遠海浮式結構物與供應船旁靠系泊特性研究

單鐵兵，潘方豪，鄒 雯，金海豐

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

遠海浮式結構物與供應船旁靠系泊特性研究

單鐵兵，潘方豪，鄒 雯，金海豐

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

針對遠海浮式結構物與供應船進行旁靠作業時，水動力干擾、兩船的相對運動、旁靠系纜系統和護舷系統的受力特征等問題開展研究。建立各船的有限元模型，設計出兩船旁靠連接纜系統，選取合適的系泊纜和護舷參數。研究表明：浮式結構物和供應船的橫蕩、縱蕩方向存在一定的同步性或跟隨性，幅值相差不大，其它方向的運動并不存在明顯的同步特征；供應船的各自由度運動幅值均比浮式結構物偏大；旁靠護舷的受力時歷出現了明顯的低頻效應，說明護舷的受力較大程度上受船體低頻慢漂運動的影響；浮式結構物對供應船的水動力干擾較大，當浮式結構物在供應船的上風位置時，表現為屏蔽效應，供應船的運動較小；在其背風位置時，運動加劇，出現多次共振、峰值放大現象，供應船對浮式結構物的水動力性能幾乎無影響，因此，供應船從浮式結構物的下風口一側靠泊作業將更有利于船舶的安全性能。這些研究結論可為實際工程操作提供參考。

旁靠系泊；水動力干擾；護舷；屏蔽效應；低頻效應

遠海浮式結構物與供應船采用旁靠方式卸載貨物，通過系泊纜與橡膠護舷連在一起，將供應船上的貨物、設備、淡水、燃油等卸載至浮式結構物上，是一種應用廣泛的作業方式。遠海浮式結構物與供應船的旁靠作業屬于多浮體干擾問題，兩者之間的水動力干擾和耦合運動較為復雜，尤其當兩船距離很近時，該擾動現象更為明顯，兩船之間的相對運動加劇，對貨物的調運、卸載帶來較大的安全隱患[1]。多船旁靠作業的安全性受環境條件，各船噸位，間距，相對運動，旁靠纜繩數目、直徑、材質、預張力，布置方式以及護舷屬性等多種因素的影響。研究兩船作業的水動力性能、運動以及旁靠系泊布置特性將為浮式結構物與供應船實際靠泊作業提供重要的參考依據。

國內外已經有學者在浮體間的水動力影響、旁靠作業系纜方式等方面開展了相關研究。Kim[2]采用時域方法分析多浮體之間的水動力干擾效應，并考慮了船體之間的系纜方式。Koo等[3]基于時域耦合方法，研究了附加質量、阻尼等位于對角線上的影響系數對兩浮體相對運動的影響，兩船采用旁靠系泊方式開展卸載作業。Hong等[4]采用高階邊界元與模型試驗相結合的方法分析了LNG FPSO,LNGC以及穿梭油輪旁靠作業過程中的運動和二階慢漂載荷特征，各船之間的帶纜方式較為簡單，主要側重點集中在多船之間的干擾問題，結果表明：多船之間的水動力干擾效應對船體的運動影響較大，當船體之間的距離較小時尤為如此。張普杰等[5]對LNG船與LNG-FSRU并靠作業時，多浮體之間的相對運動、旁靠系纜張力、護舷反力等進行了數值研究，研究表明：多浮體之間的相互水動力系數與單船狀態存在一定區別，當頻率大于某一值時，兩船之間存在很大的相互排斥的橫向波漂力。徐喬威等[6]對LNG船旁靠FLNG卸載作業時的水動力性能開展了物理模型試驗，試驗結果表明：兩船的艏搖一致性良好，橫蕩和縱蕩存在較明顯的相對運動，風和波浪的夾角變化對兩船相對運動和旁靠系統所承受的載荷具有一定影響。

該文基于水動力軟件HYDROSTAR和系泊分析程序“ARIANE”，對遠海浮式結構物與供應船在旁靠作業狀態時的RAO響應、水動力響應曲線、兩船相對運動、旁靠連接纜和護舷的受力等特征進行了詳細研究，為實際工程操作提供有價值的參考。

1 分析方法和理論

遠海浮式結構物與供應船之間旁靠作業特征的分析主要由“水動力頻域計算”和“系泊定位計算”兩部分組成。Hydrostar程序主要獲得不同浪向、頻率作用下，考慮兩船干擾效應時各船的水動力性能，如運動RAO、附加質量、輻射阻尼、一階波浪力等。

各船體速度勢Φ滿足的邊界條件如下所示[7]：

2Φ=0(Laplace方程)

(6)

各船在微幅波作用下的六自由度運動[8]可表示為：

HYDROSTAR中，采用中場積分方法計算各船的二階低頻慢漂載荷。中場積分方法的原理為：在船體周圍一定距離處建立一個控制面，應用高斯定理將船體表面壓力積分轉換到控制面和自由表面上積分。船體水平方向上的二階慢漂載荷的計算公式為：

(9)

式中：C為控制面；ΓC為控制面與自由面相交的曲線。

遠海浮式結構物、供應船的低頻運動可通過下式求解[9]：

式中：m為船體質量；Δmx，Δmy和ΔIψψ分別為x、y和Ψ方向的附加質量或附加慣性矩；Bxx，Byy和Bψψ為三個方向的阻尼系數；Kxx，Kyy和Kψψ為三個方向的剛度系數；xG，yG和ΨG為船體重心位置處的橫蕩運動，縱蕩運動和艏搖運動；Fx(t)，Fy(t)和Mψ(t)為船體所受的外載荷。

式中：Ffx(t)、Ffy(t)和Mfψ(t)為一階波浪力或力矩；Fsx(t)、Fsy(t)和Msψ(t)為二階慢漂波浪力或力矩；Fcx(t)、Fcy(t)和Mcψ(t)為流載荷；Fwx(t)、Fwy(t)和Mwψ(t)為船體所受的風載荷；Fmx(t)、Fmy(t)和Mmψ(t)為旁靠連接纜和FPSB系泊定位纜繩的張力和力矩；Fpx(t)、Fpy(t)和Mpψ(t)為兩船之間護舷對船體的作用力。

此外，船體還受到波頻運動的影響。船體重心位置處，相對平衡位置的波頻運動時歷為：

式中：R*和R**分別為船體運動響應的同相位和反相位幅值，βH為入射角度，XG和YG為船體重心處的平衡位置。

各船重心處總的運動位移由平均、低頻和波頻位移組成，將該運動位移加至系泊定位纜或旁靠連接纜的頂端，可計算出系泊纜各處的張力。

2 船體及系泊系統

2.1兩船水動力模型

研究作業水深為1 000 m時，遠海浮式結構物與供應船之間的旁靠系泊特性，兩船的主要參數見表1所示。

采用HYDROSTAR軟件計算浮式結構物與供應船旁靠時，各船的水動力系數、一階波浪力、船體運動幅值響應等。其中，遭遇浪向為0～180°，中間間隔15°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據兩船型線圖建立的面元模型如圖1所示。采用中場積分方法獲得各船的二階波浪漂移力，在船體周圍一定距離處建立一個控制面，應用高斯定理將船體表面壓力積分轉換到控制面和自由表面上積分，中場積分的控制面網格分布如圖2所示。

參考Chen等[10]，勢流軟件HYDROSTAR中FPSB與供應船之間的波面耗散系數選為0.053。

表1 浮式結構物和供應船的主要參數Tab.1 Main dimensions of floating structures and supply ship

圖1 水面以下網格模型Fig.1 Mesh model under water surface

圖2 中場公式的控制面網格Fig.2 Control surface grid with middle-field formulation

2.2系泊參數

浮式結構物采用多點系泊系統進行定位，該系統共有12根系泊纜，分為4組，每組3根，每一組內相鄰兩根系泊纜之間的夾角為5°，3#與Y軸的夾角為50°。供應船與浮式結構物旁靠作業時，通過12根纜繩綁定，兩船之間采用四個“高壓充氣橡膠護舷”以防止兩船直接發生碰撞。

浮式結構物的系泊定位纜繩以及其與供應船之間旁靠綁定纜繩的編號如圖3所示。系泊定位纜繩的編號從1#～12#變化。浮式結構物與供應船之間的綁扎纜繩從13#～22#變化，12根纜繩分為4組，即：船首部3根，稱為艏纜；中部靠近首部2根，稱為倒纜；中部靠近尾部2根，稱為倒纜；船尾部3根，稱為尾纜。

圖3 旁靠系纜系統布置Fig.3 Arrangement plan of side-by-side mooring system

旁靠系纜均為8股丙綸長絲纖維纜繩，直徑D為120 mm，單位長度質量為6.825 kg/m，破斷負荷為1 756 kN，纜繩編號從尾部開始，13#變化至22#，各根纜繩預張力為175.6 kN，取破斷負荷的10%。其伸長率與最小破斷負荷之間的關系如圖4所示。

圖4 纜繩伸長率與最小破斷率的關系曲線Fig.4 Curve of line elongation and minimum breaking rate

2.3護舷設備選型

選用高壓充氣橡膠護舷作為浮式結構物與供應船之間的護舷設備，根據沖擊能量選取碰墊設備[11]，船舶運動的沖擊能量E由下式計算：

式中：V為兩船相對靠泊的速度(m/s)；W為船舶與船舶橫向靠泊時的假想質量(t)，按下式計算：

式中：WA、WB分別為A船和B船的假想質量；WA1、WA2分別為A船滿載排水量和附加質量；WB1、WB2分別為B船滿載排水量和附加質量。

通過計算，可知E為272 195 J，選取護舷為高壓充氣橡膠護舷。利用壓縮空氣來吸收沖擊能量，通過查表，獲得目標護舷的直徑、長度分別為2.0 m和3.5 m，數量共為4個，分別布置于首尾部分，每個護舷在變形60%時，達到壓力極限。護舷的變形和反力曲線，護舷的布置位置分別如圖5和6所示。

圖5 變形-反力曲線Fig.5 Curve of deformation and react force

圖6 旁靠護舷的布置位置Fig.6 Arrangement of side-by-side fender

3 環境條件與計算工況

兩船旁靠作業時，服役海況環境條件參數如表2所示，風、浪、海流同向。在系泊定位分析計算時，頻譜形式為JONSWAP譜，形狀參數為2.0。

表2 環境條件參數Tab.2 Parameter of environmental condition

4 數值計算及分析

基于系泊分析軟件“ARIANE”，建立了浮式結構物與供應船旁靠系泊系統的數值模型，如圖7所示。采用ARIANE軟件對浮式結構物與供應船之間的旁靠作業開展系泊分析。考察不同浪向下，船體的相對運動偏移、兩船各纖維纜繩的張力和護舷作用力特征。

圖7 旁靠系泊分析計算模型Fig.7 Calculation model of side-by-side mooring analysis

4.1水動力響應曲線分析

圖8～圖11顯示的是兩船旁靠、單船體情況時，各船運動RAO對比。從圖中可以看出：

1)浮式結構物對供應船的水動力干擾較大，當供應船在浮式結構物的下風位置時(如270°)，表現為屏蔽效應，供應船各自由度的運動響應均比單船體時偏小；當供應船處于浮式結構物的上風位置時(如90°)，運動加劇，同時出現多次共振、峰值放大現象，兩船擾動對供應船的運動響應呈現明顯影響。

2)相比單船作業，兩船旁靠作業過程中，供應船遭遇的水動力干擾頻率范圍更廣，峰值更大。

3)由于供應船的噸位、水線面以及吃水等較小，其對浮式結構物的水動力性能幾乎無影響。

圖8 供應船橫搖運動Fig.8 Roll motion of supply ship

圖9 供應船縱搖運動Fig.9 Pitch motion of supply ship

圖10 浮式結構物橫搖運動Fig.10 Roll motion of FPSB

圖11 浮式結構物縱搖運動響應Fig.11 Pitch motion of FPSB

4.2兩船體的相對運動特征

圖12顯示的是兩船相對運動幅值(兩船相對運動=浮式結構物運動-供應船運動)，從圖中可以看出：

1)整體上來看，兩船的橫蕩相對運動占主導地位，尤其風浪流為45°～90°區間內，此時的風浪流載荷較大，相對運動幅值比縱蕩更明顯，最大值接近1 m。若橫蕩超過旁靠作業限制，可增大兩船之間的系泊纜預張力，能有效降低相對橫蕩幅值，但需注意的是，該方法將增大纖維纜繩的受力，有超過安全系數的風險，此外，該措施還可能會增加護舷的撞擊力。

2)兩船在橫搖、縱搖和艏搖的相對運動規律與其它三個方向類似，縱搖和艏搖基本隨來流角度的增大出現先增大后減小的趨勢；橫搖則呈現逐漸增大的趨勢，在90度達到最大，約為2.2°。

3)從相對運動來看，270°～360°時，兩船各自由度的相對運動比0～90°的情況更小，因此，在旁靠作業時，若環境方向已確定，供應船應從浮式結構物的下風口一側進行靠泊作業，更有利于船舶的安全性能。

圖12 兩船各自由度的相對運動幅度分布特性Fig.12 Distribution features of relative motion at each DOF

從圖13可以看出，浮式結構物的縱蕩、橫蕩的自由度運動和供應船之間存在一定的同步性或跟隨性；但在縱搖、橫搖以及垂蕩角度下，并不存在所謂的同步運動特點，兩船具有較大的相對運動，該現象與徐喬威等對LNG旁靠FLNG的模型試驗[6]結論一致。通過數值分析可知：

1) 兩船縱蕩運動相位(即步調)高度一致，幅值相差也不大；橫蕩方面，由于充氣護舷的影響，其沿垂向的彈力將對兩船的運動幅值產生影響，因此兩者幅值存在稍許差距，但橫蕩的相位基本一致；在艏搖方向，浮式結構物的艏搖曲線呈現低頻特性，而供應船則表現為波頻特征，兩者響應平均位置基本一致，但在脈動幅值和相位上均存在一定差別。造成該現象的原因在于：兩者的系泊定位方式并不相同，導致系統的艏搖固有周期存在較大差距。

2)無論是縱蕩還是橫蕩方向，浮式結構物與供應船的運動均以低頻運動為主，因此，波浪的低頻成分是引起兩船水平方向慢漂運動的主導因素。

3)在垂蕩、橫搖和縱搖方向，浮式結構物與供應船無論在響應幅值還是相位上均存在較大差距，并不存在較明顯的同步運動特性，且均以波頻響應為主。產生這種現象的原因在于：該三個方向的固有周期集中在波頻范圍內，系泊定位系統和旁靠布纜系統對其約束影響較小。

4)供應船的運動響應均比浮式結構物偏大，比如風浪流角度為45°時，供應船和浮式結構物橫蕩的最大幅值為12.3和13.2 m，垂蕩的最大幅值為0.05和2.0 m，橫搖的最大幅值約為0.03°和2.4°，縱搖的最大幅度為0°和4.3°，艏搖的最大幅值約為0.01°和1.0°。造成該現象的原因可能為：?在縱蕩、橫蕩和艏搖方向上， 浮式結構物自身帶有錨泊定位系統，而供應船只通過多根旁靠系泊纜與浮式結構物相連，因此在水平方向上具有的抵抗力偏小，導致供應船的運動響應增大，且相對運動的增大容易引起旁靠系統連接纜拉力載荷增大。?在垂蕩、橫搖和縱搖方向上，供應船的固有周期均遠小于浮式結構物，與作業海況的固有周期接近，很容易產生共振，尤其是垂蕩和縱搖方向，供應船的固有周期分別為8.3和9.8 s，較接近波浪周期。

圖13 45°來流角度下浮式結構物與供應船之間的相對運動時歷圖Fig.13 Time series of relative motion between FPSB and supply ship at 45°

4.3旁靠連接纜的受力特征

通過數值計算，獲得了旁靠連接纜的受力最大值，從統計值可以看出：

當風浪流角度在0°～90°范圍內變化時，16#～22#號連接纜即“倒纜和艏纜”的受力普遍較大，這是由于風浪流沿船體首部方向來，這幾根連接纜所受的載荷作用明顯，且16#和20#號纜的最大張力高達990 kN，可能的原因在于：這幾根纜繩的長度相對較短，在伸長量相同的條件下，張力增加的更為明顯。因此，當張力增加過大時，應考慮加強連接纜的強度，適當增加連接纜的原長或者降低連接纜的預張力等措施。

圖14 各綁扎纜繩的最大值隨來流角度變化情況Fig.14 Maximum force distributions of each lashing rope according to incident angle

當風浪流角度在270°～330°范圍內變化時，由于浮式結構物對供應船的屏蔽作用，供應船所受的環境載荷變小，使得系泊纜的張力急劇降低，各纜繩的最大張力基本維持在200 kN附近。

圖15顯示的是不同風浪流角度下，旁靠綁扎纜繩中，受力最大纜繩的時歷變化。從圖中可以看出，連接纜的張力時歷曲線既包含低頻成分又呈現波頻甚至高頻特征，如圖15(b)可知，連接纜張力在頻率為0、0.9和1.6 rad/s時均出現了較明顯的峰值。這與浮式結構物自身系泊系統的錨索張力特性并不相同，如圖16(b)所示，浮式結構物的系泊定位錨索(3#)僅在頻率接近0.02 rad/s時出現較大峰值，張力時歷基本只表現低頻成分。引起纜繩的低頻成分主要由波浪低頻慢漂載荷引起；波頻成分主要由波浪作用在船體上的波頻載荷引起；產生高頻張力的原因可能是“纜繩長度較短，松弛-張緊作用過程的時間很短，導致張力時歷中出現突變的尖峰和倍頻成分，稱之為高頻的沖擊張力(snap tension)”[12]。

圖15 風浪流為 45°時20#連接纜的張力時歷曲線和頻譜分析Fig.15 Time history of tension and frequency spectrum of 20# at 45°

圖16 風浪流為 45°時3#系泊纜的張力時歷曲線和頻譜分析Fig.16 Time history of tension and frequency spectrum of 3# at 45°

4.4護舷的受力特征

圖17顯示的是護舷受力隨環境角度的變化情況，圖18給出了護舷F4作用力的時歷曲線。

圖17 護舷受力隨環境角度的變化特征Fig.17 Features of fender force according to environmental angle

圖18 不同風浪流角度下護舷F4所受作用力的時歷圖Fig.18 Time history of F4 according to different environmental angles

從圖中可以看出：1)當風浪流角度為270°～360°時，護舷上的受力明顯小于來流角度為0°～90°的情況，造成這種結果的原因在于：浮式結構物對供應船的遮擋效應，使得供應船上所受的環境載荷在一定程度上降低的緣故。2)結合浮式結構物、供應船的運動特征，供應船的運動幅值比浮式結構物更為明顯，處于較為不利的運動狀態，供應船的運動響應是兩船發生碰撞的主要原因。3)護舷的受力時歷出現了明顯的低頻效應，說明護舷的受力較大程度上受船體低頻慢漂運動的影響；4)從兩船的運動響應、旁靠纜繩的受力、護舷上的碰撞力等方面均可以看出，盡管風浪流為90°時，對應的環境載荷較大，但最大響應或受力卻發生在45°附近，在兩船旁靠實際作業過程中應引起重視。

5 結 語

采用時域分析方法對大型浮式結構物和供應船之間的旁靠系泊特性展開深入研究，可得到以下結論：

1)浮式結構物對供應船的水動力干擾較大，當供應船在浮式結構物的下風口時，表現為屏蔽效應，供應船各自由度的運動均比單船體時偏小，當供應船在浮式結構物的上風口時，運動加劇，同時出現多次共振、峰值放大現象，由于噸位較小，供應船對浮式結構物的水動力性能幾乎無影響。

2)兩船的相對橫蕩運動占主導地位，相對幅值比縱蕩更大，若橫蕩超過旁靠作業限制，可增大兩船之間的系泊纜預張力，有效降低相對橫蕩值，但該方法將增大纖維纜繩的受力，有超過安全系數的風險，還可能會增加護舷的撞擊次數。

3)在旁靠作業時，若環境方向已確定，供應船應從浮式結構物的下風口一側靠泊并作業，更有利于船舶的安全性能。

4)浮式結構物和供應船的某些自由度運動存在一定的同步性或跟隨性，即：橫蕩、縱蕩和艏搖方向的相位(即步調)高度一致，幅值相差也不大，但其它三個以波頻為主的方向，各自運動并不存在明顯的同步特征。

5)供應船的各自由度運動幅值均比浮式結構物的運動幅值偏大，其原因可能是：在縱蕩和橫蕩方向上， 浮式結構物有錨泊定位系統，而供應船只通過多根旁靠系泊纜與浮式結構物相連，纜繩提供的抵抗力較小；在其它方向上，供應船的固有周期均遠小于浮式結構物，與作業海況的固有周期接近，很容易產生共振。

6)倒纜和艏纜相應的受力普遍較大，可能的原因是這幾根纜繩的長度相對較短。在伸長量相同時，張力增加得更為明顯，因此，當張力增加過大時，應考慮加強連接纜的強度，適當增加連接纜的原長或者降低連接纜的預張力。

7)浮式結構物系泊定位錨索的張力基本表現低頻特征，兩船旁靠連接纜不僅包含低頻成分，而且受船體垂蕩、橫搖和縱搖的影響，且波頻成分所占的比例也較大。

8)浮式結構物的受力時歷出現了明顯的低頻效應，說明浮式結構物的受力較大程度上受船體低頻慢漂運動的影響；當來流角度為270°～360°時，護舷上的受力明顯小于來流角度為0°～90°的情況，造成這種結果的原因在于浮式結構物對供應船的遮擋，使得供應船受的環境載荷在一定程度上降低的緣故。

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Study on characteristics of side-by-side mooring between the offshore floating structures and supply ship

SHAN Tiebing,PAN Fanghao,ZOU Wen,JIN Haifeng

(Marine Design & Research Institute of China,Shanghai 200011,China)

The hydrodynamic interference,relative motion,side-by-side mooring and fender system forces are investigated respectively as the supply ship operates side by side with the Offshore Floating Structures.The FEM models of two ships are created.The side-by-side mooring system is designed in preliminary.In addition,suitable parameters of mooring lines and fenders are selected.It indicates that a good identity exists in the motion of sway,surge between two ships.But the identity of the other directions is not obvious.The motion magnitude of each DOF on the supply ship is relatively large.The fender forces show low-frequency effect,which indicates that the low-frequency drift motion of ship influences the fender forces to a large extent.Furthermore,hydrodynamic interference from the Offshore Floating Structures to supply ship is large.Shielding effect is much obvious as the Offshore Floating Structures are at the upwind side of the supply ship,and vessel motion is quite small.On the contrary,as the Offshore Floating Structures are at the leeside,the motion of the supply ship increases.The phenomenon of resonance and peak amplification on RAO appears.The supply ship has no effect on the hydrodynamic performances of the Offshore Floating Structures.Therefore,it is relative safe as the supply ship berths and operates from the leeside of the Offshore Floating Structures.The conclusions would provide a valuable reference for actual engineering operation.

side-by-side mooring; hydrodynamic interference; fender; shielding effect; low-frequency effect

U661

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.001

1005-9865(2017)05-0001-11

2016-10-12

國家發改委海洋工程裝備研發及產業化專項“遠海大型浮式結構物研發”資助項目；高技術船舶科研資助項目(K7590)

單鐵兵(1982-)，男，江西高安人，高級工程師，從事海洋結構物水動力性能及系泊定位研究。E-mail：snailstb@163.com