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摘 要 FPSO与穿梭油轮在海洋环境下，受到风、浪、流的作用，在进行外输作业时浮体的动态响应十分复杂。为了保证FPSO在进行原油外输时的安全与稳定，防止发生碰撞事故，需要对外输系统进行水动力和耦合运动分析。文章运用频域方法求解双浮体系统在不同装载工况下水动力传递函数，结合时域方法分析双浮体系统在不同工况下的运动状态，求解在特定海况下两船的最小安全距离。
关键词 FPSO；串靠油轮；运动响应；安全船距
中图分类号：U661.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0061-02
FPSO由于其具有良好的机动性，稳定性，海域适应性，允许在各种气候下装卸油，成为现代海洋油气资源生产的主流设施。外输系统是FPSO整个概念设计中一个很重要的部分，且是设计成功的一个关键因素。船上的原油可以定期的通过外输装备外输到穿梭油轮上，提高了油田作业的经济性。
对于FPSO与穿梭油轮串靠方式的动态稳定性问题，国内外许多专家学者进行了研究。Lee和Choi考虑不同系泊刚度、转塔位置、带缆长度与张力等设计参数，对FPSO与串靠油轮在风浪流联合作用下的动态稳定性和非线性响应进行了数值分析。Morishita等对FPSO和串靠油轮在多种风和流组合作用下的非线性动力响应、平衡性和稳定性进行了数值分析。研究认为由于两船有各自的稳定特性，组成一个双浮体系统后则形成了具有新的平衡位置的耦合系统。FPSO与串靠穿梭油轮的研究因此将十分复杂。
FPSO与穿梭油轮由于水动力特性的差异以及慢漂运动的影响，船体间会产生较大的相对运动，例如过分纵荡，艏向偏离及鱼尾运动。为了确保外输作业的安全，本文将过分纵荡定义为两船最小间距为10米；鱼尾运动定义为两船最大相对角度不超过30度。
1 外输系统模型及海况条件
1.1 外输系统模型建立
双浮体系统组成如图1所示，FPSO与穿梭油轮之间采用大缆连接，各船体主要参数如表1所示，锚链参数及大缆参数如表2所示。
图1 双浮体系统示意图
表1 各船体主要参数
表2 锚链及大缆参数
1.2 海洋环境条件
双浮体系统进行时域分析时所取的南海海洋环境条件如表3所示。本计算设定风浪流方向均为180°。
表3 海洋环境条件
2 频域分析
FPSO进行外输作业时主要考虑的三种典型工况为：
1）FPSO满载-油轮压载。
2）FPSO半载-油轮半载。
3）FPSO压载-油轮满载。
不同压载工况组合下各船体有不同的水动力特性，FPSO与油轮在不同工况下纵荡及艏摇响应的传递函数如图2和图3所示。
图2 FPSO及油轮纵荡响应RAO （0°浪向）
图3 FPSO及油轮艏摇响应RAO （120°浪向）
对同一浮体在不同工况下进行比较可以看出：
1）FPSO及油轮纵荡响应的敏感周期为T>13 s，艏摇响应的敏感周期为9 s 2）各船体在不同装载工况下，纵荡响应差距不大，在满载工况下，艏摇响应较大。
对于中国南海海洋环境，波浪周期大部分处在6 s～15 s之间，进行外输作业时，各船体的纵荡和艏摇会比较剧烈。对两个浮体在同一工况下的水动力系数进行比较可以看出，受规则入射波作用时，油轮的纵荡响应均小于FPSO，但是艏摇响应油轮偏大。
3 时域分析
为了确定在南海海况下，FPSO与油轮进行外输作业时的最小船距，本文通过计算得出，船距为30米时两船运动状态满足安全要求。两船在不同工况下船体最小间距及艏向最大夹角如表4所示，计算时长为10800 s。
表4 不同工况下船体最小间距及艏向最大夹角
由表4可知：
1）FPSO满载-油轮压载工况，在迎浪状态下船体间最小间距为13.91米，纵荡运动剧烈；艏向夹角最大值为9.83°，鱼尾运动稍显缓和。这可能是因为FPSO在满载时吃水较大，受波浪和流的影响较大，纵荡响应较大。油轮在压载时吃水浅，受风作用明显，艏摇运动比较剧烈。
2）FPSO半载-油轮半载工况，在此风浪流组合作用下，船体间最小间距为23.27米，艏向夹角最大值为5.52°，纵荡运动及鱼尾运动都比较缓和。这可能是因为FPSO与穿梭油轮主尺度差距小，半载时吃水深度比较接近，水动力特性差异性小，外输系统在这种情况下的风险最低。
3）FPSO压载-油轮满载工况，船体间最小间距为12.49米，纵荡运动比较剧烈；艏向夹角最大值为21.96°，鱼尾运动比各个装载时刻都要严重。这可能是因为FPSO吃水浅，稳性变差，受到串靠油轮的拖曳作用再加上风的作用，纵荡及艏摇响应加大。油轮满载吃水深，受波浪和流作用明显，纵荡也会比较剧烈，而且油轮靠单根大缆连接到FPSO上，在艏向上几乎没有提供恢复力，会产生较大的艏摇响应。在这样的工况下，两艘船体的响应都比较剧烈，同时船体间水动力差异性明显，进一步加剧了纵荡运动及鱼尾运动，两船很有可能发生碰撞。
4 结论
本文计算了FPSO与穿梭油轮在不同装载工况下的水动力特性及时域响应，得到以下结论：
1）FPSO与油轮在不同装载工况下纵荡及横荡响应差距很小，在满载工况下艏摇响应较大。双浮体系统对波浪的敏感周期为6 s～15 s，在南海进行外输油时，系统会产生较大的响应。
2）三种装载工况中，FPSO半载-油轮半载工况下，两船体水动力差异性小，运动同步的可能性大，外输系统稳定性最好；FPSO压载-油轮满载工况下，双浮体系统稳性最差，鱼尾运动非常剧烈，系统处于最危险状态，碰撞事故极易发生。在外输作业即将结束时，应提前做好预防措施。
基金项目
“十二五”国家科技重大专项项目（2011ZX05056）
参考文献
[1]李芬，邹早建.浮式海洋结构物研究现状及发展趋势[J].武汉理工大学学报，2003，27（05）：682-685.
[2]孙海，孙丽萍，樊红元.FPSO串靠外输的断缆可靠性与风险分析[J].哈尔滨工程大学学报，2011.
[3]J.de Baan.Offshore transfer，re-gasification and salt dome storage of LNG[C].Offshore Technology Conference， 2003.
[4]Lee D H， Choi H S. Dynamic analysis of FPSO-Shuttle tanker system [C].Proc. of the 10th ISOPE Conf.，2000：302-307.
作者简介
孙艳（1988-），女，汉族，四川崇州人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。
关键词 FPSO；串靠油轮；运动响应；安全船距
中图分类号：U661.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）01-0061-02
FPSO由于其具有良好的机动性，稳定性，海域适应性，允许在各种气候下装卸油，成为现代海洋油气资源生产的主流设施。外输系统是FPSO整个概念设计中一个很重要的部分，且是设计成功的一个关键因素。船上的原油可以定期的通过外输装备外输到穿梭油轮上，提高了油田作业的经济性。
对于FPSO与穿梭油轮串靠方式的动态稳定性问题，国内外许多专家学者进行了研究。Lee和Choi考虑不同系泊刚度、转塔位置、带缆长度与张力等设计参数，对FPSO与串靠油轮在风浪流联合作用下的动态稳定性和非线性响应进行了数值分析。Morishita等对FPSO和串靠油轮在多种风和流组合作用下的非线性动力响应、平衡性和稳定性进行了数值分析。研究认为由于两船有各自的稳定特性，组成一个双浮体系统后则形成了具有新的平衡位置的耦合系统。FPSO与串靠穿梭油轮的研究因此将十分复杂。
FPSO与穿梭油轮由于水动力特性的差异以及慢漂运动的影响，船体间会产生较大的相对运动，例如过分纵荡，艏向偏离及鱼尾运动。为了确保外输作业的安全，本文将过分纵荡定义为两船最小间距为10米；鱼尾运动定义为两船最大相对角度不超过30度。
1 外输系统模型及海况条件
1.1 外输系统模型建立
双浮体系统组成如图1所示，FPSO与穿梭油轮之间采用大缆连接，各船体主要参数如表1所示，锚链参数及大缆参数如表2所示。
图1 双浮体系统示意图
表1 各船体主要参数
表2 锚链及大缆参数
1.2 海洋环境条件
双浮体系统进行时域分析时所取的南海海洋环境条件如表3所示。本计算设定风浪流方向均为180°。
表3 海洋环境条件
2 频域分析
FPSO进行外输作业时主要考虑的三种典型工况为：
1）FPSO满载-油轮压载。
2）FPSO半载-油轮半载。
3）FPSO压载-油轮满载。
不同压载工况组合下各船体有不同的水动力特性，FPSO与油轮在不同工况下纵荡及艏摇响应的传递函数如图2和图3所示。
图2 FPSO及油轮纵荡响应RAO （0°浪向）
图3 FPSO及油轮艏摇响应RAO （120°浪向）
对同一浮体在不同工况下进行比较可以看出：
1）FPSO及油轮纵荡响应的敏感周期为T>13 s，艏摇响应的敏感周期为9 s
对于中国南海海洋环境，波浪周期大部分处在6 s～15 s之间，进行外输作业时，各船体的纵荡和艏摇会比较剧烈。对两个浮体在同一工况下的水动力系数进行比较可以看出，受规则入射波作用时，油轮的纵荡响应均小于FPSO，但是艏摇响应油轮偏大。
3 时域分析
为了确定在南海海况下，FPSO与油轮进行外输作业时的最小船距，本文通过计算得出，船距为30米时两船运动状态满足安全要求。两船在不同工况下船体最小间距及艏向最大夹角如表4所示，计算时长为10800 s。
表4 不同工况下船体最小间距及艏向最大夹角
由表4可知：
1）FPSO满载-油轮压载工况，在迎浪状态下船体间最小间距为13.91米，纵荡运动剧烈；艏向夹角最大值为9.83°，鱼尾运动稍显缓和。这可能是因为FPSO在满载时吃水较大，受波浪和流的影响较大，纵荡响应较大。油轮在压载时吃水浅，受风作用明显，艏摇运动比较剧烈。
2）FPSO半载-油轮半载工况，在此风浪流组合作用下，船体间最小间距为23.27米，艏向夹角最大值为5.52°，纵荡运动及鱼尾运动都比较缓和。这可能是因为FPSO与穿梭油轮主尺度差距小，半载时吃水深度比较接近，水动力特性差异性小，外输系统在这种情况下的风险最低。
3）FPSO压载-油轮满载工况，船体间最小间距为12.49米，纵荡运动比较剧烈；艏向夹角最大值为21.96°，鱼尾运动比各个装载时刻都要严重。这可能是因为FPSO吃水浅，稳性变差，受到串靠油轮的拖曳作用再加上风的作用，纵荡及艏摇响应加大。油轮满载吃水深，受波浪和流作用明显，纵荡也会比较剧烈，而且油轮靠单根大缆连接到FPSO上，在艏向上几乎没有提供恢复力，会产生较大的艏摇响应。在这样的工况下，两艘船体的响应都比较剧烈，同时船体间水动力差异性明显，进一步加剧了纵荡运动及鱼尾运动，两船很有可能发生碰撞。
4 结论
本文计算了FPSO与穿梭油轮在不同装载工况下的水动力特性及时域响应，得到以下结论：
1）FPSO与油轮在不同装载工况下纵荡及横荡响应差距很小，在满载工况下艏摇响应较大。双浮体系统对波浪的敏感周期为6 s～15 s，在南海进行外输油时，系统会产生较大的响应。
2）三种装载工况中，FPSO半载-油轮半载工况下，两船体水动力差异性小，运动同步的可能性大，外输系统稳定性最好；FPSO压载-油轮满载工况下，双浮体系统稳性最差，鱼尾运动非常剧烈，系统处于最危险状态，碰撞事故极易发生。在外输作业即将结束时，应提前做好预防措施。
基金项目
“十二五”国家科技重大专项项目（2011ZX05056）
参考文献
[1]李芬，邹早建.浮式海洋结构物研究现状及发展趋势[J].武汉理工大学学报，2003，27（05）：682-685.
[2]孙海，孙丽萍，樊红元.FPSO串靠外输的断缆可靠性与风险分析[J].哈尔滨工程大学学报，2011.
[3]J.de Baan.Offshore transfer，re-gasification and salt dome storage of LNG[C].Offshore Technology Conference， 2003.
[4]Lee D H， Choi H S. Dynamic analysis of FPSO-Shuttle tanker system [C].Proc. of the 10th ISOPE Conf.，2000：302-307.
作者简介
孙艳（1988-），女，汉族，四川崇州人，硕士研究生，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。