超大型FPSO碼頭系泊設(shè)計(jì)分析

徐田甜

中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司，北京 100028

超大型FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置） 是海上油田開(kāi)發(fā)的重要工程設(shè)施。FPSO 船體建造或改造完工下水后，通常要在碼頭系泊，在碼頭附近安裝上部模塊、管廊模塊和火炬塔，進(jìn)行舾裝、調(diào)試和試驗(yàn)等。FPSO 在碼頭系泊的工期通常長(zhǎng)達(dá)1 ～2 年，系泊期間可能遭遇臺(tái)風(fēng)等極端惡劣天氣，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]，如果系泊采用過(guò)多的系纜則會(huì)增加FPSO 的工程成本，增加碼頭規(guī)劃和建設(shè)、系泊作業(yè)、應(yīng)急管理的難度，影響碼頭的物流和起重等作業(yè)，影響FPSO 的工程進(jìn)度。因此，F(xiàn)PSO 碼頭系泊設(shè)計(jì)既要保證安全，又不能冗余過(guò)多，有必要對(duì)FPSO 碼頭系泊進(jìn)行水動(dòng)力分析和模型試驗(yàn)，優(yōu)化碼頭系泊設(shè)計(jì)。目前已有相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)有掩護(hù)和開(kāi)敞式的離岸式碼頭分別給出了碼頭系纜拉力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)方法[2-3]；一些工程公司對(duì)超大型FPSO 的碼頭系泊系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化。

1 碼頭系泊總體方案

超大型FPSO 的舷外通常有各種泵、立管、電纜、系泊、油氣外輸和靠泊登船等設(shè)施，F(xiàn)PSO 碼頭系泊時(shí)需考慮防止舷外設(shè)施與碼頭發(fā)生碰撞，通常采用島式碼頭系纜布置方案[4]，即在FPSO 船體與碼頭之間布置駁船，駁船與FPSO 船體之間連接系泊纜，駁船在FPSO 船體與碼頭之間傳遞載荷，起到保護(hù)FPSO 舷外設(shè)施的作用[5]。島式碼頭系泊使整個(gè)FPSO 非線性、多重耦合系泊系統(tǒng)的響應(yīng)特性復(fù)雜化[6]。

以一艘深水超大型FPSO 為例，船體型長(zhǎng)×型寬 × 型深尺寸為 330 m × 61 m × 33.5 m，共設(shè) 18座上部模塊、8 座管廊模塊和1 座火炬塔[7]。FPSO船體在東亞某船廠的干船塢建造完工下水后，在船廠的碼頭A、B、C 共系泊17 個(gè)月，陸續(xù)完成12座上部模塊、管廊模塊和火炬塔的安裝、船艙裝載強(qiáng)度試驗(yàn)、舾裝、調(diào)試后，遠(yuǎn)洋拖航至西非的新建總裝船廠碼頭D 系泊7 個(gè)月（見(jiàn)圖1），完成6 座上部模塊的安裝、舾裝、調(diào)試、傾斜試驗(yàn)后，拖航出海安裝。FPSO 碼頭系泊總體方案見(jiàn)表1。FPSO與碼頭之間的駁船主要參數(shù)見(jiàn)表2。FPSO 與駁船之間的碰墊型號(hào)為NV 600H 型橡膠護(hù)舷[5]，護(hù)舷的許用碰撞力為632 kN。碼頭與駁船之間的橡膠護(hù)舷碰墊主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 FPSO 在總裝碼頭D 系泊

表1 FPSO 碼頭系泊總體方案

表2 FPSO 與碼頭之間的駁船主要參數(shù)

表3 碼頭與駁船之間的碰墊主要參數(shù)

2 碼頭系泊荷載

FPSO 碼頭系泊主要承受風(fēng)、浪、流環(huán)境荷載，環(huán)境條件參數(shù)采用了港口碼頭的水文、氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并得到石油公司、船級(jí)社和海事保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的共同認(rèn)可。在新建總裝船廠碼頭D 建設(shè)期間進(jìn)行了1年的環(huán)境條件監(jiān)測(cè)。為了準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)、流荷載，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了FPSO 模型風(fēng)洞試驗(yàn)，模型幾何比尺為1 ∶225，見(jiàn)圖2。

2.1 風(fēng)荷載

圖2 FPSO 模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

碼頭系泊分析采用海面以上10 m、10 min 持續(xù)風(fēng)速，風(fēng)荷載作用于FPSO 水上受風(fēng)面積的中心，主要參數(shù)見(jiàn)表4。

根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇（OCIMF） 規(guī)范，F(xiàn)PSO 受到的縱蕩方向風(fēng)力Fxw、橫蕩方向風(fēng)力Fyw分別為：

式中：風(fēng)荷載系數(shù)Cxw、Cyw根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果選取（見(jiàn)圖 3）；ρw為空氣密度，kg/m3；Vw為風(fēng)速，m/s；Ax、Ay分別為FPSO 的縱向、橫向受風(fēng)面積，m2，見(jiàn)表5。

表4 FPSO 碼頭系泊風(fēng)荷載主要參數(shù)

圖3 FPSO 風(fēng)荷載系數(shù)

表5 FPSO 碼頭系泊受風(fēng)面積

2.2 浪、流荷載

FPSO 碼頭系泊時(shí)會(huì)受到一階波浪力和二階慢漂力，一階波浪力會(huì)引起FPSO 的周期性搖蕩，但不會(huì)改變FPSO 的位置和艏向；二階慢漂力對(duì)系泊系統(tǒng)受力影響最大，會(huì)使FPSO 偏離初始位置。

碼頭系泊分析主要考慮風(fēng)成波，采用ISSC（國(guó)際船舶結(jié)構(gòu)會(huì)議） 不規(guī)則波波譜，各工況的風(fēng)、浪、流始終同向，荷載方向區(qū)間0° ～360°，步長(zhǎng)15°。FPSO 系泊碼頭D 受特殊地形、水文特征影響，除了考慮風(fēng)成波以外，還考慮了從外海來(lái)的反射膨脹波。反射膨脹波的方向始終與碼頭前沿邊平行。FPSO 系泊的4 處碼頭均為高樁碼頭，上部高出水面，下部為樁基結(jié)構(gòu)，波浪和海流可在碼頭下通過(guò)，因此忽略波浪反射[8]。碼頭系泊分析采用MOSES 軟件，按照波浪力的脈沖響應(yīng)函數(shù)和波浪波面高函數(shù)計(jì)算FPSO 船體上受到的一階波浪力和二階慢漂力。FPSO 碼頭系泊時(shí)浪、流荷載主要參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 FPSO 碼頭系泊時(shí)浪、流荷載主要參數(shù)

根據(jù)OCIMF 規(guī)范，流荷載作用于FPSO 船體水下濕表面積的中心時(shí)，F(xiàn)PSO 受到的縱蕩方向流力Fxc、橫蕩方向流力Fyc分別為：

式中：流荷載系數(shù)Cxc、Cyc根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果選取（見(jiàn)圖4）；ρc為海水密度，kg/m3；Vc為海流流速，m/s；LBP為 FPSO 的垂線間長(zhǎng)，m；T 為 FPSO 的碼頭系泊狀態(tài)吃水，m。

圖4 FPSO 流荷載系數(shù)

2.3 過(guò)往船舶的影響荷載

總裝船廠碼頭D 臨近大型港口的進(jìn)出港航道，故FPSO 系泊碼頭D 時(shí)還會(huì)受到過(guò)往船舶的船行波的影響；船行波會(huì)引發(fā)FPSO 的搖擺運(yùn)動(dòng)，增大系泊纜繩的拉力。碼頭系泊分析采用Flory-Remery方法[9]，將船行波的影響計(jì)算為力和力矩作用在FPSO 上。

碼頭系泊分析考慮的最大噸位過(guò)往船舶為4496 TEU 型集裝箱船，船體型長(zhǎng)×型寬×吃水尺寸為250 m×36 m×13.6 m，滿載排水量為7 萬(wàn)t。航道水深為14 m，集裝箱船航速為8 kn，集裝箱船與FPSO 的最小間距為190 m，航向與FPSO 縱向垂直。集裝箱船的船行波對(duì)FPSO 產(chǎn)生的最大縱蕩力、最大橫蕩力及最大艏搖力矩計(jì)算結(jié)果分別為372 kN、1 719 kN 和 134 834 kN·m。

3 碼頭系泊分析

FPSO 和駁船系泊在碼頭邊，由橡膠護(hù)舷和系泊纜約束，它們對(duì)FPSO 和駁船的約束均是非線性的；碼頭系泊分析采用MOSES 軟件的非線性時(shí)域耦合和準(zhǔn)靜態(tài)分析方法求解。碼頭系泊分析中，系泊纜的最大預(yù)張力設(shè)為纜繩許用拉力的10%。為了控制FPSO 上的帶纜樁數(shù)量和系泊纜繩直徑，以控制FPSO 船體和系泊纜繩的自重質(zhì)量，采用了在FPSO 的某些帶纜樁上同時(shí)系泊兩根纜繩的設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)圖1）。

本文僅闡述兩種典型的碼頭系泊分析工況：FPSO 在碼頭A 系泊的百年一遇臺(tái)風(fēng)工況和FPSO在碼頭D 系泊的正常作業(yè)工況。FPSO 在碼頭A 系泊的百年一遇臺(tái)風(fēng)工況是確定系泊纜和碰墊設(shè)計(jì)選型的控制性工況，其分析模型見(jiàn)圖5（a）；駁船B1 和駁船B2 串聯(lián)系泊于FPSO 右舷的供應(yīng)船靠泊區(qū)[5]。FPSO 在碼頭D 系泊的正常作業(yè)工況要保證碼頭舾裝起重機(jī)的作業(yè)空間和效率，盡量減少FPSO 中部的系泊纜數(shù)量，其分析模型見(jiàn)圖5（b）；駁船B3 位于FPSO 船尾，此處為了系泊安全，在FPSO 舷側(cè)特設(shè)臨時(shí)橡膠護(hù)舷，并對(duì)FPSO 舷側(cè)結(jié)構(gòu)做加強(qiáng)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖6。

圖5 FPSO 系泊碼頭分析模型

圖6 FPSO 船尾碼頭系泊布置

FPSO 碼頭系泊分析主要結(jié)論見(jiàn)表7，F(xiàn)PSO 與碼頭、駁船連接的系泊纜主要參數(shù)見(jiàn)表8。所有系泊纜的安全系數(shù)滿足OCIMF 規(guī)范要求[10]。

FPSO 船體詳細(xì)設(shè)計(jì)在左、右舷外凸臺(tái)上分別設(shè)30 個(gè)和48 個(gè)帶纜樁，帶纜樁的許用拉力為2 234 kN；FPSO 甲板舷邊共設(shè)8 個(gè)導(dǎo)纜孔，導(dǎo)纜孔的許用拉力為980 kN；FPSO 舷外凸臺(tái)和帶纜樁、導(dǎo)纜孔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果分別見(jiàn)圖7、圖8。FPSO 船尾舷側(cè)與駁船B3 之間的最大碰撞力為1 699 kN，此處橡膠護(hù)舷的許用碰撞力為1 896kN；FPSO 船尾舷側(cè)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)圖9。

表7 FPSO 碼頭系泊分析主要結(jié)論

表8 FPSO 與碼頭、駁船連接的系泊纜主要參數(shù)

圖7 FPSO 舷外凸臺(tái)和帶纜樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

圖8 FPSO 帶纜樁和導(dǎo)纜孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

圖9 FPSO 船尾舷側(cè)局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

此外，F(xiàn)PSO 船底與海底的間隙、駁船船體及系泊設(shè)備強(qiáng)度、駁船B1 與駁船B2 之間的碰墊強(qiáng)度、駁船與碼頭碰墊的高度差等校核結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

超大型FPSO 碼頭系泊設(shè)計(jì)分析是詳細(xì)設(shè)計(jì)的重要工作。FPSO 的模型風(fēng)洞試驗(yàn)確保了風(fēng)、流荷載計(jì)算的準(zhǔn)確性。過(guò)往船舶的船行波對(duì)FPSO 碼頭系泊安全會(huì)產(chǎn)生不利的影響，應(yīng)在碼頭規(guī)劃和建設(shè)以及碼頭系泊設(shè)計(jì)時(shí)考慮此因素。FPSO 碼頭系泊設(shè)計(jì)分析為FPSO 系泊結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)計(jì)、總裝碼頭規(guī)劃和建設(shè)以及系泊作業(yè)安全提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。