(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451)

0 引 言

圖1 油船艏向時(shí)歷曲線

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的船舶受到風(fēng)、海流和波浪等外力作用會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)周期的魚(yú)尾狀擺動(dòng)。以CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)為例，圖1為產(chǎn)生魚(yú)尾擺動(dòng)時(shí)，油船艏搖角度的時(shí)歷曲線?？梢钥闯?，雖然風(fēng)浪流同向，但油船艏向并不穩(wěn)定，油船在平衡位置處做周期性擺動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為“魚(yú)尾效應(yīng)”。在有些情況下，艏搖運(yùn)動(dòng)的幅度會(huì)很大，油船無(wú)法保持在環(huán)境力最小的方向，這樣系船纜、錨鏈中會(huì)產(chǎn)生較大的張力，導(dǎo)致斷纜、走錨等事故[1]。隨著海上油田的開(kāi)發(fā)與原油裝卸的需要，此問(wèn)題越發(fā)得到重視，人們對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。

現(xiàn)有研究通常基于某個(gè)特定因素進(jìn)行，或者基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析，鮮有對(duì)該問(wèn)題的全面分析和研究。本文針對(duì)CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)存在的“魚(yú)尾效應(yīng)”，采用時(shí)域耦合的方法對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)影響該效應(yīng)的外部環(huán)境因素和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行全面分析。

1 系統(tǒng)描述

CALM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)包括：外輸浮筒、系泊錨鏈、系船纜、漂浮軟管、水下軟管、水下管匯和海底管道等。外輸浮筒通過(guò)6條相互間隔60°分布的錨鏈系泊到海床。在浮筒頂部配備轉(zhuǎn)臺(tái)以允許連接的油船具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)以減小油船所受的環(huán)境載荷。油船通過(guò)系船纜連接到浮筒的轉(zhuǎn)臺(tái)上。原油通過(guò)漂浮軟管從油船輸送至外輸浮筒上，再經(jīng)水下軟管輸送至海床上的水下管匯，最后通過(guò)海底管道輸送至陸地?zé)拸S。

本文數(shù)值分析所采用的坐標(biāo)系如圖2所示，風(fēng)浪流等環(huán)境條件沿著x軸正向定義為0°，沿著y軸正向定義為90°。圖3為系泊分析模型。

圖2 系泊分析坐標(biāo)系 圖3 系泊分析模型

整個(gè)CALM系泊系統(tǒng)的參數(shù)見(jiàn)表1。數(shù)值分析的基準(zhǔn)環(huán)境條件為JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)波譜，有義波高為2.5 m，譜峰周期為8 s,NPD(Norwegian Petroleum Directorate)風(fēng)譜，風(fēng)速(1 h)為14.5 m/s,表面流速為0.75 m/s。

表1 CALM系統(tǒng)參數(shù)

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行3 h時(shí)域耦合分析，可以得到系泊錨鏈的張力曲線、系船纜的張力曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 系泊錨鏈張力時(shí)歷曲線 圖5 系船纜張力時(shí)歷曲線

由圖4和圖5可以看出：由于“魚(yú)尾效應(yīng)”的存在，油船的艏向無(wú)法穩(wěn)定在某一角度，艏搖角度逐漸增大，圍繞平衡位置作長(zhǎng)周期的振蕩，油船無(wú)法保持在環(huán)境力最小的方向，油船發(fā)生魚(yú)尾擺動(dòng)時(shí)系船纜會(huì)產(chǎn)生脈沖張力[2]，這是系船纜容易發(fā)生斷纜的主要原因。

2 “魚(yú)尾效應(yīng)”環(huán)境敏感性分析

對(duì)于給定的系統(tǒng)，“魚(yú)尾效應(yīng)”主要受到環(huán)境條件的影響，本節(jié)分析風(fēng)流力對(duì) “魚(yú)尾效應(yīng)”的影響。主要對(duì)比參數(shù)有艏搖幅值、錨鏈和系船纜張力時(shí)域最大值。

2.1 風(fēng)速的影響

以原有環(huán)境條件為基礎(chǔ)，改變風(fēng)速，增加計(jì)算風(fēng)速為5 m/s和25 m/s時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)速對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

由表2可以看出:隨著風(fēng)速的增加，艏搖幅值降低，但程度有限，系船纜張力的時(shí)域最大值明顯下降，說(shuō)明風(fēng)速的增加會(huì)降低艏搖幅值，從而降低系船纜張力。

2.2 波浪周期的影響

以原有環(huán)境條件為基礎(chǔ)，改變譜峰周期，增加計(jì)算譜峰周期為6 s、10 s和12 s時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 波浪周期對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

由表3可以看出：隨著譜峰周期的增加，艏搖角度略有增加，但變化不大，基本保持在30°左右，系船纜張力響應(yīng)水平基本相當(dāng)，說(shuō)明波浪周期對(duì)“魚(yú)尾效應(yīng)”的影響較小。

2.3 流速的影響

以原有環(huán)境條件為基礎(chǔ)，改變流速，增加計(jì)算流速?gòu)?.3～1.0 m/s時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 流速對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

由表4可以看出:隨著流速的增加，艏搖角度顯著增加，系船纜張力也顯著增加，當(dāng)流速很小時(shí)，基本不會(huì)發(fā)生“魚(yú)尾效應(yīng)”。

3 “魚(yú)尾效應(yīng)”控制方法分析

嚴(yán)重的“魚(yú)尾效應(yīng)”會(huì)導(dǎo)致系泊系統(tǒng)張力響應(yīng)大幅增加，因此必須采取合適的措施來(lái)抑制該運(yùn)動(dòng)，使艏搖響應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。本節(jié)分析系統(tǒng)自身參數(shù)對(duì)“魚(yú)尾效應(yīng)”的影響。主要對(duì)比參數(shù)：艏搖恢復(fù)剛度、艏搖阻尼、艉部拖船力和系船纜長(zhǎng)度。

3.1 艏搖恢復(fù)剛度的影響

艏向控制系統(tǒng)有助于控制“魚(yú)尾效應(yīng)”[3]。在數(shù)值分析中，艏向控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化模擬為通過(guò)外加艏搖恢復(fù)剛度來(lái)控制艏搖。在實(shí)際系統(tǒng)中，可以通過(guò)DP系統(tǒng)或外加的分布系泊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)該剛度。

以原有環(huán)境條件為基礎(chǔ)，計(jì)算在不同艏搖恢復(fù)剛度時(shí)系泊系統(tǒng)的響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 艏搖恢復(fù)剛度對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

由表5可以看出：隨著艏搖恢復(fù)剛度的增加，系船纜和錨鏈的最大張力均逐漸下降，當(dāng)艏搖角度小于5°時(shí)，張力響應(yīng)水平基本相當(dāng)。

3.2 艏搖阻尼的影響

油船艏搖時(shí)會(huì)受到流體的阻尼力，阻尼力的計(jì)算公式如下：

ρω2K(1)

阻尼力也會(huì)直接影響油船的艏搖響應(yīng)，在實(shí)際系統(tǒng)中，阻尼力D會(huì)受到海水密度ρ，艏搖角速度ω,以及阻力系數(shù)K的影響，WICHERS[4]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的切片理論會(huì)嚴(yán)重低估系數(shù)K。在實(shí)際操作中，K的確需要模型試驗(yàn)等方法進(jìn)行確定。

以原有環(huán)境條件為基礎(chǔ)，增加艏搖阻力系數(shù)，計(jì)算不同K值的系統(tǒng)響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 艏搖阻尼對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

由表6可以看出:隨著艏搖阻力系數(shù)的增加，系船纜和錨鏈的最大張力均逐漸下降，當(dāng)艏搖角度小于15°時(shí)，張力響應(yīng)水平基本相當(dāng)。

3.3 尾部拉力的影響

通過(guò)輔助拖船連接到油船的船尾，通過(guò)拉力控制油船的艏向，這可以將“魚(yú)尾效應(yīng)”控制到一個(gè)可接受的程度。在數(shù)值分析中，在對(duì)油船尾部施加拉力時(shí)，如果油船發(fā)生艏搖，拉力會(huì)產(chǎn)生復(fù)原力矩，從而可以控制艏搖幅度。

以原有環(huán)境條件為基礎(chǔ)，增加尾部拉力，計(jì)算不同拉力值時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可以看出：隨著尾部拉力的增加，錨鏈和系船纜最大張力呈下降趨勢(shì)，當(dāng)艏搖角度小于15°時(shí)，進(jìn)一步控制艏搖對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響不大。

3.4 系船纜長(zhǎng)度的影響

如果調(diào)整系船纜長(zhǎng)度，當(dāng)油船發(fā)生艏搖時(shí)，系船纜產(chǎn)生的復(fù)原力矩會(huì)有所不同，相關(guān)研究表明系船纜變短有利于控制艏搖，增加系船纜長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致增加“魚(yú)尾效應(yīng)”的趨勢(shì)。

以原有系統(tǒng)為基礎(chǔ)，調(diào)整系船纜長(zhǎng)度，計(jì)算不同系船纜長(zhǎng)度時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 尾部拉力對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

表8 系船纜長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響

由表8可以看出：隨著系船纜長(zhǎng)度的增加，艏搖幅度變大，但張力變化較小，總的張力響應(yīng)在同一水平，考慮到系船纜長(zhǎng)度的可變范圍有限，可以認(rèn)為單純調(diào)整系船纜長(zhǎng)度不能對(duì)艏搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制。

4 結(jié)論和建議

通過(guò)對(duì)產(chǎn)生“魚(yú)尾效應(yīng)”的原因分析以及環(huán)境敏感性和控制方法的計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)風(fēng)流力同向時(shí)，由于風(fēng)流的作用，油船可能產(chǎn)生顯著的“魚(yú)尾效應(yīng)”。當(dāng)其造成的艏搖運(yùn)動(dòng)的幅度控制在15°以內(nèi)時(shí)，該系統(tǒng)錨鏈最大張力基本相當(dāng)，但艏搖運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大會(huì)造成系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)大幅增加。

(2) 增加油船艏搖的恢復(fù)剛度，增加油船艏搖阻尼，在油船尾部增加拉力，可以有效控制艏搖幅度，進(jìn)而控制系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。

(3) 減少系船纜的長(zhǎng)度有助于降低艏搖擺動(dòng)，但效果有限，不能明顯降低張力響應(yīng)。

針對(duì)計(jì)算結(jié)果和結(jié)論，對(duì)該類型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出以下建議：

(1) 由于“魚(yú)尾效應(yīng)”會(huì)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生很大影響，在實(shí)際工程中，應(yīng)該針對(duì)特定的系統(tǒng)和環(huán)境對(duì)“魚(yú)尾效應(yīng)”進(jìn)行研究，如果證明存在顯著的“魚(yú)尾效應(yīng)”，則應(yīng)當(dāng)考慮采取措施控制其幅度，保證系統(tǒng)的可靠性。

(2) 在對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行模擬分析時(shí)，計(jì)算模型或模型試驗(yàn)均不能采用定常力的方法施加風(fēng)流力，因?yàn)檫@種方法不能準(zhǔn)確估計(jì)“魚(yú)尾效應(yīng)”的影響。

(3) 艏搖阻尼會(huì)對(duì)系統(tǒng)“魚(yú)尾效應(yīng)”產(chǎn)生重要影響，但現(xiàn)有數(shù)值方法無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算艏搖阻尼，建議進(jìn)行模型試驗(yàn)測(cè)得該阻尼。