吳建成

(交通運輸部廣州打撈局，廣東 廣州 510260)

兩船旁靠的作業(yè)方式常應用于海上補給、模塊吊運、物料轉運、FPSO或FLNG與穿梭油輪之間油氣卸載等實際海上操作問題，兩船往往通過若干旁靠系泊纜連接在一起，同時設置護舷設備保持船舶之間的一定間隙以防止碰撞。

目前，國內(nèi)外學者均有針對兩船旁靠作業(yè)方面的理論和試驗研究。Koo和Kim[1]2005年采用時域耦合方法研究了兩船在旁靠卸載作業(yè)時，水動力參數(shù)對運動響應的影響；Kashiwagia等[2]2005年采用高階面元法對FPSO與LNG之間的水動力干擾問題進行分析，重點研究了兩船旁靠作業(yè)時的二階波浪慢漂力和力矩分布特點，同時對比驗證了不同的積分方法在求解波浪作用力的準確性；金海豐等[3]2018年采用ARIANE軟件分析計算了挖泥船與泥駁旁靠裝駁作業(yè)時，旁靠系泊系統(tǒng)的受力在不同環(huán)境力作用下的變化情況；單鐵兵等[4]2017年基于準動態(tài)分析方法對兩船旁靠作業(yè)時的水動力擾動、旁靠纜繩受力、護舷的擠壓力進行了理論研究；Huang等[5]2018年采用三維勢流理論對生活居住平臺和FPSO旁靠時gangway附近的動態(tài)響應進行了數(shù)值計算，研究了兩平臺的水動力干擾對六自由度運動的影響，并通過模型試驗進行驗證，計算結果與模型試驗存在一定偏差；Zhao等[6]2018年分析了兩船間隙對旁靠作業(yè)水動力性能的影響，研究表明一旦兩船間隙中的水體發(fā)生共振，將持續(xù)較長時間而不易消散，且對入射波浪的頻率較為敏感，同時還給出了可供勢流計算參考的間隙內(nèi)水面衰減系數(shù)。

船舶旁靠作業(yè)屬于典型的多浮體耦合問題，涉及了旁靠連接系統(tǒng)與船體的相互作用、水動力干擾、遮蔽效應、各船之間的縫隙內(nèi)水體共振等強非線性效應，理論研究存在諸多假設，數(shù)值計算結果的可信度還有待進一步驗證，水池模型試驗可相對準確反映出上述強非線性耦合作用，結果更為合理。趙文華等[7]和Zhao等[8]采用水池模型試驗技術對FLNG與LNG旁靠作業(yè)的水動力性能、船體與旁靠系統(tǒng)之間的耦合作用進行了研究；Pessoa等[9]2016年采用數(shù)值計算與模型試驗相結合的方法對FLNG與LNG旁靠系泊狀態(tài)下的一階波頻與二階低頻運動進行了分析，并研究兩船之間的相對運動、系泊纜載荷等參數(shù)對作業(yè)窗口期的影響， 研究結果表明，二階低頻載荷對旁靠運動性能的影響不能被忽略。

三船旁靠系泊作業(yè)所涉及的強非線性效應、蘊含的作用機理比兩船情況更為復雜，相比理論計算，模型試驗可獲得更為準確的預報結果。以2艘千噸級的供應船旁靠17萬噸級浮式平臺進行輸油和吊裝作業(yè)為研究對象，開展水池模型試驗研究，其中浮式平臺通過輻射狀系泊纜進行定位，2艘供應船依次旁靠在平臺的艏部及艉部，并通過旁靠系纜設備與浮式平臺連接，針對旁靠纜繩的張力、護舷的擠壓力、各船體的絕對和相對運動特征隨環(huán)境參數(shù)變化的特點進行詳細的分析，獲得了相關結論，同時確定了適合三船旁靠作業(yè)的海況條件，為實際的工程操作提供參考。

1 船體參數(shù)

以一艘浮式平臺和兩艘尺度不一的供應船為研究對象。浮式平臺總長約292 m，型寬50 m，型深22 m，吃水12 m，滿載排水量17萬余噸，采用多點系泊進行定位；1號供應船總長約為122 m，型寬為22 m，型深12 m，吃水7 m，排水量約為9 500 t；2號供應船總長約為113 m，型寬約20 m，型深9.8 m，吃水約3.9 m，排水量約為6 300 t。實船與模型的縮尺比均為64，具體的船型參數(shù)如表1所示，浮式平臺和供應船的試驗模型如圖1所示。

圖1 浮式平臺和供應船的試驗模型Fig. 1 Test models of floating structure and supply vessels

表1 浮式平臺與供應船的主尺度參數(shù)
Tab. 1 Main dimensions of floating structure and supply vessels

名稱浮式平臺(實型值)浮式平臺(模型值)1號供應船(實型值)1號供應船(模型值)2號供應船(實型值)2號供應船(模型值)總長/m292.154.174 121.80 1.740112.91 1.613型寬/m54.00.771 22.05 0.31520.30 0.290型深/m220.314 12.25 0.1759.80 0.140吃水/m120.171 7.00 0.1003.85 0.055排水量/t～172 0000.490 9 4930.0276 3280.018

2 定位系統(tǒng)

系泊系統(tǒng)是控制海上浮式結構物漂移的重要設備，該浮式平臺采用16點系泊系統(tǒng)進行定位，分別布置于平臺的艏部及艉部，由定位絞車、導纜器、系泊纜以及定位錨組成，如圖2所示。絞車實現(xiàn)系泊纜的收放及剎車定位，導鏈器可沿軸向旋轉以滿足不同拋錨角度的需求，定位錨楔入泥土提供抓持力。

圖2 系泊定位系統(tǒng)的組成Fig. 2 Composition of positioning mooring system

圖3 浮式平臺輻射狀系泊系統(tǒng)Fig. 3 Spreading mooring system of floating structure

系泊系統(tǒng)包括16根系泊纜，單根系泊纜由頂端鋼絲繩和底部錨鏈組成。通過下列方式可提高系泊系統(tǒng)整體的抗風浪能力：

1)頂部鋼絲繩選用螺旋股的插接方式可提高軸向剛度，R4級高規(guī)格的有檔海工錨鏈作為底部系泊纜，既可以增加系泊系統(tǒng)的回復力，提高破斷負荷，又能防止纜繩與海床發(fā)生摩擦而導致壽命大幅降低；

2)鋼絲繩與錨鏈所選的破斷負荷相當，使兩者的安全系數(shù)接近。

同時，相鄰系泊纜的夾角為4°，呈輻射狀布置，如圖3所示。拋出長度約為3 600 m，其中鋼絲繩長度3 200 m，底部的錨鏈長度400 m。

3 旁靠連接系統(tǒng)

兩艘供應船均旁靠于浮式平臺的一側、1號供應船和2號供應船各通過12根旁靠纜繩連接，同時在每個供應船與浮式平臺之間放置4個彈性護舷。

1號供應船位于浮式平臺的艏部，從艉部開始編號，分為艉纜4根F1-1～F1-4，艉倒纜2根F1-5～F1-6，首倒纜2根F1-7～F1-8，艏纜4根F1-9～F1-12，如圖4所示。護舷由艉部開始編號，分別為艉部護舷P1-1，中后部護舷P1-2，中前部護舷P1-3以及前部護舷P1-4。

2號供應船位于浮式平臺的艉部，與1號供應船類似，旁靠纜繩從艉部開始依次編號至艏部，即F2-1～F2-12。護舷由艉部開始依次編號至艏部，即P2-1～P2-4，如圖5所示。

前后兩艘供應船布置時，應盡可能保持較遠的距離，以避免兩船運動過程中發(fā)生碰撞。同時確保1號供應船的艏部旁靠纜繩與浮式平臺的艏部錨泊定位纜繩不出現(xiàn)干涉，1號供應船與2號供應船的交叉纜繩不發(fā)生剮蹭。

圖4 浮式平臺與1號供應船的旁靠系統(tǒng)布置示意Fig. 4 Arrangement of side-by-side mooring system between floating structure and supply vessel no. 1

圖5 浮式平臺與2號供應船的旁靠系統(tǒng)布置示意Fig. 5 Arrangement of side-by-side mooring system between floating structure and supply vessel no. 2

旁靠系泊纜在浮式平臺、供應船1和供應船2上的系纜點坐標如表2所示，其中，坐標系原點分別位于各自船尾基線處，x、y、z分別以船艏、左舷和垂直朝上為正。

圖6 浮式平臺與供應船的旁靠試驗Fig. 6 Model test of side-by-side mooring between floating structure and supply vessels

浮式平臺與兩供應船的旁靠試驗如圖6所示。各船上均安裝了非接觸式6自由度運動采集系統(tǒng)，以測量每條船的運動響應；拉力傳感器設置在每根纜繩的端部，測量系泊纜繩上所受的張力；在船體一側設置壓力傳感器，以測量各護舷所受的擠壓力。

旁靠帶纜選用彈性較好的纖維纜繩，其受力隨纜繩的伸長呈非線性變化，如圖7所示，當伸長率(dL/L)從0%增加到12%時，纜繩張力基本呈線性變化，一旦纜繩繼續(xù)拉伸，其張力急劇增大，在伸長僅達到總長的20%時，張力達到了100%，纜繩隨即發(fā)生破斷。該纜繩的破斷負荷選為3 500 kN，預張力取350 kN，各纜繩的總長均為30 m，根據(jù)預張力的大小來調整拋出長度。圖8為旁靠系泊纜所采用的試驗模型。

表2 多船旁靠系纜點坐標Tab. 2 Coordinates of mooring line with side-by-side mooring

圖7 旁靠系泊纜的模擬曲線Fig. 7 Simulation curve of side-by-side mooring lines

圖8 旁靠的系泊纜模型Fig. 8 Model of side-by-side mooring lines

護舷選擇旁靠作業(yè)時常用的充氣式橡膠護舷，實物如圖9所示，其直徑選為3.3 m，當達到60%壓縮量時，護舷提供的反力為3 015 kN。采取兩種不同規(guī)格的壓簧來精確模擬護舷的非線性特征，壓簧底部有壓力傳感器測量護舷上的載荷，旁靠護舷的試驗模型、變形量與設計反力的關系曲線分別如圖10和圖11所示。

圖9 旁靠護舷的實物圖Fig. 9 Full-scale model of fenders

圖10 供應船與浮式平臺之間的護舷模擬Fig. 10 Simulation for fenders between supply vessel and floating structure

圖11 旁靠護舷的變形量與設計反力的關系曲線Fig. 11 Relation curve of fender deformation and design reaction force

兩供應船護舷設備的坐標如表3所示，坐標系原點置于供應船船尾基線處，x、y、z分別以船艏、左舷和垂直朝上為正。

表3 供應船的護舷坐標Tab. 3 Coordinates of fender with supply vessels

4 規(guī)范衡準

BV船級社的NR493規(guī)范[10]規(guī)定，纖維纜的安全系數(shù)不低于1.84，由此可知，纜繩的最大負荷應小于1 902 kN；護舷所受的擠壓量不應超過其直徑的60%，因此，護舷所受的反作用力應小于3 015 kN。

5 環(huán)境條件

浮式平臺與兩供應船之間旁靠作業(yè)選取的海況環(huán)境條件如表4所示，隨機波浪的頻譜選為Jonswap譜，風浪流定義為同向作用于船體之上，旁靠帶纜的設計趨于保守，選用3種環(huán)境條件，以研究船體之間的相對運動、帶纜張力等參數(shù)隨環(huán)境條件的變化特性，同時確定該旁靠帶纜設備的設計上限。

表4 海洋環(huán)境條件(實際值)Tab. 4 Environmental conditions (full-scale)

圖12顯示的是有效波高為3.5 m和1.5 m時，不規(guī)則波的水池模擬曲線。分析可知，有效波高為3.5 m時，其波浪譜密度曲線的峰值是有效波高為1.5 m時的5倍多，因此，波浪能量隨有效波高的增加呈非線性增大趨勢，對旁靠系泊船只的作業(yè)窗口期影響越來越明顯。

圖12 不規(guī)則波的水池模擬結果Fig. 12 Simulation results of random wave in wave tank

6 試驗結果及分析

6.1 靜水衰減試驗

在模型試驗池中對各船開展靜水衰減試驗，以確定固有周期。其步驟為：試驗前先將模型系上系泊纜，然后將預張力調整到目標值，最后將船沿垂蕩、橫搖以及縱搖方向施加一作用力，使其偏移一段距離或旋轉一角度后，迅速松開，開展靜水衰減試驗，相應的結果如表5所示。

表5 靜水衰減試驗結果(固有周期)Tab. 5 Results of decay test (natural period)

6.2 旁靠纜繩的受力特征

圖13～15顯示的是不同海況、不同浪向角條件下，各旁靠纜繩的受力情況。由圖分析可知：

1)無論是1號供應船還是2號供應船，各纜繩的張力均隨有效波高的增大而增大。在高海況條件下，橫浪對旁靠纜繩的張力影響最大，尤其以艏纜和艉纜最為突出，比如，有效波高為3.5 m時，1號供應船的艏纜F1-9張力值約為1 000 kN，而2號供應船的艉纜F2-4和艏纜F2-9的張力更是達到了2 500 kN和3 500 kN，安全系數(shù)分別為1.21和0.86，已經(jīng)遠超規(guī)范要求的衡準值，艏纜甚至已經(jīng)發(fā)生斷裂，當海況環(huán)境逐漸降低時，各浪向角下的纜繩張力差異逐漸縮小，有效波高為1.5 m時，各浪向角下的纜繩張力較為接近。其原因為：高海況下，相比其它角度，橫浪時，作用于船體上的波浪載荷、流載荷更大，導致船體的運動響應更為明顯；而低海況時，如上一節(jié)分析可知，波浪譜密度峰值迅速下降，波能較小，因此浪向角對旁靠纜繩的受力影響較小。

圖13 各來流角度下纜繩的受力分布情況(Case1海況)Fig. 13 Distributions of line tensions from #1 to #12 in different incidence wave directions (Case1)

圖14 各來流角度下纜繩的受力分布情況 (Case2海況)Fig. 14 Distributions of line tensions from #1 to #12 in different incidence wave directions (Case2)

圖15 各來流角度下纜繩的受力分布情況 (Case3海況)Fig. 15 Distributions of line tensions from #1 to #12 in different incidence wave directions (Case3)

2)對于1號供應船，張力較大的纜繩多集中在艏纜及艉倒纜附近，而2號供應船，張力較大的纜繩位置發(fā)生在艏纜及艉纜附近，在實際工程作業(yè)時，可通過增加纜繩長度、減小預張力以降低纜繩的張力。

3)同一工況下，相比1號供應船，2號供應船的旁靠纜繩張力普遍更大，說明2號供應船受環(huán)境條件的影響，尤其是波浪的影響更為敏感，其原因可能是2號船的排水量更小，響應更劇烈，從而引起纜繩張力增大。

4)從纜繩所受張力分析可知，有效波高為3.5 m時，部分纜繩的拉力已經(jīng)超過了規(guī)范的衡準限制，其安全系數(shù)已經(jīng)不滿足要求；有效波高不大于2.5 m時，纜繩的張力均在合理范圍內(nèi)，1號供應船旁靠纜繩的最小安全系數(shù)為5.2，2號供應船旁靠纜繩的最小安全系數(shù)為4.1，滿足規(guī)范要求。

6.3 旁靠護舷的擠壓特征

圖16～18顯示的是不同浪向角下，各護舷的受力情況。

圖16 各來流角度下，不同的護舷受力情況(Case1)Fig. 16 Fender force in different incidence wave directions (Case1)

圖17 各來流角度下，不同的護舷受力情況(Case2)Fig. 17 Fender force in different incidence wave directions (Case2)

圖18 各來流角度下，不同的護舷受力情況(Case3)Fig. 18 Fender force in different incidence wave directions (Case3)

從圖中可以看出：

1)一般而言，兩供應船旁靠護舷的擠壓力均受波浪角度的影響，180°艏迎浪時，護舷的擠壓力最小，隨著浪向角由艏迎浪逐漸變?yōu)闄M浪時，護舷的擠壓力也隨之增大，在270°橫浪時護舷擠壓力達到最大。

2)有效波高為3.5 m時，兩船的部分護舷擠壓力已經(jīng)遠遠超過了護舷的受力極限；當有效波高降低至2.5 m時，1號和2號供應船的護舷最大受力分別為1 550 kN、1 850 kN，均在護舷許可范圍內(nèi)。

3)相比1號供應船，2號供應船的護舷擠壓力更明顯。

6.4 各船體的運動特征

浮式平臺與供應船旁靠作業(yè)時，相互之間靠的很近，很容易發(fā)生碰撞，各自的運動響應及之間的相對運動圖需予以重點關注。圖19～21顯示的是不同海況條件下，各船體的最大運動幅值。

圖19 不同海況條件下，三船艏迎浪(180°)時的六自由度最大運動Fig. 19 Max motion response of 6DOF in 180° for different wave conditions

圖20 不同海況條件下，三船艏斜浪(225°)時的六自由度最大運動Fig. 20 Max motion response of 6DOF in 225° for different wave conditions

圖21 不同海況條件下，三船橫浪(270°)時的六自由度最大運動Fig. 21 Max motion response of 6DOF in 270° for different wave conditions

從圖中可以看出：

1)無論是浮式平臺還是供應船，環(huán)境條件越惡劣，各自由度下的運動響應越明顯，尤其水平方向的偏移以及橫搖、縱搖的變化較為劇烈。

2)在縱蕩、橫蕩以及艏搖這三個低頻方向，浮式平臺與供應船的最大響應較為接近，即在這幾個自由度上，三船之間的相對運動并不大，而且差異性并不受有效波高和入射角度的變化而明顯改變。比如艏迎浪，有效波高為3.5 m的工況下，三船之間的縱蕩運動均接近7.4 m；當有效波高降為2.5 m時，三船之間的縱蕩運動均接近2.7 m。

3)在垂蕩、橫搖和縱搖這三個波頻方向，各船之間的響應幅值差別較大，對比供應船，由于浮式平臺的噸位大、同時固有周期遠離波能峰值，因而運動響應普遍較??；相反，供應船的排水量小，固有周期更小，與波浪頻率接近，因此更容易發(fā)生共振，受波浪的擾動更劇烈，因此運動響應更明顯。以三船艏斜浪，有效波高為2.5 m為例，浮式平臺、1號供應船和2號供應船的垂蕩最大幅值分別為0.5 m、1.0 m和0.8 m，橫搖的最大幅值分別為0.5°、2.7°和2.5°，縱搖的最大幅值分別為0.3°、1.9°和1.5°，供應船的運動幅值是平臺的數(shù)倍。

圖22顯示的是浮式平臺與供應船旁靠作業(yè)時，各自由度的運動響應時歷曲線。有效波高為3.5 m時，無論是纜繩張力還是護舷的擠壓力均超過了衡準值，不滿足設計要求，鑒于篇幅有限，僅針對有效波高為2.5 m，波浪角度為225°的情況進行對比分析，其余有效波高下的運動規(guī)律與之類似。

圖22 225°風浪流條件下，各船六自由度的時歷分布(絕對運動)Fig. 22 Time series of 6DOF for each vessel in wave, wind and current of 225°(absolute motion)

從圖中可以看出：

1)各船在縱蕩、橫蕩以及艏搖方向的振蕩周期均超過100 s，呈現(xiàn)明顯的低頻特征，浮式平臺和供應船在這幾個方向的運動時歷曲線形狀和相位均較為接近，即三船具有明顯的同步性，盡管各自的運動響應較大，但浮式平臺與供應船之間的相對運動較小。例如下述海況條件下，浮式平臺的縱蕩、橫蕩以及艏搖運動高達6.9 m、6.6 m和1.9°，1號供應船為6.8 m、6.6 m和1.9°，2號供應船高達7.0 m、8.6 m和1.9°，如圖23所示，但船舶之間的相對運動才是影響旁靠作業(yè)的關鍵因素，浮式平臺與1號供應船縱蕩、橫蕩以及艏搖方向的相對運動僅為1.4 m、2.1 m以及0.8°，浮式平臺與2號供應船縱蕩、橫蕩以及艏搖方向的相對運動僅為1.7 m、2.2 m以及0.7°，完全可滿足作業(yè)要求，旁靠纜繩將船舶綁扎在一起限制船體之間的相對運動，使船舶在縱蕩、橫蕩以及艏搖方向形成了跟隨性特點，因此低頻方向的運動一般不會成為制約多船旁靠作業(yè)的因素。

2)垂蕩、橫搖以及縱搖這三個方向，其時歷曲線可觀察到較明顯的波頻振蕩特點，各船在這幾個方向的運動表現(xiàn)出不同步的特性，相對運動較大，由于這三個方向的運動響應主要與入射波浪的頻率、船自身的固有屬性相關聯(lián)，因此，旁靠帶纜設備無法對這三個方向的運動幅度進行限制，是影響多船旁靠作業(yè)的主要因素。

圖23 六自由度的絕對運動及相對運動特征(225°)Fig. 23 Characteristics of absolute and relative motions for 6DOF(225°)

7 結 語

采用模型試驗的方法對供應船旁靠大型浮式結構物作業(yè)時的關鍵特性開展了深入研究，主要結論如下：

1) 波浪能量隨有效波高的增大呈現(xiàn)非線性增大趨勢，旁靠系泊設備所受的載荷也隨之迅速增加，是影響旁靠作業(yè)窗口期的主要外部因素。

2) 波浪入射角度對旁靠作業(yè)的影響程度與海況有較大關聯(lián)，高海況條件下，橫浪對旁靠纜繩的張力和護舷的擠壓力影響最大，當海況環(huán)境降低時，改變浪向角對結果的影響可忽略。其原因為：高海況下，相比其它角度，橫浪作用于船體上的波浪載荷、流載荷更大，導致船體的運動響應更為明顯，纜繩張力和護舷擠壓力也隨之增大；而低海況時，波浪譜密度峰值迅速下降，波能較小，因此浪向角對旁靠纜繩的受力和護舷的擠壓力影響程度有限。

3) 受布纜方式、纜繩長度以及船體運動等多方面的影響，1號和2號供應船上纜繩張力較大的發(fā)生區(qū)域并非完全一致，但降低纜繩張力的策略相同，即：增加纜繩長度和減小預張力以滿足作業(yè)要求。

4) 相比1號供應船，2號供應船的旁靠纜繩張力和護舷的擠壓力普遍更大，說明2號供應船受環(huán)境條件的影響，尤其是波浪的影響更為敏感，其原因可能是2號船的排水量小，響應更劇烈，從而引起纜繩張力和護舷擠壓力增大。

5) 旁靠纜繩將浮式平臺、2艘供應船綁扎在一起限制船體之間的相對運動，使船舶在縱蕩、橫蕩以及艏搖方向形成了跟隨性特點，盡管各自的運動響應較大，但浮式平臺與供應船運動響應的幅值和相位都比較接近，相對運動較小，完全可滿足作業(yè)要求，因此低頻方向的運動一般不會成為制約多船旁靠作業(yè)的因素。

6) 垂蕩、橫搖以及縱搖這三個波頻方向，各船的運動并不同步，相對運動較大，由于這三個方向的運動響應主要與入射波浪的頻率、船自身的固有屬性有關，因此，旁靠帶纜設備無法對這三個方向的運動幅度進行限制，是影響多船旁靠作業(yè)窗口期的主要因素。

7) 有效波高為3.5 m時，旁靠帶纜系統(tǒng)的張力和護舷所受到的擠壓力均大于規(guī)范的衡準值或設備的許用值，同時運動響應較大，無法滿足要求，當有效波高不超過2.5 m時，可實現(xiàn)該浮式平臺與供應船之間的旁靠帶纜作業(yè)。