軟剛臂結(jié)構(gòu)形式對應(yīng)FPSO噸位的適用范圍

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(武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064)

軟剛臂式單點系泊裝置是海洋石油工程領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備之一，因其具有良好的“風向標效應(yīng)”被廣泛應(yīng)用于渤海海域FPSO的定位[1]。軟剛臂結(jié)構(gòu)是單點系泊裝置中連接FPSO與系泊塔架，為FPSO提供水平回復(fù)力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)形式直接影響到軟剛臂系泊系統(tǒng)的可靠性、安全性。目前，我國渤海海域服役的軟剛臂式單點系泊裝置主要依靠進口，國內(nèi)相關(guān)參考資料匱乏，因此，有必要研究軟剛臂結(jié)構(gòu)形式對單點系泊性能的影響，以獲取相關(guān)規(guī)律用于軟剛臂單點系泊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。

1 數(shù)學模型

渤海海域在役軟剛臂單點系泊裝置結(jié)構(gòu)形式主要分為橫艙式、雙箱式和雙瓶式3種。根據(jù)軟剛臂結(jié)構(gòu)形式建立簡化模型見圖1。

圖1 軟剛臂結(jié)構(gòu)簡化模型

軟剛臂單點系泊裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件由系泊腿Lx、系泊剛臂LR組成，其中系泊腿上端連接FPSO船艏支架，連接點設(shè)為A；系泊剛臂連接系泊塔架軛架鉸接頭軸承，連接點設(shè)為O；系泊腿與系泊剛臂通過萬向聯(lián)軸器進行鉸接，連接點設(shè)為C。

對模型做如下簡化處理。

1)系泊剛臂長LR分為2部分：系泊剛臂連接段L1和壓載結(jié)構(gòu)段L2。

2)根據(jù)系泊剛臂結(jié)構(gòu)形式，O點部分為軛架鉸接頭。該處結(jié)構(gòu)重量較為集中，故假設(shè)取系泊剛臂連接段L1質(zhì)量重心GR位于L1全長2/5處；壓載結(jié)構(gòu)段L2質(zhì)量分布較為均勻，取其重心GY位于L2全長1/2處。

3)系泊剛臂軸線與OC夾角為θ；鉸接點C距系泊剛臂軸線距離為D。

4)平臺遠離時，系泊腿與豎直方向夾角為γ，OC與水平方向夾角為α。

5)k為壓載結(jié)構(gòu)系數(shù),設(shè)

L2=k×LRLR=L1+L2L1=(1-k)×LR

(1)

6)設(shè)系泊腿重量GX與系泊腿長度LX呈線性相關(guān)，系泊腿線質(zhì)量為ρX(t /m)。

GX=ρXLX

(2)

7)設(shè)軟剛臂連接段重量GR，軟剛臂連接段線質(zhì)量為ρR(t /m)，軟剛臂連接段重量為

GR=ρRL1=ρR(1-k)LR

(3)

根據(jù)軟鋼臂結(jié)構(gòu)受力以及簡化模型幾何關(guān)系，推導(dǎo)出水平系泊力計算公式為[2-4]

(4)

式中：D為鉸接點C距系泊剛臂LR中心線距離，m；γ為平臺遠離時，系泊腿與豎直方向夾角，rad；ΔH為A、C點高度差，m；ρR為軟剛臂連接段線質(zhì)量，t /m；ρX為系泊腿線質(zhì)量，t /m。

根據(jù)圖1繪制平臺平衡位置以及遠離時的系泊剛臂幾何模型，見圖2。圖2中OC′A′為平衡位置時軟剛臂狀態(tài)，OCA為遠離時軟剛臂狀態(tài)。

圖2 軟剛臂位移計算模型

根據(jù)圖2推導(dǎo)出β、γ的關(guān)系。

(5)

(6)

式中：β為平臺處于平衡位置時OC與水平方向的夾角，rad。

根據(jù)軟剛臂單點系泊系統(tǒng)水系泊力FAX與位移之間的關(guān)系：FAX=KΔX，可以得出系泊系統(tǒng)剛度K；通過平臺位移ΔX與軟剛臂結(jié)構(gòu)尺寸之間的幾何關(guān)系可以得出ΔX與α之間的關(guān)系。

(7)

2 計算分析

參考渤?，F(xiàn)役軟鋼臂單點系泊裝置，主要尺寸初始值見表1，平臺遠離最大水平位移12 m。

利用MATLAB軟件編程并將初始值代入

表1 軟剛臂主尺度初值

程序計算，求解水平系泊力與壓載結(jié)構(gòu)系數(shù)、壓載結(jié)構(gòu)段重量的關(guān)系并繪制水平系泊力等值線見圖3。

圖3 水平系泊力與k、Gy的等值線

由圖3可知：增大壓載結(jié)構(gòu)系數(shù)k，水平系泊力FAX隨之減??；增加壓載結(jié)構(gòu)段重量GY，水平系泊力隨之增大；當水平系泊力增大時，壓載結(jié)構(gòu)段重量GY隨著壓載結(jié)構(gòu)系數(shù)k的變化急劇增大。

根據(jù)系泊剛度計算公式，求解系泊剛度與壓載結(jié)構(gòu)系數(shù)、壓載結(jié)構(gòu)段重量的關(guān)系見圖4。

圖4 剛度變化

由圖4可知，當壓載結(jié)構(gòu)段重量一定時，隨著k值的增大，剛度隨之降低。

3 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式與k值的對應(yīng)關(guān)系,令k≤0.01，壓載倉形式為橫艙式;k≥0.3，壓載倉型式為雙瓶;k∈(0.01,0.3),壓載倉形式為雙箱式。分別計算k=0、0.1、0.2、0.3、0.4時壓載艙結(jié)構(gòu)尺寸，取壓載艙鋼板厚度t=15 mm，壓載液密度為1.05 t /m3。

橫艙式、雙瓶式截面形狀為圓形，雙箱式截面形狀為U形，見圖5。

圖5 壓截艙形式

根據(jù)圖3計算結(jié)果，得出不同壓載結(jié)構(gòu)系數(shù)對應(yīng)的壓載結(jié)構(gòu)段重量見表2；根據(jù)截面形狀以及壓載結(jié)構(gòu)段重量，計算不同k值下壓載艙結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 不同k值對應(yīng)的壓載艙結(jié)構(gòu)尺寸

表中：δ-雙臂夾角；L-橫艙式壓載長度；G-壓載液重量。

3.1 結(jié)構(gòu)形式對FPSO極限靠近距離的影響

船體靠近軟剛臂單點系泊裝置，當靠近距離超過軟剛臂結(jié)構(gòu)允許的極限距離時，軟剛臂結(jié)構(gòu)與船體發(fā)生碰撞。因此，軟剛臂結(jié)構(gòu)允許船體靠近的極限距離越大，船體與軟剛臂發(fā)生碰撞的概率越??；同時，船體偏離平衡位置的距離越大，提供的水平回復(fù)力越大，阻礙船體與軟剛臂結(jié)構(gòu)碰撞的能力也隨之增強。

根據(jù)表2中軟剛臂壓載艙結(jié)構(gòu)尺寸，建立船體與軟剛臂結(jié)構(gòu)的碰撞模型，見圖6。

圖6 碰撞模型

圖6中A點是船體位于平衡位置船體參考點，X點是船體靠近時與雙箱式結(jié)構(gòu)接觸點，C點是船體靠近時與雙瓶式結(jié)構(gòu)接觸點，點A、X、C在船體結(jié)構(gòu)上位于同一點，模型作如下處理。

1)對于雙瓶式和雙箱式結(jié)構(gòu)，不考慮橫向加強桿件對碰撞性能的影響。

2)軟剛臂結(jié)構(gòu)縱向位移區(qū)域，船體型寬變化對碰撞的影響忽略不計。

3)軟剛臂結(jié)構(gòu)雙臂夾角與船艏部分型線AE段夾角保持一致，型線AE段采用直線過渡。

根據(jù)以上處理，推導(dǎo)船體極限靠近位移公式。

橫艙式極限靠近位移為

(8)

雙箱式k=0.1時極限靠近位移

(9)

k=0.2～0.4時，極限靠近位移

(10)

D1、D2、Di分別對應(yīng)不同k值時壓載艙結(jié)構(gòu)尺寸D值，見表2。

表3 不同k值對應(yīng)極限靠近位移以及水平系泊力

由表3可知：當軟剛臂單點裝置剛度相同時，隨著k的增加，極限靠近距離、軟剛臂裝置提供水平恢復(fù)力均隨之增大。

3.2 結(jié)構(gòu)形式的選取

根據(jù)上述分析，當主尺度、剛度曲線、水平系泊力相同的情況下，按照壓載重量排序：橫艙式>雙箱式>雙瓶式；當主尺度、壓載重量相同的情況下，橫艙式提供的水平回復(fù)力>雙箱式>雙瓶式，極限靠近距離橫艙式<雙瓶式<雙箱式。FPSO噸位越大，船體位移越小，系泊力越大，當FPSO噸位較大時，由于其所需水平系泊力較大，而產(chǎn)生的位移較小，因此，選取橫艙式結(jié)構(gòu)能以較小的壓載重量滿足其系泊要求；當FPSO噸位較小時，由于其所需水平系泊力相對較小，而產(chǎn)生的位移較大，因此，選取雙瓶式結(jié)構(gòu)能較好地滿足船體的系泊性能。

4 結(jié)論

3種軟剛臂結(jié)構(gòu)形式對于FPSO系泊性能影響相差不大，但是不同結(jié)構(gòu)形式的軟剛臂適用不同噸位的FPSO；當FPSO噸位較大時，選取橫艙式能較好地滿足系泊要求；當FPSO噸位較小時，選取雙瓶式結(jié)構(gòu)較能滿足系泊要求。根據(jù)本文的研究結(jié)果，示范工程平臺系泊方式宜選用雙瓶式軟剛臂結(jié)構(gòu)；對于后期單點系泊裝置的研究，建議考慮對軟剛臂結(jié)構(gòu)主尺度、結(jié)構(gòu)參數(shù)等進行優(yōu)化設(shè)計研究，以得到軟剛臂結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以及最優(yōu)解。