后勤保障浮式碼頭耐波性能試驗

陳浩東，鐘 斌，韓玉龍，樊天慧，劉 鯤*

(1.中海油海南能源有限公司，海南 海口 570105；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

0 引 言

我國遠海海域蘊含較為豐富的油氣資源，其儲量的70%蘊藏于深海海域。對于傳統的“岸基碼頭→補給船舶→鉆井平臺”的海上作業后勤補給模式來說，隨著作業距離的增大，物資供給和后勤保障等成本較高，效率較低。通過研發制造后勤保障浮式碼頭(簡稱“浮式碼頭”)，形成“浮式碼頭→補給船舶→鉆井平臺”的物資補給和后勤保障模式，可實現在遠海就近對鉆井平臺開展物資供補、人員倒班、安全防范和應急救援等后勤保障措施，為遠海油氣資源開發提供強有力的裝備支撐和后勤保障。

浮式碼頭的耐波性能和系泊性能直接關系鉆井平臺的安全性和可靠性。郭京等[1]建立適合在沿海開展試驗研究的大尺度遙控遙測自航船模測試系統，開展同噸級圓舭船型和深V復合船型大尺度船模在沿海風浪環境下的耐波性試驗研究。劉旭等[2]以某5萬t半潛船為研究對象，分別通過耐波性模型試驗、實船試驗和三維水動力數值模擬方法研究該船在不同海況條件下的水動力運動響應。胡曉明等[3]對船模進行耐波性試驗，給出實船的最大橫搖角、縱搖角、升沉幅值和船舶重心處的垂向加速度，并與穩性規范相關公式進行驗算比較。莫瑞芳等[4]利用SESAM軟件對某15 000 t半潛船在零航速時滿載狀態的耐波性進行計算和分析，并結合該船實際航行的國內近海航區對其在典型海況條件下的耐波性進行短期預報。曲魯濱等[5]針對圓舭船型開展船型優化設計，通過對主船體和附體構型進行設計和水動力布局，經模型試驗驗證，有效降低該船型興波阻力，耐波性能得到大幅提升。

浮式碼頭三維模型如圖1所示。通過模型試驗對浮式碼頭及其系泊系統性能進行研究，旨在與數值計算模型相互驗證，以確保浮式碼頭耐波性能和錨泊性能滿足目標海域作業需求。

圖1 浮式碼頭三維模型

1 模型試驗

1.1 水池介紹

試驗在華南理工大學波浪水池完成。該水池主要尺度為30.0 m×18.0 m×1.0 m，水池造波機可產生規則或不規則長峰波，最大波高可達0.40 m；采用LabVIEW平臺數據自動采集及實時分析，通過非接觸式光學六自由度運動測量儀測量船模在波浪中的六自由度運動，并采用無線加速度傳感器測量和驗證船模的運動響應；浪高儀用于測量實時波浪；4個防水拉壓力傳感器用于測量錨泊張力。

1.2 浮式碼頭物理模型

浮式碼頭模型為木質船模，按照給定的型值表、主要參數、型線圖和總布置圖制作。船模制作滿足相應的精度要求，其排水量、重心位置、縱搖和橫搖慣性半徑通過設置船模內壓載的質量和位置進行精確調整。浮式碼頭主要參數如表1所示，其中：坐標原點取尾垂線、中縱剖線與水線面相交處。

表1 浮式碼頭主要參數

1.3 系泊系統模型

浮式碼頭采用由四點錨泊鋼絞線組成的錨泊系統，屬于張緊式錨泊，目前配備的錨索為4根鍍鋅鋼絲繩，長為1 700 m，直徑為66 mm，破斷力為2 450 kN，并配備4個STEVPRIS MK6型海洋工程大抓力錨，6 000 kg。

根據試驗水池水深的具體情況和等效剛度原理，在模型試驗中采用等效截斷錨泊模型，將鋼絲繩串聯彈簧，模擬實際四點錨泊工況，用于測量錨泊張力。試驗模擬300 m水深，錨泊線與Ox軸夾角為30°，錨泊線長為800 m，錨泊系統預張力為1.42 N(對應原型為600 kN，為錨泊線約25%的破斷載荷)。浮式碼頭試驗錨泊布置如圖2所示。

圖2 浮式碼頭試驗錨泊布置

1.4 試驗工況

試驗工況包括3種：靜水試驗工況、規則波(Regular Wave，RW)工況和不規則波(Irregular Wave，IRW)工況。

(1)靜水試驗工況

靜水試驗工況包括浮式碼頭模型的橫搖和縱搖衰減試驗。橫搖和縱搖衰減試驗識別的阻尼用于數值計算模型的阻尼修正。

(2)RW工況

采用周期為0.55～3.00 s(對應實際周期為4.76～25.98 s)、波高為2～3 cm(對應實際波高為1.50～2.25 m)的RW，用于測試浮式碼頭模型在180°首迎浪、135°首斜浪和90°橫浪等3個浪向條件下的運動響應幅值算子(Response Amplitude Operator，RAO)曲線，每個浪向采用14個不同周期的RW。

(3)IRW工況

IRW的RAO試驗考慮3個浪向：180°首迎浪、135°首斜浪和90°橫浪。在海洋工程水池中生成的波浪傳播方向固定，因此在模型試驗中對各浪向的模擬通過改變船模及其錨泊系統等在水池中的布置，實現不同方向角面向波浪的作用。

采用工作目標地點不同浪向的一年一遇和五年一遇波浪工況作為試驗工況，驗證數值計算模型的準確性，并校核錨泊強度。3個浪向的IRW工況如表2所示。試驗波面通過2～3次的自動迭代和修正可獲得與目標譜吻合度高的IRW。以IRW-1為例，換算為實船的IRW-1工況波面時程曲線和試驗譜與目標譜對比如圖3所示。

圖3 換算為實船的IRW-1工況波面時程曲線和試驗譜與目標譜對比

表2 IRW工況

2 試驗結果

2.1 靜水衰減試驗

浮式碼頭在7.5 m吃水條件下的靜水橫搖和縱搖衰減時程曲線如圖4所示，靜水衰減試驗結果如表3所示。由表3可知：(1)船模橫搖和縱搖慣量調節均在專用船模調節架上完成，橫搖固有周期與目標值較為一致，表明船模橫搖慣量調節符合要求；(2)浮式碼頭的運動特性具有大水線面船舶的典型特點。

表3 浮式碼頭靜水衰減試驗結果

圖4 浮式碼頭靜水橫搖和縱搖衰減時程曲線

2.2 RW試驗

對RW試驗的測量數據進行分析，得到浮式碼頭六自由度運動的RAO曲線，可與頻域數值計算得到的RAO曲線進行對比，以校驗數值計算結果。浮式碼頭135°首斜浪的RAO曲線如圖5所示。RW試驗結果表明，通過黏性阻尼修正的數值計算模型與試驗結果吻合度較高，表明數值計算模型水動力分析的有效性。

圖5 浮式碼頭135°首斜浪RAO曲線

2.3 IRW試驗

根據錨泊張力數值計算與試驗結果，按目前錨泊系統布置條件下，面對一年一遇的極限工作海況，錨泊系統可提供安全錨泊，并保證一定的安全冗余度。浮式碼頭IRW-4工況135°首斜浪六自由度運動響應時程曲線如圖6所示。但面對五年一遇的極限工況，特別是在斜浪作用下，現有錨泊系統張力較大，具有破壞風險。以IRW-3工況為例，浮式碼頭IRW-3工況135°首斜浪運動響應和錨泊系統張力統計值如表4所示。

表4 浮式碼頭IRW-3工況135°首斜浪運動響應和錨泊系統張力統計值

圖6 浮式碼頭IRW-4工況135°首斜浪六自由度運動響應時程曲線

3 結 語

由船模靜水衰減試驗得到的橫搖周期和縱搖周期與設計周期接近，與船模加工的可靠性和理論設計值之間進行相互驗證。通過RW試驗，獲得浮式碼頭3種浪向的運動RAO曲線，試驗結果與采用橫搖阻尼修正的數值計算模型結果吻合度高，驗證修正的數值計算模型的有效性。根據IRW試驗結果，浮式碼頭運動響應試驗結果與數值計算模型結果吻合度較高，驗證數值計算模型的有效性。IRW試驗結果表明，在目前錨泊布置條件下，難以滿足抵抗五年一遇的波浪工況(在首斜浪和橫浪條件下)，需要對錨泊系統的布置進一步優化。