30万t FPSO船体码头抗台系泊设计
2021-05-06刘俊红赵魏崔秀达
刘俊红,赵魏,崔秀达
(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)
30万t FPSO作为海上油田系统中的关键设施,受到越来越多关注,正在批量建造。外高桥地区在台风季节风力较大[1],而FPSO在码头舾装的周期长,形成系列船批量建造后,难免会遇到台风天气,风速大,如果系泊采用过多的缆绳则会增加FPSO的工程成本和系泊作业,影响码头的物流和吊车作业,影响FPSO的工程进度。因此,FPSO的码头系泊作业既要保证安全,又不能冗余过多,有必要对码头系泊方案进行详细分析,以得到合理的系泊布置方式。
1 设计基础数据
某30万t FPSO的主尺度见表1。
表1 30万t FPSO主尺度
1.1 环境条件
FPSO码头系泊主要承受风、浪、流环境载荷,环境条件参考了港口码头的水文、气象统计数据[2]。按照OCIMF要求,FPSO正常舾装时,遭遇的风速为八级风,18 m/s,而在台风条件下,遭遇12级台风,风速为30.87 m/s,最大流速3 kn。具体风、流环境条件见表2。
表2 环境条件
1.2 系泊缆
系泊缆绳受力是码头系泊安全性能中至关重要的因素[3],采用超高分子迪尼玛缆绳。最大破断载荷MBL为2 070 kN,直径为56 mm。迪尼玛缆绳是一种强度和延伸率同钢丝绳类似的系泊缆绳,重量只有钢丝绳的1/7,能在满足高强度的同时提高系泊缆绳的操作性。
连接卸扣采用球形卸扣,卸扣的最小破断载荷为2 100 kN,最小安全系数为3倍。
1.3 码头护舷
在船舶的碰撞挤压下,护舷的结构通常发生大变形以起到缓冲作用。护舷的结构形式和舷侧的结构强度与布置直接关系到船舶的安全[4]。码头前沿采用超高支持力的护舷,性能参数见表3。
表3 护舷参数
1.4 带缆桩
码头布置SWL 1 500 kN以及SWL 2 000 kN的带缆桩,FPSO船甲板上布置SWL 1 150 kN的带缆桩,外板布置8套2×1 020 kN的系泊眼板,用于台风工况下带抗台横缆。
2 方案设计
2.1 码头系泊基本原则
参考油轮等常规船舶,按照OCIMF[5]的码头系泊基本原则。
1)系泊缆的布置应尽量关于船肿剖面对称。
2)横缆尽量垂直于船艏或船艉。
3)倒缆尽量与船纵剖面平行。
4)尽量减少系泊缆的垂向角度。
5)尽量使具有相同功能的系泊缆保持长度一致。
2.2 正常舾装工况码头系泊方案
30万t FPSO船码头系泊时,船两端布置头缆(1#、2#、4#、5#)、尾缆(20#、21#、22#、23#),前倒缆(6#、11#)以及后倒缆(13#、17#)。由于FPSO两端都是方形结构,加上码头前沿可用长度较少,因此,在确保FPSO在舾装期间码头吊车能够正常通行的前提下,很难布置首尾横缆,系泊布置见图1。
图1 平时工况码头系泊布置
对于系泊方案的初步校核,其主要标准是在只考虑风载荷、流载荷的情况下,进行系泊系统的静力平衡计算。计算结果中,所有系泊缆绳的张力值必须满足系泊缆绳本身的强度安全系数要求(OCIMF规定系泊缆绳能够让船舶在60 kn风速下系泊,并且任何一根合成缆绳上的最大张力不能超过缆绳最大破断负荷maximum-MBL的50%),以及FPSO船、码头上的带缆桩的安全工作载荷SWL应不低于缆绳的系泊张力。
2.3 台风工况码头系泊方案
为增强系泊方案抵御台风期间恶劣环境条件的能力,结合FPSO同码头带缆桩布置的实际情况,利用FPSO基线以上15130 ABL处的系泊眼板,在FPSO同码头间增设防台风横向缆绳。
台风期间码头吊车停泊于锚点,因此,在常规工况系泊布置的基础上增加7#、8#、9#、10#、15#、16#、18#、19#防风横绳。布置角度尽可能垂直码头,承受主要的横向载荷,详细布置见图2。
3 系泊方案分析
3.1 模拟模型
使用BV同MCS(当前为WoodGroup旗下公司)合作推出的系泊分析软件Ariane8进行系泊模拟计算,船体特性和型线都包含在内。应用恒定环境进行静态计算FPSO码头舾装时吃水5 m。建立三维模型见图3。
图2 台风工况码头系泊布置
3.2 坐标定义
建立本地和全局坐标2个坐标体系,见图4。本地坐标附着FPSO本身,原点在纵轴船中位置,朝船艏为正,横轴朝右舷为正。全局坐标,艏向定义在原点,环境载荷以及艏向沿着纵轴布置,风浪、风、流的角度按照顺时针方向选取。
图3 Ariane8软件模拟计算模型
图4 坐标定义
3.3 风载荷计算
根据FPSO总布置图定义其外轮廓,见图5。将几何图形导入AutoCAD中直接得到对应的面积值。
图5 FPSO 外轮廓
根据OCIMF中的公式,由ARIANE8计算得出FPSO水下部分的横向风载荷和纵向风载荷。
(1)
式中:Fxw为纵向风载荷;Fyw为横向风载荷;ρair为空气密度 (0.001 2 t/m3),Vw为风速;Af和Al分别为迎面和侧面受风面积。
从OCIMF中得出风阻力系数,计算得到码头系泊状态下最大受风载荷,见表4。
表4 最大所受风载荷 kN
3.4 流载荷计算
FPSO水下部分,按照OCIFM中计算公式, 由ARIANE8计算得出FPSO水下部分的FPSO的纵向流载荷和横向流载荷。
(2)
式中:Fxc为纵向流载荷;Fyc为横向流载荷;ρwater为水密度 (1.025 t/m3);Vc为流速;Lbp垂线间总长;T为码头系泊时FPSO吃水。
码头系泊时FPSO的流面积见表5。
表5 流面积 m2
从OCIMF中得出流阻力系数,计算得到码头系泊状态下所受最大流载荷,见表6。
表6 最大所受流载荷
3.5 正常舾装工况码头系泊方案计算结果
系泊缆绳受力计算结果见表7。
表7 每根缆绳的最大张力
根据计算结果,缆绳、缆桩强度均满足安全系数要求,系泊方案满足设计要求。
3.6 台风工况码头系泊方案计算结果
为了增加抗台横缆布置,FPSO船在外板距离基线15 130 mm处布置2×1 020 kN SWL的吊耳,可以确保码头系泊方便、快速的由平时工况转变为台风工况布置,同时也减少系泊带缆桩占用紧张的甲板空间。
表8 每根缆绳的最大张力
系泊缆绳受力主要计算结果见表8。计算结果表明,缆绳、缆桩强度均满足安全系数要求,系泊方案满足设计要求。通过分析,在外板系泊眼板上增加防风横缆的码头抗台系泊方式既可保证FPSO在码头舾装期间的安全,又不影响物资运输及吊车正常通行作业,还可避免码头系泊设计冗余过多。
4 结论
对于常规工况,头缆+尾缆+倒缆的系泊方式就能满足平时工况的系泊要求,在此基础上,在船体外板额外增加系泊眼板带防风横缆的码头系泊方式可简单、快速的解决台风工况的码头系泊安全问题。