連接纜形式對旁靠外輸安全的影響分析

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(哈爾濱工程大學 船舶工程學院,哈爾濱 150001)

浮式儲油卸油裝置(FPSO)是海洋油氣開發中應用最廣泛的海洋工程設備。油氣外輸作業是FPSO最為復雜和危險的海上作業活動，如何保證和提高FPSO外輸過程的安全性一直是研究的重點[1]。對于油船外輸作業來說，輸油的過程完全在海上進行，而海上的環境載荷是難以確定的，即使完全按照規范所規定的外輸條件以及程序進行也難免會發生意外事故，危險性非常大。尤其對于旁靠外輸來說，其突出的特點是穿梭油船和FPSO舷側相靠，間距很小，兩者之間存在相當大的水動力相互影響和船體間的相互運動。旁靠外輸對波浪和風的影響非常敏感，即使是在較穩定的海況下也可能出現劇烈的運動，特別是在旁靠的兩船形狀、尺寸差別很大時，這種原油外輸方式最容易受天氣條件限制。過高的波浪是造成旁靠外輸停輸的主要原因[2-6]。

本文主要針對軟剛臂定位的FPSO旁靠作業系統(見圖1)，應用多體水動力學理論，全面考慮FPSO與穿梭油船之間的水動力耦合，以及船體與軟剛臂系統、船體與連接纜之間的耦合，分析連接纜剛度，連接纜原長和連接纜布置形式等參數的改變對系統安全性能的影響，尋求提高系統安全性的有效措施。

圖1 軟剛臂定位的FPSO旁靠外輸

1 旁靠系統耦合分析理論

旁靠外輸作業系統的安全性采用系統中連接纜的最大張力、靠球變形來評價， FPSO與穿梭油船旁靠作業時，主要依靠布置在兩船間的尼龍大纜和靠球提供了水平方向回復力。尼龍大纜上的張力值過大時會導致大纜破斷，兩船間距便無法控制，外輸作業安全得不到保證；靠球的變形值時刻反映兩船的間距，也是應該考慮的因素。實際作業時，為了安全起見，對大纜的張力值要選取一個安全系數(大纜破斷張力與所受最大張力的比值). 本文連接纜安全系數(連接纜最大張力/最小破斷力)取2.2，靠球變形不超過60%視為安全。整個計算基于多體水動力軟件AQWA完成，基本流程見圖2。

圖2 計算基本流程

(1)

式中：M——船舶質量;

Ma(∞)——船舶附加質量;

λ——阻尼系數;

K——船舶恢復力系數;

ζ——船舶運動位移;

FR(t)——波浪輻射力;

Fcw——海流力和風力;

FDP(t)——連接纜拉力(FPSO還包括軟剛臂系泊力);

FP(t)——靠球對船作用力。

小間隙多浮體問題是旁靠分析中最突出的特點，由于多浮體水動力相互影響的存在，無論是波浪力還是浮體間相互作用的水動力系數在某些頻率上都存在著強烈的共振現象，波面會急劇升高，這是和實際情況不相符的。事實上，由于流體表面張力和波浪破碎等導致的能量耗散，流場的響應會遠低于理論計算的結果。本研究的處理方式是在船體間的自由液面上施加具有阻尼的剛性蓋子，稱為阻尼板。設置阻尼板能夠很好地改善對慢漂力和相對橫蕩和艏搖運動的預報；在時域分析中，阻尼板對于預報小間隙多浮體之間的垂蕩和縱搖運動起著極其關鍵的作用。

在求解連接纜張力的時候，需要將連接纜的剛度矩陣從系纜點轉移至重心處，此轉化可以通過引入張力和位移的矩陣完成。如果剛度矩陣是在固定坐標系中定義的，還會產生附加的剛度矩陣。每根連接纜的剛度矩陣Kg與重心的位移以及作用在重心上的力和力矩有關，兩船體通過連接纜相連時，Kg是一個耦合的12×12矩陣，一個結構的位移會導致另一個結構受力的改變，寫成如下形式：

(2)

其中：x0,y0,z0——連接纜系纜點相對于重心的坐標;

Px,Py,Pz——連接纜張力在坐標x,y,z方向的分量，連接纜的張力與伸長的關系一般采用多項式擬合，根據連接纜性能確定的其系數。

FPSO的軟剛臂系泊系統起到定位作用，采用剛性桿元模擬，桿元根據實際采用剛性鉸接、固接連接，根據連接處的位移和轉角連續條件，在局部坐標系中建立連續方程

(3)

式中:xi,xi+1——鉸連接點在剛體Bi和Bi+1局部坐標系中的坐標值;

xoi,xo(i+1)——剛體Bi和Bi+1的轉動中心在各自局部坐標系中的坐標值;

ξi、ξi+1——剛體Bi和Bi+1的平動位移;

αi,αi+1——剛體Bi和Bi+1的轉動角位移;

αix，α(i+1)x，αiz，α(i+1)z——剛體Bi和Bi+1的轉動角位移在X和Z軸上的分量。

2 計算參數及建模

2.1 系統參數

計算模型選用渤海明珠號FPSO以及玉池號穿梭油船組成的旁靠系統，兩船體的主尺度見表1。FPSO和穿梭油船的作業水深為17.4 m。計算時選取兩種典型的裝載工況：外輸作業開始時，FPSO滿載而穿梭油船壓載此時記為Case1，外輸作業完成時，即FPSO壓載而穿梭油船滿載記為Case2。兩種裝載工況下兩船的相關參數見表2。

表1 船體主尺度

表2 兩種裝載工況下的參數

靠球的直徑為2.5 m，長5.5 m，靠球的回復力F與變形值的關系方程如下。

F=572 380·Δx+118 090·Δx2+597 960·Δx3

(4)

連接纜為直徑88 mm的特級尼龍纜，最小破斷力為2 011 kN，連接纜張力變形曲線見圖3。環境載荷的選取參照明珠號作業的渤中區域1年一遇的海況，波浪譜選擇JONSWAP譜，譜峰升高因子為1.96，周期為7.9 s，波高為2 m。平均風速為18 m/s，表面流速為1.34 m/s。選擇了5種典型環境組合(用EC表示，角度為x軸正向逆時針轉至風浪流方向轉過的角度)，見表3。

圖3 纜繩張力變形曲線

表3 環境組合情況 (°)

2.2 水動力模型

整個外輸系統水動力模型見圖4。軟鋼臂采用tube單元模擬，計算模型中FPSO右舷掛有4組靠球。

圖4 旁靠系統水動力計算模型

軟剛臂系泊建模見圖5，吊桿兩端節點BCDE約束位移自由度且轉動自由；軟剛臂末端A與轉塔相連的點設置為繞z軸轉動自由，其它自由度固定。

圖5 軟鋼臂示意圖

根據本文算例中旁靠系統總共可布置10根連接纜。由于不同的連接纜布置形式會使作用在船體上力的大小和方向發生變化，本文在不改變導纜孔位置和兩船初始間距的情況下，列舉了如圖6所示的4種可能的布纜形式。

圖6中標號1～4為4個靠球，防止船體直接碰撞，標號5～14為10根連接纜，根據艏艉、船舯區域又有交叉布置和平行布置之分。

圖6 連接纜布置形式示意

3 連接纜剛度的影響

針對于不同的要求可以選用不同連接纜材料。此處基于連接纜布置方案A，比較分析直徑88 mm(最小破斷力2 011 kN)和直徑120 mm(最小破斷力2 678 kN)連接纜時旁靠系統的安全性。

針對每種環境條件，均取100、300、500作為其波浪隨機種子，進行計算，并取該種環境條件下3個最大張力值取平均，該平均值即為纜繩最大張力。根據API規范對錨纜安全系數的相關規定，選取安全系數為2.2，根據最大張力計算得到的安全系數小于參考安全系數2.2時，認為該環境條件不安全。同時要求靠球的變形在60%以內，即變形值不能大于1.5 m(直徑為2.5 m×60%=1.5 m)。

纜繩安全系數的模擬結果見表4。其中安全系數為最小破斷力與計算最大張力的比值。

表4 不同剛度纜繩下的安全系數對比

從安全系數結果的對比中可以看出提高纜繩的剛度可以顯著提高系統的安全系數。選用剛度較好的纜繩可以增加作用在船體上的回復力，有效控制兩船體的相對運動，從而降低纜繩拉力，同時纜繩的最小破斷力較高，因此對系統的安全性是有利的。同樣可以采用增加纜繩數量的方式達到同樣的效果。但是這種方法受到經濟性以及作業條件的限制不能無限地增加。為了保證外輸作業安全進行，選擇纜繩時，應該在同時滿足安全要求和經濟要求的前提下，盡量選擇剛度大性能好的纜繩。

4 連接纜長度的影響

根據以往旁靠外輸事故的資料，各條連接纜受力不均衡是事故發生的主要原因。而調節連接纜的原長可有效地改善各連接纜受力均衡分布，充分利用每根連接纜。一般說來，調整的原則是：受力大的連接纜變長，受力小的連接纜縮短。

在數值計算實施過程中，可設定一標準差來衡量各個連接纜受力均衡。設計連接纜長度流程見圖7。

圖7 纜繩長度調整流程

以環境組合EC1下的工況Case2為例，假定最大連接纜張力與最小連接纜張力的差值不大于100 kN時滿足要求，調整前后各連接纜的長度和受力情況見表5。

表5 纜繩原長和受力情況對比

從表5可以看出，在不改變纜繩布置形式的前提下，通過調整纜繩長度，使得最大張力由8.929×105N降低到7.549×105N;最大張力和最小張力的差值由5.888×105N降低到0.839×105N。可見改進效果是很明顯的，不僅降低了最大纜繩的受力，而且使各條纜繩的受力趨于均勻，改進之后旁靠外輸系統的安全性得到了提高。同時，改進前受力大的纜繩原長改進后長度變大，而受力小的纜繩的原長改進后長度變小，這與所設計的改進思路一致，說明此方法可行。

5 連接纜布置形式的影響

在計算不同連接纜布置前，最終的連接纜原長均通過上節的連接纜長度設計方法進行了調整，使受力盡量保持均衡。

表6為針對4種連接纜布置形式在不同載況、環境條件下進行計算的安全系數結果。

表6 不同纜繩布置形式下的安全系數對比

從上面的對比中可以看出，連接纜的布置形式對系統安全性也有重要的影響。完全采用平行系纜的方式時，在環境載荷作用下系統的穩定性降低，達到平衡狀態所用時間較長，同時安全系數也較低。從安全角度來說，布置方案D最合理，5種組合工況下安全系數最大。總的來說，確定連接纜布置形式時，應盡量減少平行纜的數量而改為交叉纜布置，這樣可以應對多變的環境載荷，避免出現連接纜受力嚴重不均的情況。

6 結論

1)使用剛度大的纜繩(最小破斷力較大)可以有效提高系統的安全性。纜繩剛度增大后，一方面兩船的相對運動變小，另一方面最小破斷力增加，自然增加了系統的安全系數。但在實際應用時這種方法受到經濟條件、操作等因素的限制，很難根據環境實時調節。

2)合理設計連接纜長度可以使外輸系統各連接纜在作業過程中受力更加均勻，減小最大纜繩張力，一方面提高連接纜的利用率，另一方面提高了系統的安全性。

3)不同的布置形式安全性差異很大，平行纜布置不利于各連接纜在環境載荷作用下保持受力均勻，系纜時應盡量使連接纜保持在不同方向，能更加有效地抵抗環境載荷的作用。布置形式的變化需要多次的試探，但其本質上是纜繩長度以及方向的改變，這一措施同樣有利于提高系統的安全性。

[1] 繆國平,朱仁傳,朱海榮.具有小間隙的多浮體系統水動力共振現象[J].海洋工程,2005,10(2)：20-24.

[2] 朱仁傳,朱海榮.具有小間隙的多浮體系統水動力共振現象[J].上海交通大學學報,2008,42(8)：1238-1242.

[3] KOO B J,KIM M H.Hydrodynamic interactions and relative motions of two floating platforms with mooring lines in side-by-side offloading operation [J].Applied Ocean Research,2006,27:292-310

[4] MASASHI Kashiwagi,KAZUAKI Endo,HIROSHI Yamaguchi.Wave drift forces and moments on two ships arranged side by side in waves [J].Ocean Engineering,2005,32:529-555.

[5] 劉元丹,熊治國,劉敬喜,等.基于AQWA的旁靠油船水動力相互作用研究[J].艦船科學技術,2012,34(5):13-22.

[6] 趙文華,楊建民,胡志強,等.FLNG系統進行旁靠卸載作業時的水動力性能研究[J].船舶力學,2012,16(11)：1248-1256.