一种单点系泊输油装置及其数学模型构建方法与流程

本发明涉及海洋工程机械，具体涉及一种单点系泊输油装置及其数学模型构建方法。

背景技术：

1、单点系泊系统是由一个能够漂浮在海面上的浮筒和铺设在海底与陆地贮藏系统连接的管道组成，浮筒漂浮在海面上，油轮上的原油通过漂浮软管进入浮筒后，从水下软管进入海底管线，输送到岸上的原油储罐，为防止浮筒随海浪远距离漂移，用数根巨大的锚链将其与海床相连，这样浮筒既可在一定范围内随风浪漂浮移动，增加缓冲作用，减少与油轮间发生碰撞的危险，又不至于被海浪漂走。

2、现阶段，最为广泛使用的单点系泊系统为calm式单点系泊系统，其由单点系泊系统与海底管线两大部分组成，单点系泊系统由浮筒、锚链、漂浮软管、筒下软管、系泊缆绳、海底管汇等部分组成。浮筒通常用4～6根锚链固定在海底。浮筒上有转盘和旋转密封接头。油轮靠泊后与单点浮筒的转盘用系泊缆相连，在风、浪和海流的合力作用下可围绕浮筒作360°旋转，就像一个风标一样，使油轮始终处在下风方向，保持在系泊缆受力最小的方位。单点系泊设施多修建于近岸的内海港湾或开阔海域上，随着近海石油勘探开发的发展，单点系泊技术从起初的海上的油品装卸逐渐发展到运用于近海油田开采、原油中转站等用途。但是，calm式单点系泊系统存在较大的安全隐患：系泊在calm式单点系泊系统上的船舶会产生一种鱼尾运动，鱼尾运动具备高度的随机性、不确定性以及不可预见性，一旦发生这种情况，船舶会容易出现系泊安全事故。

3、鱼尾运动的成因有二，一是外因，即环境载荷作用，在海洋环境载荷中，流是一种高度不稳定的干扰因素，其无时无刻都在干扰船舶的稳定性，驱使船舶偏离其所在的稳定平衡位置；二是内因，即calm式单点系泊系统的构成，在calm式单点系泊系统中，船舶与浮筒是通过缆绳来连接，缆绳仅在绷紧状态下存在约束力，而在缆绳松弛的情况下，船舶就不受约束，特别是对于船舶的艏摇运动，在有约束、无约束两种状态重复交替的作用下，就会诱发艏摇运动的共振，即形成对应的鱼尾运动，从而对船舶的系泊安全构成危害。为了保证calm式单点系泊系统的安全作业，就必须配置一艘拖轮，在油轮系泊并执行作业的过程中，拖轮需全程拖拽住油轮的艉部，这样则需花费拖轮的购置成本、维护成本、油耗成本，并且拖轮在运作的过程中会因主机工作而排放大量的废气，容易导致环境污染。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种单点系泊输油装置及其数学模型构建方法，能够防止船舶出现鱼尾运动，避免发生系泊安全事故，并且在无拖轮拖尾的情况下实现船舶的安全系泊，简化作业环节，节省成本，缩短船舶的系泊和装卸作业时间。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种单点系泊输油装置，包括有系泊浮筒、锚链以及连接组件，所述的系泊浮筒通过锚链连接至海床上，所述的系泊浮筒包括筒体和转台，所述的转台通过回转轴承设置在筒体的顶部，所述的连接组件包括刚臂、铰链和连接链，所述的刚臂的一端通过铰链连接至转台上，所述的刚臂的另一端通过连接链连接至船舶上。

4、进一步地，所述的刚臂设置为桁架结构。

5、进一步地，所述的系泊浮筒还包括系泊立管和压载舱，所述的系泊立管的顶端设置在筒体上，所述的系泊立管的底端设置在压载舱上，所述的筒体、系泊立管、压载舱的中轴线处于同一竖直线上，所述的锚链的一端连接在压载舱上，所述的锚链的另一端连接至海床上。

6、进一步地，所述的转台的中央位置设有旋转接头，所述的转台的表面设有可膨胀伸缩输油管，所述的可膨胀伸缩输油管的一端与旋转接头的一端连接，所述的可膨胀伸缩输油管的另一端连接有漂浮软管，所述的漂浮软管连接至船舶的舯部甲板管汇上，所述的筒体内设有输油立管，所述的输油立管的一端与旋转接头的另一端连接，所述的输油立管的另一端连接有能延伸至海床的水下软管。

7、进一步地，所述的输油立管的另一端沿系泊立管的轴向布设在系泊立管中。

8、进一步地，所述的水下软管包括若干个依次连接的软管段，各个所述的软管段的连接处呈m状分布，各个所述的软管段通过管接头连接在一起。

9、本发明还提供了一种单点系泊输油装置的数学模型构建方法，包括以下步骤：

10、步骤1：建立单点系泊输油装置的三维几何模型，将单点系泊输油装置的三维几何模型导入到aqwa软件；

11、步骤2：根据船舶的尺寸资料，建立船舶的三维几何模型，将船舶的三维几何模型导入到aqwa软件，并输入船舶的物理参数；

12、步骤3：根据当前的海域情况来设置模拟需要的环境条件，将海域的多组环境参数输入到aqwa软件；

13、步骤4：计算获取风载荷：

14、

15、

16、

17、式中，fxw为船舶的纵向风力，fyw为船舶的横向风力，mxyw为船舶的艏摇风力矩；cxw为船舶的纵向风力系数，cyw为船舶的横向风力系数，cxyw为船舶的艏摇风力矩系数，ρair为空气密度，vrw为相对风速，at为船舶的纵向受风面积，al为船舶的横向受风面积，lpp为船舶的两柱间长；

18、根据美国船级社abs规范，作用在系泊浮筒上的风载荷的计算公式为：

19、

20、式中，vw为风速，cs为形状系数，ch为高度系数，aw为系泊浮筒垂直于风向的投影面积；

21、步骤5：计算获取流载荷：

22、

23、

24、

25、式中，fxc为船舶的纵向流力，fyc为船舶的横向流力，mxyc为船舶的艏摇流力矩，cxc为船舶的纵向流力系数，cyc为船舶的横向流力系数，cxyc为船舶的艏摇流力矩系数，ρwater为海水密度，vrc为相对流速，d为船舶的平均吃水量，lpp为船舶的两柱间长；

26、根据美国船级社abs规范，系泊浮筒水下部分所受到的流载荷的计算公式为：

27、

28、式中，ρc为海水密度，cd为海流阻力系数，ac为系泊浮筒水下部分垂直于流向的投影面积，vc为流速矢量；

29、步骤6、计算获取波浪载荷：所述的波浪载荷包括一阶波浪力和二阶波浪力；

30、步骤6.1：计算获取一阶波浪力，其计算公式为：

31、

32、式中，n为规则波分量的个数，i、j均为各个规则波分量的序号，αj为规则波分量的幅值，fj为第j个规则波分量的一阶力，e为指数函数，ωj为频谱中每个规则波分量的频率，kj为在波频是：ωj时对应的波数，εj为随机相位角，xp为坐标值，t为时间；

33、步骤6.2：计算获取二阶波浪力，其计算公式为：

34、

35、式中，n为规则波分量的个数，i、j均为各个规则波分量的序号，t为时间，pij表示为与时间无关的传递函数的同相分量，qij表示为与时间无关的传递函数的异相分量，上标为十表示为和频项，上标为-表示为差频项，ωi和ωj表示为每一对规则波分量的频率，εi和εj表示为随机相位角；

36、步骤7：在海洋工程中用作原油装卸的单点系泊输油装置可用以下的运动方程表示：

37、

38、式中，m为结构质量矩阵，a为附加质量矩阵，b为阻尼矩阵，k为总刚度矩阵，f(1)(t)为一阶波浪力，f(2)(t)为二阶波浪力，fc(t)为流载荷的时变函数，fw(t)为风载荷的时变函数，fb(t)为非线性横摇阻尼力，fm(t)为系泊力，t为时间，x为位移，为x的一阶导数，为x的二阶导数，h为卷积分，dτ为微元；

39、步骤8：利用aqwa软件来求解所述的步骤7中的运动方程，对所述的单点系泊输油装置对应的三维几何模型进行数学分析，获取所述的单点系泊输油装置在不同环境条件下的运动数据和受力数据，构建单点系泊输油装置的数学模型。

40、优选地，在所述的步骤2中，所述的船舶的物理参数包括排水量、载重量、总长、型宽、型深、吃水量、侧向迎风面积、艏向迎风面积、侧向受流面积、艏向受流面积、重心距艉封板高度、重心距基线高度、横摇惯性半径、纵摇惯性半径、艏摇惯性半径。

41、优选地，在所述的步骤3中，所述的环境参数包括有义波高、谱峰周期、谱形参数、均匀风速、表层流速、浪流夹角。

42、本发明的有益效果：

43、1、本装置是利用刚臂、铰链和连接链来实现系泊浮筒和船舶的连接，本装置所述的刚臂视为刚体，刚臂的两端分别通过铰链和连接链实现与系泊浮筒顶端的转台、船舶的连接，不仅使船舶与刚臂能够通过转台围绕系泊浮筒的中心自由作风标运动，而且刚臂只传递轴向力以及受到因绕系泊浮筒中心转动而产生的转动力矩，此时，船舶、刚臂、系泊浮筒三者是紧密连接在一起，力的传递则是直接、连续、稳定，从根本上消除了传统船舶系泊方式所出现的间断、突变、不稳定的系泊现象，有效抑制了鱼尾运动的发生，本装置不仅提升船舶的系泊安全性，也减少船舶的系泊成本，避免环境污染。其次，在利用本装置实现船舶系泊时，铰链和连接链能够有效减少刚臂两端所承受的载荷，提高刚臂的使用寿命。

44、2、本装置有效地抑制了鱼尾运动，排除了重大作业风险，免除了为防止鱼尾运动发生所配置的拖轮及拖轮运营所带来的污染源，实现了减碳50％以上的环保效益。

45、3、本发明提出单点系泊输油装置的数学模型构建方法，数学模型是实现单点系泊输油装置的计算机数学模拟的基础，其能够准确地对整个单点系泊输油装置进行数学分析，求解获取到单点系泊输油装置在不同环境条件下的运动数据和受力数据，真实地模拟单点系泊输油装置的运动状态，并可对本装置的全过程工作性能做出精准的预测，有效解决因鱼尾运动而造成的系泊安全问题。