30萬t FPSO船體碼頭抗臺系泊設計

劉俊紅，趙魏，崔秀達

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

30萬t FPSO作為海上油田系統中的關鍵設施，受到越來越多關注，正在批量建造。外高橋地區在臺風季節風力較大[1]，而FPSO在碼頭舾裝的周期長，形成系列船批量建造后，難免會遇到臺風天氣，風速大，如果系泊采用過多的纜繩則會增加FPSO的工程成本和系泊作業，影響碼頭的物流和吊車作業，影響FPSO的工程進度。因此，FPSO的碼頭系泊作業既要保證安全，又不能冗余過多，有必要對碼頭系泊方案進行詳細分析，以得到合理的系泊布置方式。

1 設計基礎數據

某30萬t FPSO的主尺度見表1。

表1 30萬t FPSO主尺度

1.1 環境條件

FPSO碼頭系泊主要承受風、浪、流環境載荷，環境條件參考了港口碼頭的水文、氣象統計數據[2]。按照OCIMF要求，FPSO正常舾裝時，遭遇的風速為八級風，18 m/s，而在臺風條件下，遭遇12級臺風，風速為30.87 m/s，最大流速3 kn。具體風、流環境條件見表2。

表2 環境條件

1.2 系泊纜

系泊纜繩受力是碼頭系泊安全性能中至關重要的因素[3]，采用超高分子迪尼瑪纜繩。最大破斷載荷MBL為2 070 kN，直徑為56 mm。迪尼瑪纜繩是一種強度和延伸率同鋼絲繩類似的系泊纜繩，重量只有鋼絲繩的1/7，能在滿足高強度的同時提高系泊纜繩的操作性。

連接卸扣采用球形卸扣，卸扣的最小破斷載荷為2 100 kN，最小安全系數為3倍。

1.3 碼頭護舷

在船舶的碰撞擠壓下，護舷的結構通常發生大變形以起到緩沖作用。護舷的結構形式和舷側的結構強度與布置直接關系到船舶的安全[4]。碼頭前沿采用超高支持力的護舷，性能參數見表3。

表3 護舷參數

1.4 帶纜樁

碼頭布置SWL 1 500 kN以及SWL 2 000 kN的帶纜樁，FPSO船甲板上布置SWL 1 150 kN的帶纜樁，外板布置8套2×1 020 kN的系泊眼板，用于臺風工況下帶抗臺橫纜。

2 方案設計

2.1 碼頭系泊基本原則

參考油輪等常規船舶，按照OCIMF[5]的碼頭系泊基本原則。

1)系泊纜的布置應盡量關于船腫剖面對稱。

2)橫纜盡量垂直于船艏或船艉。

3)倒纜盡量與船縱剖面平行。

4)盡量減少系泊纜的垂向角度。

5)盡量使具有相同功能的系泊纜保持長度一致。

2.2 正常舾裝工況碼頭系泊方案

30萬t FPSO船碼頭系泊時，船兩端布置頭纜(1#、2#、4#、5#)、尾纜(20#、21#、22#、23#)，前倒纜(6#、11#)以及后倒纜(13#、17#)。由于FPSO兩端都是方形結構，加上碼頭前沿可用長度較少，因此，在確保FPSO在舾裝期間碼頭吊車能夠正常通行的前提下，很難布置首尾橫纜，系泊布置見圖1。

圖1 平時工況碼頭系泊布置

對于系泊方案的初步校核，其主要標準是在只考慮風載荷、流載荷的情況下，進行系泊系統的靜力平衡計算。計算結果中，所有系泊纜繩的張力值必須滿足系泊纜繩本身的強度安全系數要求(OCIMF規定系泊纜繩能夠讓船舶在60 kn風速下系泊，并且任何一根合成纜繩上的最大張力不能超過纜繩最大破斷負荷maximum-MBL的50%)，以及FPSO船、碼頭上的帶纜樁的安全工作載荷SWL應不低于纜繩的系泊張力。

2.3 臺風工況碼頭系泊方案

為增強系泊方案抵御臺風期間惡劣環境條件的能力，結合FPSO同碼頭帶纜樁布置的實際情況，利用FPSO基線以上15130 ABL處的系泊眼板，在FPSO同碼頭間增設防臺風橫向纜繩。

臺風期間碼頭吊車停泊于錨點，因此，在常規工況系泊布置的基礎上增加7#、8#、9#、10#、15#、16#、18#、19#防風橫繩。布置角度盡可能垂直碼頭，承受主要的橫向載荷，詳細布置見圖2。

3 系泊方案分析

3.1 模擬模型

使用BV同MCS(當前為WoodGroup旗下公司)合作推出的系泊分析軟件Ariane8進行系泊模擬計算，船體特性和型線都包含在內。應用恒定環境進行靜態計算FPSO碼頭舾裝時吃水5 m。建立三維模型見圖3。

圖2 臺風工況碼頭系泊布置

3.2 坐標定義

建立本地和全局坐標2個坐標體系,見圖4。本地坐標附著FPSO本身，原點在縱軸船中位置，朝船艏為正，橫軸朝右舷為正。全局坐標，艏向定義在原點，環境載荷以及艏向沿著縱軸布置，風浪、風、流的角度按照順時針方向選取。

圖3 Ariane8軟件模擬計算模型

圖4 坐標定義

3.3 風載荷計算

根據FPSO總布置圖定義其外輪廓，見圖5。將幾何圖形導入AutoCAD中直接得到對應的面積值。

圖5 FPSO 外輪廓

根據OCIMF中的公式，由ARIANE8計算得出FPSO水下部分的橫向風載荷和縱向風載荷。

(1)

式中：Fxw為縱向風載荷；Fyw為橫向風載荷；ρair為空氣密度 (0.001 2 t/m3),Vw為風速；Af和Al分別為迎面和側面受風面積。

從OCIMF中得出風阻力系數，計算得到碼頭系泊狀態下最大受風載荷，見表4。

表4 最大所受風載荷 kN

3.4 流載荷計算

FPSO水下部分，按照OCIFM中計算公式, 由ARIANE8計算得出FPSO水下部分的FPSO的縱向流載荷和橫向流載荷。

(2)

式中：Fxc為縱向流載荷；Fyc為橫向流載荷；ρwater為水密度 (1.025 t/m3);Vc為流速；Lbp垂線間總長；T為碼頭系泊時FPSO吃水。

碼頭系泊時FPSO的流面積見表5。

表5 流面積 m2

從OCIMF中得出流阻力系數，計算得到碼頭系泊狀態下所受最大流載荷，見表6。

表6 最大所受流載荷

3.5 正常舾裝工況碼頭系泊方案計算結果

系泊纜繩受力計算結果見表7。

表7 每根纜繩的最大張力

根據計算結果，纜繩、纜樁強度均滿足安全系數要求，系泊方案滿足設計要求。

3.6 臺風工況碼頭系泊方案計算結果

為了增加抗臺橫纜布置，FPSO船在外板距離基線15 130 mm處布置2×1 020 kN SWL的吊耳,可以確保碼頭系泊方便、快速的由平時工況轉變為臺風工況布置，同時也減少系泊帶纜樁占用緊張的甲板空間。

表8 每根纜繩的最大張力

系泊纜繩受力主要計算結果見表8。計算結果表明，纜繩、纜樁強度均滿足安全系數要求，系泊方案滿足設計要求。通過分析，在外板系泊眼板上增加防風橫纜的碼頭抗臺系泊方式既可保證FPSO在碼頭舾裝期間的安全，又不影響物資運輸及吊車正常通行作業，還可避免碼頭系泊設計冗余過多。

4 結論

對于常規工況，頭纜+尾纜+倒纜的系泊方式就能滿足平時工況的系泊要求，在此基礎上，在船體外板額外增加系泊眼板帶防風橫纜的碼頭系泊方式可簡單、快速的解決臺風工況的碼頭系泊安全問題。