30萬(wàn)t FPSO船體碼頭抗臺(tái)系泊設(shè)計(jì)

劉俊紅，趙魏，崔秀達(dá)

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

30萬(wàn)t FPSO作為海上油田系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)施，受到越來(lái)越多關(guān)注，正在批量建造。外高橋地區(qū)在臺(tái)風(fēng)季節(jié)風(fēng)力較大[1]，而FPSO在碼頭舾裝的周期長(zhǎng)，形成系列船批量建造后，難免會(huì)遇到臺(tái)風(fēng)天氣，風(fēng)速大，如果系泊采用過(guò)多的纜繩則會(huì)增加FPSO的工程成本和系泊作業(yè)，影響碼頭的物流和吊車作業(yè)，影響FPSO的工程進(jìn)度。因此，F(xiàn)PSO的碼頭系泊作業(yè)既要保證安全，又不能冗余過(guò)多，有必要對(duì)碼頭系泊方案進(jìn)行詳細(xì)分析，以得到合理的系泊布置方式。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某30萬(wàn)t FPSO的主尺度見表1。

表1 30萬(wàn)t FPSO主尺度

1.1 環(huán)境條件

FPSO碼頭系泊主要承受風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷，環(huán)境條件參考了港口碼頭的水文、氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]。按照OCIMF要求，F(xiàn)PSO正常舾裝時(shí)，遭遇的風(fēng)速為八級(jí)風(fēng)，18 m/s，而在臺(tái)風(fēng)條件下，遭遇12級(jí)臺(tái)風(fēng)，風(fēng)速為30.87 m/s，最大流速3 kn。具體風(fēng)、流環(huán)境條件見表2。

表2 環(huán)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(guān)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(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)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(shù)為3倍。

1.3 碼頭護(hù)舷

在船舶的碰撞擠壓下，護(hù)舷的結(jié)構(gòu)通常發(fā)生大變形以起到緩沖作用。護(hù)舷的結(jié)構(gòu)形式和舷側(cè)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與布置直接關(guān)系到船舶的安全[4]。碼頭前沿采用超高支持力的護(hù)舷，性能參數(shù)見表3。

表3 護(hù)舷參數(shù)

1.4 帶纜樁

碼頭布置SWL 1 500 kN以及SWL 2 000 kN的帶纜樁，F(xiàn)PSO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(tái)風(fēng)工況下帶抗臺(tái)橫纜。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 碼頭系泊基本原則

參考油輪等常規(guī)船舶，按照OCIMF[5]的碼頭系泊基本原則。

1)系泊纜的布置應(yīng)盡量關(guān)于船腫剖面對(duì)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(zhǎng)度一致。

2.2 正常舾裝工況碼頭系泊方案

30萬(wàn)t FPSO船碼頭系泊時(shí)，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(jié)構(gòu)，加上碼頭前沿可用長(zhǎng)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(shí)工況碼頭系泊布置

對(duì)于系泊方案的初步校核，其主要標(biāo)準(zhǔn)是在只考慮風(fēng)載荷、流載荷的情況下，進(jìn)行系泊系統(tǒng)的靜力平衡計(jì)算。計(jì)算結(jié)果中，所有系泊纜繩的張力值必須滿足系泊纜繩本身的強(qiáng)度安全系數(shù)要求(OCIMF規(guī)定系泊纜繩能夠讓船舶在60 kn風(fēng)速下系泊，并且任何一根合成纜繩上的最大張力不能超過(guò)纜繩最大破斷負(fù)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(yīng)不低于纜繩的系泊張力。

2.3 臺(tái)風(fēng)工況碼頭系泊方案

為增強(qiáng)系泊方案抵御臺(tái)風(fēng)期間惡劣環(huán)境條件的能力，結(jié)合FPSO同碼頭帶纜樁布置的實(shí)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(shè)防臺(tái)風(fēng)橫向纜繩。

臺(tái)風(fēng)期間碼頭吊車停泊于錨點(diǎn)，因此，在常規(guī)工況系泊布置的基礎(chǔ)上增加7#、8#、9#、10#、15#、16#、18#、19#防風(fēng)橫繩。布置角度盡可能垂直碼頭，承受主要的橫向載荷，詳細(xì)布置見圖2。

3 系泊方案分析

3.1 模擬模型

使用BV同MCS(當(dāng)前為WoodGroup旗下公司)合作推出的系泊分析軟件Ariane8進(jìn)行系泊模擬計(jì)算，船體特性和型線都包含在內(nèi)。應(yīng)用恒定環(huán)境進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算FPSO碼頭舾裝時(shí)吃水5 m。建立三維模型見圖3。

圖2 臺(tái)風(fēng)工況碼頭系泊布置

3.2 坐標(biāo)定義

建立本地和全局坐標(biāo)2個(gè)坐標(biāo)體系,見圖4。本地坐標(biāo)附著FPSO本身，原點(diǎn)在縱軸船中位置，朝船艏為正，橫軸朝右舷為正。全局坐標(biāo)，艏向定義在原點(diǎn)，環(huán)境載荷以及艏向沿著縱軸布置，風(fēng)浪、風(fēng)、流的角度按照順時(shí)針?lè)较蜻x取。

圖3 Ariane8軟件模擬計(jì)算模型

圖4 坐標(biāo)定義

3.3 風(fēng)載荷計(jì)算

根據(jù)FPSO總布置圖定義其外輪廓，見圖5。將幾何圖形導(dǎo)入AutoCAD中直接得到對(duì)應(yīng)的面積值。

圖5 FPSO 外輪廓

根據(jù)OCIMF中的公式，由ARIANE8計(jì)算得出FPSO水下部分的橫向風(fēng)載荷和縱向風(fēng)載荷。

(1)

式中：Fxw為縱向風(fēng)載荷；Fyw為橫向風(fēng)載荷；ρa(bǔ)ir為空氣密度 (0.001 2 t/m3),Vw為風(fēng)速；Af和Al分別為迎面和側(cè)面受風(fēng)面積。

從OCIMF中得出風(fēng)阻力系數(shù)，計(jì)算得到碼頭系泊狀態(tài)下最大受風(fēng)載荷，見表4。

表4 最大所受風(fēng)載荷 kN

3.4 流載荷計(jì)算

FPSO水下部分，按照OCIFM中計(jì)算公式, 由ARIANE8計(jì)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(zhǎng)；T為碼頭系泊時(shí)FPSO吃水。

碼頭系泊時(shí)FPSO的流面積見表5。

表5 流面積 m2

從OCIMF中得出流阻力系數(shù)，計(jì)算得到碼頭系泊狀態(tài)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(jì)算結(jié)果

系泊纜繩受力計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 每根纜繩的最大張力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，纜繩、纜樁強(qiáng)度均滿足安全系數(shù)要求，系泊方案滿足設(shè)計(jì)要求。

3.6 臺(tái)風(fēng)工況碼頭系泊方案計(jì)算結(jié)果

為了增加抗臺(tái)橫纜布置，F(xiàn)PSO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(shí)工況轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)風(fēng)工況布置，同時(shí)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(jì)算結(jié)果見表8。計(jì)算結(jié)果表明，纜繩、纜樁強(qiáng)度均滿足安全系數(shù)要求，系泊方案滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)分析，在外板系泊眼板上增加防風(fēng)橫纜的碼頭抗臺(tái)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(yùn)輸及吊車正常通行作業(yè)，還可避免碼頭系泊設(shè)計(jì)冗余過(guò)多。

4 結(jié)論

對(duì)于常規(guī)工況，頭纜+尾纜+倒纜的系泊方式就能滿足平時(shí)工況的系泊要求，在此基礎(chǔ)上，在船體外板額外增加系泊眼板帶防風(fēng)橫纜的碼頭系泊方式可簡(jiǎn)單、快速的解決臺(tái)風(fēng)工況的碼頭系泊安全問(wèn)題。