基于航海模拟器试验的大型FPSO拖带通航宽度计算.pdf

15用干孙环洲油其工航海桔圳翠式冷的大DCO坊带通宽度计管门由国航海20 3 46 7 3）.0NAVIGATIONOFCHINASep.20232023年9 月Vol.46No.3第46 卷第3期中海国航文章编号：10 0 0-46 53(2 0 2 3)0 3-0 0 0 9-0 7基于航海模拟器试验的大型FPSO拖带通航宽度计算孙强，子孙洪波（集美大学航海学院，福建厦门36 10 2 1）摘要：为给FPSO、海上钻井平台等大型拖带作业时通航宽度理论计算方法选用、拖带通航安全评估以及规范修订提供参考。根据现行常用的国际航运协会（PIANC）进港航道设计导则、加拿大国家航道设计指南、中国海港总体设计规范以及国内大型海上设施拖带经验算法等典型的理论方法，计算30 万吨级FPSO拖带通航理论宽度值，同时通过船舶操纵模拟器对30 万吨级FPSO进行拖带操纵模拟试验，再基于试验结果计算出通航宽度值，将试验模拟结果与理论计算结果进行比对和分析。结果表明：大型海上设施港内拖带时，按照PIANC和国内经验算法方法取值标准较为合理。关键词：FPSO；拖带；航海模拟器；通航宽度中图分类号：U612.3文献标志码：AD0I:10.3969/j.issn.1000-4653.2023.03.002A navigation simulator based numerical study on the navigationchannel width for large FPSO ships towing operationSUN Qiang,SUN Hongbo(Navigation College,Jimei University,Xiamen 361021,China)Abstract:To support selecting a proper way to theoretically calculate the navigation channel widths for large FPSO and theoffshore oil platforms towing operations,and also for helping them to make rules to guarantee the safety during towingprocess;to achieve this,this paper theoretically calculated the navigation channel widths for the 30 tons level FPSO shipsfirst,in which the Approach Channel a Guide of Design of PIANC,the National Waterway Maneuvering Guidelines ofCanada,the Rules of Harbor Designs of China,and also the homeland empirical ways of calculating the navigation widths ofFPSO ships were referred,respectively;these calculated navigation channel widths were further validated via the navigationsimulators experiments.Navigation simulator results suggest that,for those the FPSO ships at 30 tons level or above,both the navigation channel widths calculated by following the PIANC rules and the homeland empirical ways show highaccordance with that of the real scenarios,and are therefore more acceptable and reliable.The results presented in thisstudy are hence fruitful and meaningful for practices in towing operations of the large FPSO ships.Key words:FPSO;towing operation;navigation simulator;navigation channel width随着海洋经济迅速发展和能源需求增加，海上石油开采进人新一轮繁荣期。海上大型浮式储油船(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)作为海上石油钻井平台产出原油的主要储存设施，其依靠单点系泊系统锚定在海上油田，其本身一般无动力。当新建FPSO出海投入使用或进坞维修就会涉及进出港口的拖带作业，而现阶段国内并没有专门针对大型拖带船组的通航宽度计算方法。本文选用30 万吨级FPSO典型船舶进行操纵模拟试验，并根据试验结果计算出通航宽度值，再对比现有常用收稿日期：2 0 2 2-0 5-19基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JAT200275）作者简介：孙强（19 8 3一），男，船长，讲师，研究方向为海洋工程应用、航海技术。E-mail：q s u n j mu.e d u.c n市内出，孙供波型航悔模器试验的）SUN Q,SUN H B.A navigation simulator based numerical study on the navigation channel width for large FPSO ships towingoperationJ.Navigation of China,2023,46(3):9-15.(in Chinese)中第46 卷第3期海航国10的理论计算方法结果值，为今后实际拖带作业航道宽度的评估提出建议依据。一试验涉及船舶资料和拖带方式1.1操纵模拟试验涉及船舶资料试验船型为30 万吨级FPSO、三用拖船（主拖船）和5艘全旋回港作拖船，操纵模拟试验涉及船舶相关资料数据见表1。表1试验涉及船舶主要参数Tab.1The ships main parameter table aboutexperimental30万吨级主要参数三用拖船全旋回港作拖船FPSO船舶总长/m335.393.438.0两柱间长/m328.282.0型宽/m60.022.011.0型深/m33.59.54.8吃水/m11.06.53.81.2理论计算和模拟试验环境概况本文理论计算和模拟试验环境均建立在天津港大沽沙航道真实环境下，大沽沙航道总长为36.35km（模拟试验航程约2 9.2 km）。其中,2 41号至2 57号灯浮航段的设计底高程为-14.5m，底宽37 5.0m;203号至2 37 号灯浮航段的设计底高程为15.0m,底宽37 0.0 m;航道两侧布置有防波堤和码头，导助航设施完备。拖带航行时风速限制在6 级以下，浪高小于1.5m，潮流基本属于往复流性质且流向较为集中，沿航道走向；整个拖带航行在引航员指导下完成门1.3FPSO拖带方式在被拖FPSO的船首配备1艘大功率三用拖船（为主拖船，主机马力150 0 0 kW以上）进行吊拖，以发挥三用拖船的有效拖力;FPSO尾部配备1艘全旋回港作拖船用来控制船速和抑制偏荡；FPSO、左右两侧各配备2 艘全旋回港作拖轮（36 0 0 kW以上）。主拖船的主拖缆与被拖物的短索（过桥缆）用卸扣连接完成挂拖作业；被拖物龙须链的连接方式及拖带示意见图1，由短索（过桥缆）、三角板、龙须链连接组成，主拖缆出缆长度约为150 m（主拖船船尾至FPSO船首长度）。T4T2主拖船T1T6T5T3图1拖带方式示意Fig.1Schematic diagram of the towing type2国内外对拖带通航宽度的理论计算2.1中国通航宽度计算标准港内拖带大型海上设施一般需要采取交通管制措施，因此选用单向通航方式对通航宽度进行计算。在海港总平面设计规范中单向航道通航宽度一般由航迹带宽度、船舶与航道底边间的富余宽度组成2(见图2)。A又设计通航水位通航水深通航底面备淤深度又疏浚底面挖槽宽度航道通航宽度图2航道设计基本尺度Fig.2Basic design dimensions of Channel单向航道通航宽度W=A+2C(1)A=n(Lsin +B)(2)式中：A为航迹带宽度（m）;C 为船舶与航道底边线间的富余宽度（m）,按照油轮取1.0 B;n为船舶漂移倍数，横流一般要求小于0.5m/s，取值1.6 9;L为设计船长（m）,取L=主拖船船长L，+主拖缆缆长Lz+被拖船船长Ls;为风、流压偏角（），取值7；B为设计船宽(m)。2.2国际航运协会通航宽度计算标准国际航运协会（Permanent International Associa-tion of Navigation Congresses,PIANC)的进港航道设计导则中将通航宽度分为基本操纵带宽度和附加宽度。其中基本操纵带宽度与船舶操纵性能有关，附加宽度与风、流、船速、波浪、底质、助导航设施、水深和载态有关3。此外美国也采用本计算方法。直线段单向航道通航宽度W=WBM+W,+WBr+W(3)式中：WBm为基本操纵带宽度（m），取值见表2；WBr、Wg分别为船至航道两侧对岸距离（m），取值见表3；W，为附加宽度（m），根据拖带环境考虑航道水深和导助航设施后，综合取值0.5B（B为设计船宽(m)2.3加拿大通航宽度计算标准根据加拿大渔业和海洋部对国家航道设计指南中对海港航道宽度的计算方法可知，单向航道设计宽度主要考虑了船舶操纵性能、风、流、岸壁效应、富余宽度、导助航设施情况4孙强，等：基于航海模拟器试验的大型FPSO拖带通航宽度计算11表2基本操纵带宽度Tab.2Basic width of the navigation brand单位：m船舶操纵性能良好中等较差WBM1.3B1.5B1.8B注：因拖带航行，操纵受限，取1.8 B。表3舟船岸距离宽度Tab.3Width between ship and shoreWBr,WBg/m船速/通航环境外海航道内航道（有kn（无掩护）掩护水域）12(快)0.7B斜坡状航道(8,12(中)0.5B0.5B边缘、浅滩(5,8(慢)0.3B0.3B12(快)1.3B陡峭坚硬堤岸(8,12(中)1.0B1.0B或建筑物(5,8(慢)0.5B0.5B注：航道两侧有码头和防波堤，拖航速度约5kn，取0.5B。表4#操纵性系数Tab.4Coefficient of manoeuvrability操纵操纵性基本操纵船型性能系数K带宽度/m军舰、货船优1.31.3B油船、新矿船良1.51.5B旧矿船、损坏的船舶差1.81.8B注：因拖带航行，可看作损坏船舶，即取1.8 B。单向航道通航宽度W=WBM+Wwc+2(Wg+Wz)+2W（4)式中：WBM为基本操纵带宽度（m），取值见表4；Wwc为横风、横流引起船舶航迹宽度的增量（m）,取值见表5；WB为岸壁效应引起的航道宽度的增量（m），取值见表6；Wz为助航设施和引航员情况（m），因导助航设施完备且有引航员，取值为0.1B；W 为其他富余宽度（m），考虑到拖带船速、能见度、装载货物、水深、航道底质等影响因素，取值为0.2 B。2.4国内大型海上设施的经验算法从多年来大型拖带海上石油钻井平台、储油船、驳船、浮吊等海上设施，并根据拖带的实际通航宽度数据总结分析中，我国还总结出了一个拖带的经验计算公式，即单向航道通航宽度5W=B+L+2C(5)式中：B为被拖FPSO设计宽度（m）;L为全回转拖轮长度（m）；C为船舶与航道底边线间的富余宽度（m），因有港作拖轮协助，取值0.5B。表5横风、横流引起船舶航迹宽度的增量Tab.5Increment of the ships navigation widthsdue to cross wind and current各种操纵性能级别的引起因素速度/kn船舶航迹带船舶增量/m优良差33(强)0.6B0.8B1.0B1.5(强)0.7B1.0B1.3B注：本拖带模拟试验操纵差、横流弱，考虑横风6 级以下，综合取0.8 B。表6 岸壁效应引起的航道宽度的增量Tab.6 Increment of the ships navigation widthsdueto bankeffect船舶操不同岸壁效应严重程度的航道宽度要求/m纵性能低中高优0.5B0.75B1.0B中0.75B1.0B1.25B差1.0B1.25B1.5B注：本拖带模拟试验操纵差，岸壁效应影响较小，取1.0 B。2.5不同计算方法通航宽度的计算结果不同计算方法通航宽度见表7。表7不同计算方法通航宽度Tab.7The navigation widths with differentcalculation methods参考计算方法航道通航宽度/m海港总平面设计规范（中国）340.4进港航道设计导则（PIANC）198.0国家航道设计指南（加拿大）312.0经验算法（中国）196.03基于航海模拟器典型船舶试验结果的通航宽度3.1航海模拟器仿真数学模型本试验运用全任务HG3000型船舶操纵模拟器,建立4自由度（4-Degree of Freedom,4-DOF）船舶拖带系统运动模型，利用MATLAB工具对船舶在不同天气海况条件下拖带进出港航行的运动过程进中国第46 卷第3期海航12行仿真模拟。3.1.14-DOF船舶运动数学模型船舶的实际运动是一种具有非常复杂的六个自由度运动。本试验在建模时，从研究的重点出发，忽略垂荡运动和纵摇运动，采用了仅考虑纵荡、横荡、摇和横摇运动的平野数学模型6(m;+mi)-(m;+mi,)ur=Xin+Xi,+XiR+XiT(m,+mi,)i+(m;+mi,)ur=(6)Yin+YiR+YiTR(li,+Ji)i=Nin+NiR+Ni,iRiT(l,+Jin)p=Liu+L,式中，各量下标含义为：H表示船体水动力项，P表示螺旋桨，R表示舵，T表示拖缆，i可表示为拖船或被拖船。X、Y、N和L分别为作用于船体的纵向力、横向力、转向力矩和横摇力矩；m、I，和I分别为船体质量、绕z轴和轴的转动惯性矩；m和m分别为船体的纵向附加质量，横向附加质量；J和J分别为绕z轴和轴的附加质量的惯性矩。坐标系如图3所示。X0XY0Z图3船舶运动坐标系Fig.3Ship motion coordinates3.1.2拖缆张力计算模型考虑到海上拖带拖缆较长，对拖缆两端悬挂高度差不予考虑，因此本试验采用考虑了拖缆弹性影响的悬链线模型7。拖拖缆受力示意如图4所示。wLRT=H,-22EAW(7)(T。=T%+(w LR/2)2式中：w为每米拖缆质量，E为拖缆的杨氏模量，A为拖缆横截面积，T。为拖缆端部张力，LR为悬链长度。本文采用牛顿迭代法计算拖缆的水平拉力T，而对拖缆在水中的阻力R，采用拖航企业的估算公式24%11+10%16(1)R,=1.224(8)式中：水中缆长为S=1673.3TH/d,d为拖缆的直径，V为拖带速度。ToToHDTHLR图4拖缆受力示意Fig.4 The graph of cable force3.1.3拖带系统坐标系及仿真模型根据海上拖带系统坐标系，如图5可知：Xro=Xo+Lpocos toYro=Yo+Lposin oXm=X,-Lpicos Ym=Y,-Lpisin t(9)=arctan(Ym-Ym)/(Xm-Xo)Wo=-4o=-4XoXT0XTXXYoX10HDO1YTYY图5海上拖带坐标系Fig.5Ocean towing coordinates本试验在搭建海上拖带仿真模型时，没有采取建立穴长的微分方程组的方式，而是采取拖船、拖缆及被拖船分别建模的方式。这种建模方式不仅简单直观，避免定义过多的环境变量，而且还可以提供多船拖带仿真。图6 即为用MATLAB工具搭建的本试验拖带仿真模型8 O3.2模拟试验工况设置根据天津大沽沙航道及周围水域条件、水文气象环境和拖航操船试验的安全性等，且主要考虑最不利航行的风流组合条件作为操船模拟试验时的工况，获取相应的试验数据，计算出通航宽度。其中，模拟试验分为两段航道，横风段和斜顶/顺风段，风向分别设置为西北偏北风和东南偏东风，风级设为5级和6 级；流分为顺流和顶流，均沿航道走向；进出港拖带试验共计16 次。同时在试验中聘请了拥有丰富大型海上设施拖航经验的高级引航员、长期孙强，等：基于航海模拟器试验的大型FPSO拖带通航宽度计算13从事海洋工程船拖带经验的船长进行操纵模拟试验操作。autopilotcourseoTOrudder speedXOcourselT1X1wOW1Y1towed shiptowing shippaadstowline图6 海上拖带仿真模型Fig.6Ocean towing simulation model3.3模拟试验结果统计和分析虽然在相同试验条件下，对同一对象进行多次测量，由于试验者的疏忽或外部客观条件的改变所造成的某一个或几个测量结果错误或超限的误差，这种测量误差称为粗差，通常又被称为疏忽误差。粗差的存在将大大影响平差结果的可靠性，甚至导致完全错误的结果。为使本模拟结果更加准确，应将测量统计数据中粗差数据剔除，因此本试验结果采用粗差剔除方法对航迹带宽度进行分析。为准确地剔除粗差，本文采用38 准则剔除粗差，即对残余误差落在38 外的残余误差测得值予以剔除。针对不同的吃水差、载态、风、流等组合条件，本文通过模拟试验并测量出大量的船舶航迹带宽度数值，基于船舶操纵模拟器得出的大量试验数据，并按照上文的分析，需要对试验数据进行处理以确保试验结果的代表性、准确性。在求出航迹带宽度平均值的基础上，并根据相关数据统计理论，求取模拟通航宽度数值计算方法如下：求出航迹带宽度的平均值A：对不同的工况下的模拟试验航迹带宽度进行测量，获得n个航迹带宽度数据，可分别表示为A（i=1,2，,n）。则航台迹带的平均值可表示为：A；求出残差nA,=A,-A（i=1,2,n）;求出航迹带标准偏差nZ(A;-A)2=18=；求出38,若|A,|38,则剔除n-1粗差，直到测量数据中无粗差存在。将剔除粗差后的试验数据重新求取平均值A，将W3=A+33作为模拟试验所得通航宽度值9-10 1。其中给出1倍标准差的通航宽度值W。，其航迹带宽度分布概率为6 8.3%；2 倍标准差的通航宽度值W2s，其航迹带宽度分布概率9 5.5%，3倍标准差的通航宽度值W3s，其航迹带宽度分布概率为99.7%，即船舶航行时将会有9 9.7%的概率不会超过其范围。本操纵模拟试验的航迹带测量分为横风段和斜顶/顺风段，并且选取航迹带宽度最大处测量。测量方法见图7，结果见表8 所示。航迹带宽度-4+BB图7 舟航迹带宽度测量方法Fig.7The navigation width measurement method表8航迹带宽度测量结果Tab.8The navigation widths measurement results航迹带测量宽度/mIA/m序号试验工况斜顶/顺风段横风段斜顶/顺风段横风段1IN-D-NWN-5180.5171.80.720.12IN-S-NWN-5187.2192.37.40.43IN-D-SEE-5172.6196.77.24.84IN-S-SEE-5186.5205.16.713.25IN-D-NWN-6178.3189.61.52.36IN-S-NWN-6184.1183.84.38.17IN-D-SEE-6168.9203.410.911.5中国14第46 卷第3期海航表8(续)Tab.8(Continue)航迹带测量宽度/m1AAl/m序号试验工况斜顶/顺风段横风段斜顶/顺风段横风段8IN-S-SEE-6202.0194.222.22.39OUT-D-NWN-5187.1181.57.310.410OUT-S-NWN-5183.1172.93.319.011OUT-D-SEE-5163.4177.316.414.612OUT-S-SEE-5177.2207.32.615.413OUT-D-NWN-6195.9192.416.10.514OUT-S-NWN-6179.3207.50.515.615OUT-D-SEE-6155.4201.724.49.816OUT-S-SEE-6174.2193.55.61.6注：IN表示进港；OUT表示出港；S表示顺流；D表示顶流；ESE表示东南偏东风；NWN表示西北偏北风；5，6 分别表示风级为5、风级为6。根据进出港操纵模拟试验测量结果，在不同工况下，所需单向航道通航宽度计算结果如表9 所示表9 单单向航道通航宽度计算结果Tab.9The result of calculating the navigation width ofthe one-way channel拖带航段A/m8/mW/mW2s/mW3/m斜顶/179.811.6191.4203.0214.6顺风段横风段191.911.7203.6215.3227.04结束语从表9 中模拟器操纵模拟试验计算结果可以看出在拖带船组受横风比斜顶/顺风时航迹带有所增加，因此出于拖带安全富余量考虑，通航宽度计算结果对比仅采用1倍和3倍标准差的横风测量计算结果，见表10。从上表10 中对国内外不同通航宽度计算结果与模拟试验结果中1倍和3倍标准差通航宽度对比可以得出以下结论。表10不同通航宽度计算结果与模拟试验结果1倍和3倍标准差通航宽度结果对比Tab.10The calculation results of different navigation widths were compared with the results ofsimulation test 1 and 3 times the standard deviation of navigation width1倍标准差3倍标准差不同标准通航宽度计算结果/m模拟通航宽度W203.6m)模拟通航宽度W3s（2 2 7.0 m）比较结果/%海港总平面设计规范（中国）340.4167.2149.8进港航道设计导则（PIANC）198.097.587.3国家航道设计指南（加拿大）312.0153.3137.5经验算法（中国）196.096.386.4注：比较结果=不同标准通航宽度计算结果/模拟试验通航宽度10 0%1）按照1倍标准差（分布概率为6 8.3%）对比结果可知进港航道设计导则和国内经验算法结果与模拟试验结果相差幅度均在5%以内，认为几乎接近；海港总平面设计规范和国家航道设计指南算法结果与模拟试验结果相差幅度在50%以上，相差较大。2）按照3倍标准差（分布概率为9 9.7%）对比结果可知进港航道设计导则和国内经验算法结孙15强，等：基于航海模拟器试验的大型FPSO拖带通航宽度计算果与模拟试验结果相差幅度均在15%以内，认为比较接近；海港总平面设计规范和国家航道设计指南算法结果与模拟试验结果相差幅度在35%以上，仍然相差较大。3）根据大量实际拖带数据统计以及拖航船长、拖航引航员等专业人员认为，在港内拖带大型海上设施，又有港作拖船协助时，拖带船组通航宽度一般不会超过被拖物宽度的4倍（2 40 m），对比按照模拟试验3倍标准差计算结果是较为接近的，同时对比进港航道设计导则和国内经验算法的计算结果也是能够吻合的。4）按照模拟试验3倍标准差（分布概率为9 9.7%）计算结果与海港总平面设计规范和国家航道设计指南算法结果对比均相差较大。此外因海港总平面设计规范把整个拖带船组长度看成一个刚性连接的整体所以得出结果比实船拖带中是明显偏大的。因此可以看出海港总平面设计规范和国家航道设计指南算法均相对保守。5）综上所述，通过各种计算方法结果与模拟试验结果比较后，本文建议在大型海上设施拖带通航宽度算法取值时，在风速小于6 级和横流小于0.5m/s、且有足够马力的港作拖轮协助下，按照国际航运协会（PIANC）的进港航道设计导则和国内经验算法方法取值，能够保证拖带船组的通航宽度是安全的。参考文献1中华人民共和国交通部.海上拖航技术要求：JT/T214-95S.北京：中华人民共和国交通部，19 9 5.Ministry of Transport of the Peoples 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