 个自由度方面各有优势，但方案3 的系泊缆张力极值小于其他3 个方案的极值，故方案3（钢缆—船链—船链）的分段方式效果最优。

2.2 系泊缆各段比例优化

考虑到90°入射风浪流会导致FPSO 的运动响应和系泊缆张力达到最大值，本文针对90°入射浪向，沿系泊缆长度对钢缆和船链的比例进行优化计算，在钢缆—船链的分段方式基础上重新设置了5 个分段的比例方案。表7 为FPSO 多点系泊缆分段方案，表8 为风浪流入射角均为90°时同向风浪流的时域数据统计。

由表8 可以看出：在纵荡方向，随着钢缆占比的增加，纵荡极值均有较大的增加，但数值较小；在横荡方向，方案1～方案3 中的极值增加了10%，而方案1～方案4 增加了40%；垂荡、纵摇和横摇方向的极值变化不大；在艏摇方向，方案1～方案5 中的极值增加较大，但数值较小。

综合上述结果，本文选用了方案3 作为200 m水深FPSO 多点系泊系统的最优系泊缆方案。

表 6 系泊方案时域数据统计Table 6 Statistic data of time domain for the mooring schemes

表 7 多点系泊缆分段方案Table 7 Mooring cable segment schemes for multi-point mooring system

表 8 90°同向风浪流下的时域响应Table 8 Time domain response of the same wind-current direction at 90°

3 旁靠系泊系统布置方式优化

旁靠系泊系统布置方式的优化是一个复杂的多目标问题，其主要目的是控制船舶的运动响应，通过比较系泊缆张力、护舷压力和运动响应来衡量优化方案的优劣。本文分析了多点系泊的FPSO 与旁靠穿梭油轮的3 种外输阶段，即不同吃水工况组合下的系泊缆张力响应，包括：工况1，FPSO 满载—穿梭油轮压载；工况2，FPSO 半载—穿梭油轮半载；工况3，FPSO 压载—穿梭油轮满载。鉴于旁靠缆为船体间的缆索，采用了动力学分析方法得到其相应的张力响应值。

根据文献[11]的研究，FPSO 卸载作业时要求的海况应低于采油时的作业工况，即卸载作业时工况为有义波高Hs=2.5 m、风速13 m/s、流速0.8 m/s、风浪流角度0°～360°。

3.1 FPSO 与穿梭油轮旁靠时的风流载荷

由于FPSO 与穿梭油轮旁靠外输时两船的吃水会随着卸载进度变化而逐渐改变，并存在不容忽视的两船间的流场相互干扰和遮蔽的情况，故使用Fluent 工具来分析两船旁靠时吃水变化对风浪流载荷的影响。本文基于求解数值方程的方法开展研究，使用结合了k-ω湍流模型封闭方程的雷诺平均方程评估环境载荷。图3 所示为分析两船旁靠作业时风浪流载荷影响的网格划分示意图。

图4 和图5 所示为多点系泊FPSO 与穿梭油轮在3 种工况下旁靠作业且风速、流速均为1 m/s时纵向风浪流载荷随船舶吃水的变化曲线。

由图4 和图5 可以看出：船舶吃水变化对FPSO 和穿梭油轮受到的流载荷产生了显著影响，其中由于穿梭油轮吨位较小，受到FPSO 的扰动尤其明显，并出现作用力与流速方向相反的现象。

图 3 两船旁靠作业时风浪流载荷分析的网格划分Fig. 3 Mesh division of two ships for wind-current load analysis during side-by-side operation

图 4 船舶纵向流载荷随吃水的变化曲线Fig. 4 Variation of longitudinal flow load of ship with respect to the draft

图 5 船舶纵向风载荷随吃水的变化曲线Fig. 5 Variation of longitudinal wind load of ship with respect to the draft

通过风载荷计算可见，穿梭油轮和FPSO 各个角度下的受力和弯矩均更具有规律性。随着吃水的减小，穿梭油轮在270°方向上的横荡力和横摇弯矩均有较大的增加，且在270°风向时风载荷规律与270°流向时流载荷的规律相同，即均会随着吃水变化而发生载荷方向的转变。

3.2 旁靠缆布置方式

本文在优化旁靠缆的布置方式时，在缆索上均匀吊挂重物以达到改变其重量的目的，而增加旁靠缆的重量，进而增加旁靠缆的惯性，在一定程度上可避免产生冲击载荷。表9 给出了3 种旁靠缆吊挂重量方案（以下称“吊挂方案”）及其对应的旁靠缆重量。基于上述方案，研究在风浪流同向的中国南海作业海况下，多点系泊FPSO 的3 个不同外输阶段（工况1、工况2、工况3）时张紧的旁靠缆张力、护舷压力、FPSO 运动响应和穿梭油轮相对于FPSO 的运动响应。图6 所示为基于3 种吊挂方案和外输工况1（FPSO 满载—穿梭油轮压载）下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值，表10 给出了工况1 下多点系泊FPSO 的主要自由度运动响应极值以及旁靠穿梭油轮相对于FPSO 的运动响应极值。

表 9 不同吊挂方案下的旁靠缆重量Table 9 Weight of alongside cable for side-by-side operation in different suspender schemes

图7 所示为基于3 种吊挂方案和外输工况2（FPSO 半载—穿梭油轮半载）下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值，表11 给出了此工况下FPSO的主要自由度运动响应极值以及穿梭油轮相对于FPSO 的运动响应极值。

图8 所示为基于3 种吊挂方案和外输工况3（FPSO 压载——穿梭油轮满载）下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值，表12 给出了此工况3 下FPSO 的主要自由度运动响应极值以及穿梭油轮相对于FPSO 的运动响应极值。

图 6 不同吊挂方案和外输工况1 下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值Fig. 6 Maximum results of the fender pressure and alongside cable extension in different suspender schemes under off-loading condition 1

表 10 外输工况1 下多点系泊FPSO 和穿梭油轮的运动响应极值Table 10 Maximum response of multi-point mooring FPSO and shuttle tanker under off-loading condition 1

图 7 不同吊挂方案和外输工况2 下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值Fig. 7 Maximum results of the fender pressure and alongside cable extension in different suspender schemes under off-loading condition 2

表 11 外输工况2 下多点系泊FPSO 及穿梭油轮的运动响应极值Table 11 Maximum response of multi-point mooring FPSO and shuttle tanker under off-loading condition 2

图 8 不同吊挂方案和外输工况3 下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值Fig. 8 Maximum results of the fender pressure and alongside cable extension in different suspender schemes under off-loading condition 3

表 12 外输工况3 下多点系泊FPSO 及穿梭油轮的运动响应极值Table 12 Maximum response of multi-point mooring FPSO and shuttle tanker under off-loading condition 3

由研究结果可以看出：随着旁靠缆重量增加，护舷压力变化的规律不明显，同时穿梭油轮相对运动的响应幅度减小；旁靠缆的重量增加一定程度上可降低穿梭油轮的运动响应，其中重量增加600%，则穿梭油轮相对FPSO 的纵荡可减少50%，这可以认为增加旁靠缆的重量对于降低穿梭油轮的运动响应效果不明显。在外输工况3 中，增加旁靠缆重量时可以减小旁靠缆张力，但是在外输工况1 和工况2 中旁靠缆张力变化规律不明显。若要使旁靠缆长度随时与导缆孔间距相等，则需要对缆索进行实时收放。

3.3 旁靠缆布置位置优化

考虑到外输过程中旁靠缆所受张力呈现出在艏艉两端缆索及船舯分布不均匀的现象，本文研究考虑将旁靠缆对应的FPSO 导缆孔位置移至船舯。图9 为改变导缆孔坐标前、后的示意图。

图10～图12 分别为经过优化导缆孔位置后，基于3 种吊挂方案和3 种外输工况且各旁靠缆均处于张紧状态时的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值。表13～表15 分别给出了上述情况下的FPSO主要自由度运动响应极值以及穿梭油轮相对于FPSO 的运动响应极值。

图 9 导缆孔位置改变前后的示意图Fig. 9 Schematic diagram of the fairlead positions before and after atleration

图 10 不同吊挂方案和外输工况1 下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值（优化后）Fig. 10 Maximum results of the fender pressure and alongside cable extension in different suspender schemes under off-loading condition 1（after optimization）

图 11 不同吊挂方案和外输工况2 下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值（优化后）Fig. 11 Maximum results of the fender pressure and aongside cable extension in different suspender schemes under off-loading condition 2（after optimization）

图 12 不同吊挂方案和外输工况3 下的FPSO 护舷压力、旁靠缆张力极值（优化后）Fig. 12 Maximum results of the fender pressure and alongside cable extension in different suspender schemes under off-loading condition 3（after optimization）

表 13 外输工况1 下多点系泊FPSO 及穿梭油轮的运动响应极值（优化后）Table 13 Maximum response of multi-point mooring FPSO and shuttle tanker under off-loading condition 1（after optimization）

表 14 外输工况2 下多点系泊FPSO 及穿梭油轮的运动响应极值（优化后）Table 14 Maximum response of multi-point mooring FPSO and shuttle tanker under off-loading condition 2（after optimization）

表 15 外输工况3 下多点系泊FPSO 及穿梭油轮的运动响应极值（优化后）Table 15 Maximum response of multi-point mooring FPSO and shuttle tanker under off-loading condition 3（after optimization）

通过对比可看出，优化后旁靠系泊系统能够为穿梭油轮提供更小的纵荡、横荡和横摇运动响应，且护舷和旁靠缆的受力更加均匀。

4 结 论

本文通过时域分析的方法，对在南海180°浪向海况200 m 水深作业的FPSO 多点系泊系统以及旁靠系统进行了优化，得到如下结论：

1） 由于系泊缆的重量及其分布对多点系泊系统产生了重要作用，且在该深度采用钢缆—船链结构系泊缆可以兼顾重量轻、张力和FPSO 运动响应小的特点，所以顶段系泊缆选用200 m 钢缆，底部系泊缆采用316 m 船链的系泊缆结构为最适合200 m 水深的多点系泊系统。

2） 在工况1 下，随着旁靠缆重量的增加，护舷压力趋于一致，受张力不均匀的影响，旁靠缆随重量的变化特征不明显。在外输作业前到外输作业期间这两个状态中，随着旁靠缆重量的增加，穿梭油轮的横摇幅值均呈现减小的趋势，其运动响应幅值随旁靠缆松弛长度的增加而增大。旁靠缆在完全张紧的状态下，在所有情况下护舷压力均有所提高，同时穿梭油轮纵荡、横荡和纵摇的运动幅度减小，并使旁靠缆张力和护舷压力分布更加均匀，由此可以认为旁靠缆重量的增加对于旁靠系统的系泊效率影响不明显。

3） 将横缆对应的FPSO 导缆孔位置向船舯移动后，护舷和系泊缆的受力更加均匀，旁靠系泊系统能够为穿梭油轮提供更小的纵荡，横荡和横摇运动响应。