李艷貞 劉生法

摘? ? 要：系泊油船的魚尾運(yùn)動(dòng)是懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)（CALM）的特性，劇烈的魚尾運(yùn)動(dòng)有可能對(duì)CALM系統(tǒng)造成破壞。為提高CALM系統(tǒng)的安全性，應(yīng)用水動(dòng)力分析軟件OcraFlex對(duì)某CALM系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力仿真計(jì)算，研究了系泊纜的長(zhǎng)度和風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷對(duì)CALM系統(tǒng)系泊船體魚尾運(yùn)動(dòng)的影響，并提出了減輕船體魚尾運(yùn)動(dòng)的措施，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng);魚尾運(yùn)動(dòng);水動(dòng)力分析;OcraFlex

中圖分類號(hào)：P751? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：? The fishtail motion of the tanker is the characteristic of the catenary anchor leg mooring system （CALM）. Severe fishtail motion may cause damage to the CALM system. Numerical simulation is made for CALM by using the hydrodynamic analysis software OcraFlex， and the influence of mooring cable length and the wind， flow and waves loads on the movement of the tanker moored to the CALM system is studied. The measures to reduce the fishtail motion of the tanker are proposed. It has certain significance to practical engineering application.

Key words： Catenary Anchor Leg Mooring （CALM）;? Fishtail motion;? Hydrodynamic analysis;? OcraFlex

1? ? ?引言

魚尾運(yùn)動(dòng)是懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)（CALM）船體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)顯著特征，在風(fēng)浪流的聯(lián)合作用下，系泊船只會(huì)偏離系泊平衡位置，繞系泊浮筒做魚尾狀擺動(dòng)。過于劇烈的魚尾運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)造成系泊船只的運(yùn)動(dòng)幅度過大，還會(huì)造成系泊纜和系泊錨鏈?zhǔn)芰^大，發(fā)生斷纜或斷鏈的危險(xiǎn)情況，因此，研究CALM系統(tǒng)中船體的魚尾運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象及其影響要素并采取有效的控制措施，是CALM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

針對(duì)CALM系統(tǒng)船體魚尾運(yùn)動(dòng)的研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了一些工作。黃國(guó)梁[1]等對(duì)單點(diǎn)系泊船體在風(fēng)和潮流作用下魚尾運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究;張大朋[2]等通過改變風(fēng)、浪、流的參數(shù)，對(duì)單點(diǎn)系泊船體在風(fēng)、浪、流作用下的魚尾狀擺動(dòng)現(xiàn)象以及纜索張力的變化情況進(jìn)行特性分析;周楠[3]等分析了CALM系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要關(guān)注的重點(diǎn)，并提出了船體魚尾運(yùn)動(dòng)的解決方案;陳少華[4]等對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)在風(fēng)向角、風(fēng)速、流速、纜繩長(zhǎng)度等參數(shù)變化時(shí)的規(guī)律及其平衡狀態(tài)進(jìn)行了一系列的分析;Aghamohammadi F. [5]- [7]等對(duì)單點(diǎn)系泊船只的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。

該文以某系泊30萬噸級(jí)油船的CALM系統(tǒng)為例，對(duì)不同工況下的CALM系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了不同系泊纜的長(zhǎng)度和風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)船體魚尾運(yùn)動(dòng)的影響，并提出了減輕船體魚尾運(yùn)動(dòng)的措施。

2? ? 懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)

單點(diǎn)系泊，是指海洋工程結(jié)構(gòu)物通過單點(diǎn)形式系泊在另一個(gè)結(jié)構(gòu)物上，海洋工程結(jié)構(gòu)物圍繞該結(jié)構(gòu)物可以隨環(huán)境載荷作360°回轉(zhuǎn)，由于風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，被系泊海洋工程結(jié)構(gòu)物將會(huì)停泊在環(huán)境載荷最小的方位上。

懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊裝置（如圖1）是最早出現(xiàn)的一種單點(diǎn)系泊型式，也是單點(diǎn)系泊裝置中應(yīng)用數(shù)量最多的一種。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界有400多套懸鏈腿式單點(diǎn)系泊輸油終端。它采用一個(gè)大直徑的圓柱形浮筒作為單點(diǎn)中心，通過多條懸鏈?zhǔn)藉^鏈腿固定于海底，浮筒上方裝有可360°旋轉(zhuǎn)的軸承轉(zhuǎn)臺(tái)，在環(huán)境載荷的作用下，油船能圍繞浮筒漂移、轉(zhuǎn)動(dòng)，使之處在最小的受力位置上。

3? ? CALM系統(tǒng)主要參數(shù)

該文以某CALM系統(tǒng)為研究對(duì)象：該系統(tǒng)可系泊300000 DWT級(jí)超大型油船;系泊海域水深為26.5 m;系泊油船總長(zhǎng)為334.5 m、型寬為60.0 m、型深為31.2 m、滿載吃水為22.5 m。

300000 DWT級(jí)油船通過兩根系泊纜與浮筒連接，浮筒通過6根系泊鏈固定于海底;系泊纜繩為雙層編織尼龍纜，直徑120 mm、破斷強(qiáng)度為5 181 kN;系泊鏈為R3級(jí)無檔系泊鏈，直徑105 mm、總長(zhǎng)約350 m、破斷強(qiáng)度8 753 kN。

4? ? 魚尾運(yùn)動(dòng)數(shù)值研究

采用三維水動(dòng)力計(jì)算程序OcraFlex對(duì)各工況下的CALM系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，得到系泊油船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊纜和錨鏈的張力響應(yīng)。計(jì)算中風(fēng)載荷采用API風(fēng)譜、波浪譜采用適用于淺水海域的JONSWAP譜、流載荷采用定常流。

4.1? ?坐標(biāo)系及環(huán)境載荷方向

計(jì)算中所使用的全局坐標(biāo)系符合右手法則：X軸指向船首為正，Y軸指向左舷為正，Z軸向上為正;環(huán)境載荷角度范圍為0°～360°：沿X軸正向?yàn)?°（或360°）環(huán)境載荷方向，沿X軸負(fù)向?yàn)?80° 環(huán)境載荷方向;環(huán)境載荷方向以0°載荷方向?yàn)槠鹗挤较?，逆時(shí)針為正，如圖2所示。

4.2? ?計(jì)算工況

本文共選用了14種工況（見表1）：其中工況A1～A3研究了系泊系統(tǒng)在不同的系泊纜長(zhǎng)度下的響應(yīng);工況B1～B3研究了系泊系統(tǒng)在風(fēng)、浪、流單獨(dú)作用下的響應(yīng);工況C1～C3研究了系泊系統(tǒng)在不同流速作用下的響應(yīng);工況D1～D3在油船尾部施加不同拖輪力后系泊系統(tǒng)的響應(yīng);工況E1～E3在油船尾部懸掛不同重量的重塊后系泊系統(tǒng)的響應(yīng)。

4.3? ?計(jì)算結(jié)果及分析

見表2。

（1）由工況A1～A3的計(jì)算結(jié)果可知，隨著系泊纜長(zhǎng)度的增加，系泊纜和錨鏈張力逐漸增大，油船運(yùn)動(dòng)幅度也逐漸增大。因此在理論上，較短的系泊纜能有效控制油船的魚尾運(yùn)動(dòng)幅度，但在實(shí)際應(yīng)用中系泊纜越短油船越容易與浮筒發(fā)生碰撞，故系泊纜長(zhǎng)度的選擇要兼顧各種因素;

（2）由工況B1～B3的計(jì)算結(jié)果可知，在油船滿載的情況下，流單獨(dú)作用時(shí)系泊系統(tǒng)的響應(yīng)最大，因此流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響最大，且流是引起魚尾運(yùn)動(dòng)的主要因素，這是因?yàn)橛痛瑵M載時(shí)水下面積較大;

（3）由工況C1～C3的計(jì)算結(jié)果可知，系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)流速非常敏感，隨著流速的逐漸降低，系泊纜和錨鏈的張力急速下降，油船的位移也大幅降低，而當(dāng)流速降低至一定值時(shí)，系統(tǒng)的魚尾運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)隨之消失;

（4）由工況D1～D3的計(jì)算結(jié)果可知，由于油船尾部加了拖輪力，油船的魚尾運(yùn)動(dòng)得到了控制，系泊纜和錨鏈的張力均大幅降低。拖輪力越大，魚尾運(yùn)動(dòng)控制得越好，可見施加拖輪力可有效控制魚尾運(yùn)動(dòng);

（5）由工況E1～E3的計(jì)算結(jié)果可知，在油船尾部加了阻尼錨，由于阻尼錨的自重和與海底的摩擦力，油船的運(yùn)動(dòng)阻尼有所增加，魚尾運(yùn)動(dòng)得到了控制。阻尼錨越大，魚尾運(yùn)動(dòng)控制得越好，可見阻尼錨也可有效控制魚尾運(yùn)動(dòng)。

5? ? 魚尾運(yùn)動(dòng)控制措施

根據(jù)以上分析和研究，懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)容易出現(xiàn)船體魚尾運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)給系統(tǒng)帶來巨大的危險(xiǎn)性。為了消除或降低魚尾運(yùn)動(dòng)幅度，提出以下解決方案：

（1）在兼顧系統(tǒng)的彈性、安全性的情況下，盡可能選擇較短的系泊纜，來控制油船產(chǎn)生大幅度的魚尾運(yùn)動(dòng)，減小系泊纜和錨鏈的張力;

（2）在油船作業(yè)時(shí)要實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境條件的變化，超過臨界條件立即撤離;

（3）在油船尾部施加拖輪力，以防船體出現(xiàn)巨幅偏擺，控制系統(tǒng)受力，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生;

（4）增加油船的運(yùn)動(dòng)阻尼，把首搖控制在合理的范圍之內(nèi)，例如在油船尾部懸掛一拖地的阻尼錨。

6? ? 結(jié)論

通過采用系泊分析軟件OcraFlex對(duì)300000 DWT級(jí)懸鏈?zhǔn)絾吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)進(jìn)行水動(dòng)力仿真計(jì)算，研究了系泊纜的長(zhǎng)度和風(fēng)、浪、流環(huán)境載荷等因素對(duì)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)船體魚尾運(yùn)動(dòng)的影響，得到了以下結(jié)論：

（1）隨著系泊纜長(zhǎng)度的增加，油船魚尾運(yùn)動(dòng)幅度也逐漸增大，系泊纜和錨鏈張力也隨之增大;

（2）在油船滿載的情況下，流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響最大，是引起船體魚尾運(yùn)動(dòng)的主要因素;隨著流速的逐漸降低，系統(tǒng)的響應(yīng)大幅降低，而當(dāng)流速降低至一定值時(shí)，系統(tǒng)的魚尾運(yùn)動(dòng)也會(huì)隨之消失;

（3）控制船舶的魚尾運(yùn)動(dòng)能有效降低系統(tǒng)的響應(yīng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性，可采取適當(dāng)縮短系泊纜、在尾部施加拖輪力以及增加油船運(yùn)動(dòng)阻尼的方法控制魚尾運(yùn)動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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