海洋石油支持船特殊操纵性及其性能研究.pdf

海洋石油支持船特殊操纵性原其性能指标研究 林文锦 内窑提要概注每洋右油支持船的功能恃者、和对海洋石油支持船的性能要求并就到堤载荷与船舶运动模式1对海洋石油 支持船的动力配置要求与特殊操纵性进行分析，界定了构成特殊操纵性性能指标的定点定向，If向重原、定点回旋、定向位 移四项操纵性能指标的基事概念，并对这些性能指标及其应用分别进行探讨与论述e 关键词.海洋石油支持船特殊操纵性性能指标 Study on Special Maneuverability heading and position holding capacity,heading recovery, rotation around a fixed-point,shiftingwitha fixed-heading,whichare perance indsofspecial maneuverabilityforoffshore support vessels.Also,itmakes further discussiononthese inds and their utilization respectively KeywordsOffshoreSupport VesselSpecial ManeuverabilityPerance Index 中;每油田服务股份有限公司 ijjai- 设、撤除、检修水上水下电缆或管道的施工作业支持 外，还可用于为浮式产储装置FPSO提供提油作业支 持，输送散装液体和固体钻采物资等。 海洋石油支持船以近海供应船的入级规范的技术 要求为基础船型设计建造，并综合考虑附加功能所对 应的有关规范的技术要求。一般按无限航区要求设计， 具有双层底及边舱舱室结构，采用前倾式船街、巡洋舰 式船娓，将起居处所和驾驶台设在精部，在后都区域提 供了开敞式艇部甲板，装备有满足功能要求的甲板机 械、索具和专用设备及相关系统，用于载运海上设施的 专用物资与设备，或在拖曳、错作、工程施工等作业支 持活动时作为作业甲板使用。此外，在主甲板以下区域 布置有分舱结构合理的许多液舱和/或密闭罐及其装 载与输送系统，用于海上设施专用散装液体和固体物 资的载运与输送，并用于调整控制船的载况和稳性。 船舶人级检验机构通常根据海洋石油支持船的船 体结构、船舶设备配置和船舶具备的主要功能等授予 该类船舶的船级附加标志。对于该类船舶的种类归属 及其管理，目前在国内尚未有明确规范的界定，但我国 主管机关、船级社以及相关机构正在研究探讨之中。 2海洋石油支持船的性能要求 海洋石油支持船从事的海上作业支持活动，通常 需要在远离陆地的各种不同的海洋环境条件下进行， 不仅要具有靠离港内码头泊位的操纵性能，更要具有 靠离海上设施或执行相应作业支持的操纵性能，以便 在一定的环境载荷条件下实时对船的航迹与船位状态 进行精确控制。 海洋石油支持船靠泊海上设施进行物资和人员转 移，以及在拖曳锚作和其他相关作业支持时进行连接、 解脱或传递短索或其它相关索具的操作;或在移动式 海上设施就位、撤离或限位等作业活动期间，在海上设 冒|曹 海洋石油开采活动最早始于1887年，当时在近岸 数米水深的海城钻探了世界上第一口海上探井，揭开 了海洋石油勘探的序幕。海洋石油开采活动受制于高 技术、高风险、高投资的特点，发展缓慢，至20世纪40 年代，英国北海海域及墨西哥湾在浅海近岸开始油气 生产;到了60年代初期半潜式平台出现，要求一些近 海供应船同时具备有为海上设施迁移提供拖曳锚作及 就位支持的能力，并具备有特殊的船舶操纵性。海洋石 油支持船也因此在国际上成为船舶领域新出现的一种 船舶种类。国际海事组织及许多行业组织均习惯于将 该类船舶归类于海洋石油支持船OffshoreSupport Yessels，或OSY类别。 进入21世纪以后，随着海洋石油开来活动向深水 和超深水海域的不断拓进，海洋石油支持船无论在使 用功能、技术性能，还是设计建造、操作要求等方面均 有了新的变化和更高要求。我国国内的海洋石油支持 船，目前已有高达200艘以上的相当规模，并有继续增 长的态势。 本文将针对海洋石油支持船的功能特点，对特殊 操纵性能的要求进行介绍，并就环境载荷与船舶运动 模式，对海洋石油支持船的动力配置要求等方面进行 分析与探讨。论述其具备的特殊操纵性特点，界定这些 操纵性能指标的基本概念及其应用方法，以促进海洋 石油支持船的管理、操作和相关应用的进一步规范。 1海洋石油支持船的功能 海洋石油支持船是指专门进行与海洋石油开来 活动有关的供应、拖曳、锚作、守护、破冰、人员载运、提 油支持、工程施工、遥控潜水器ROY支持和检测等作 业支持的船舶。具有拖曳锚作供应功能的海洋石油支 持船除参与设置、拆除水上、水下的海上设施以及铺 。 第2期〈航海技术2010年 2 施的相应方位和距离上控制海上设施状态，通常需要 海洋石油支持船以非系泊方式保持船位与精向的相对 稳定，即需要以“定点定向“、“精向复原“方式操纵控制 船舶a此外，海洋石油支持船在接近和人泊海上设施期 间，调整或重新设定脂向及船位、提油支持、工程施工、 遥控潜水器支持、检测等作业支持时，通常需要海洋石 油支持船原地改变脯向，或在保持自首向时向指定方向 i故位移运动，P需要以“定点回旋“、“定向位移“或“精 向复原“方式操纵控制船舶c 根据以上海洋石油支持船的作业支持活动特点对 船舶操纵性能的要求，海洋石油支持船必须具备有以 上特殊的操纵性能，以满足在一定的环境条件下为海 洋石油开来活动提供所需的相应作业支持能力。 3环境载荷与船舶运动模式 船舶在波浪的作用下，围绕着船舶重心之X、Y、Z 轴作线性运动和回转运动。对海洋石油支持船的运动、 船位保持及船体姿态控制有直接影响的因素是船在波 浪中的横荡、纵荡和精摇运动，以及风压和流压的叠加 作用等。这些环境载荷相对于船舶重心形成横向、纵向 分力及偏转力矩，使得船舶产生位置偏移或脑向偏转。 可见，海洋石油支持船首先要具备有克服位置偏 移或脯向偏转所需的横向、纵向推力及回转力矩，才能 具有所对应环境载荷下的“定点定向“操纵能力，以及 相应的“箱向复原“、“定点回旋“和“定向位移“操纵能 力。而该能力完全取决于海洋石油支持船具备的动力 配置，容许的动力负载及环境载荷。 4海洋石油支持船的动力配置 为使海洋右油支持船具有输出横向、纵向推力及 产生回转力矩的能力，海洋石油支持船必须至少装备 有满足其尺度和相应功能要求的、可分别在驾驶台直 接操纵的主推进动力装置和舵装置或舵桨型主推进 装置各两台，以及脯部侧向推力装置一台，使其在一 定的环境载荷下具备相应的定点定向、自首向复原、定点 回旋、定向位移的操纵能力。 相当部分的海洋石油支持船还具备有娓部侧向推 力器和一个以上自箱部侧向推力器。除此外，少数具备 动力定位系统DP的海洋石油支持船通常采用全回转 型的主推进器和腊部侧向推力器。 对于装备有适当数量推力器并具有相当推力功率 的海洋石油支持船，相对于某一特定的推力器及舵的 配置，可根据所需的回转力矩及推力器利用率和/或容 许动力负载的某一给定值，并通过人工操纵方式或自 动操纵方式输出横向、纵向所需的分力和回转力矩，抵 消或抑制船的横荡、纵荡和脑摇运动，以及由风压和流 压的叠加影响，使得海洋石油支持船在横荡轴和纵荡 轴上各种控制力的组合下进行操纵运动。 海洋右袖支持船特酷操纵性且其性能指标研究一一林立锦 由于船舶的横荡轴和纵荡轴上的每一对力都司向 成力的矢蠢，所以，在平面上由海洋石油支持船许可推 力构成范围内的每一点都相应于某一特定的控制力组 合c这一对力则取决于环境载荷所要求的回转力矩的 大小，一旦所要求的回转力矩大小或环境载荷改变， 就需要以相对应的恃定的控制力组合控制船舶的运动 状态。如果所要求的力矢量超过了推力许可范围的边 界，那么推力许可范围的边界就是该船当时所具备的 极限力矢量，由此形成的平面图形即为该船的推力性 能图。 绝大多数的海洋石油支持船的纵向、横向或全回 转推进器或推力器通常采用变liE桨CPP型式。用于海 洋石油支持船的推进装置/推力器的类型主要有 1耀轴传动式推进装置可细分为带或不带导管 式变liE桨或定距桨，大多数海洋石油支持船的推进装 置为带导管式变距桨。 2全国转推进装置/推力器可细分为带或不带 导管式变liE桨或定距桨。 3槽式或伸缩式侧向推力器可细分为定距桨 或变距桨二种。 4外摆线直翼式推进器由五个可变换角度的垂 直翼围绕垂向轴以外摆线旋回方式运转的舵桨型推进 装置，通过调整横向偏心量的方向和位置，不仅可输出 推力，也可快速改变推力方向。 在舵设备方面，大多数海洋石油支持船通常装备 有可分别操控的双舵系统。该系统的发展是源于船舶 主令操纵系统Joystick和动力定位系统对舵设备单元 及其控制应用的要求而产生的，许多海洋石油支持船 通常采用带有子舵叶的增效型襟翼舵。可分别操控的 双舵系统在手动操舵模式下，可根据推力装置的推力 方向和大小不同，对tr.舵和右舵分别进行不同舵角及 向的操控，以最适当的车舵配比充分发挥操纵设备 性能，实现最佳操纵效果。 大部分的海洋石油支持船装备有主令操纵系统; 部分多功能具有足，够动力冗余的海洋石油支持船还具 备有动力定位系统，以降低船长的工作强度及最大限 度避免可能的人为操纵错误。对于具备足够动力及合 理电网配置的海洋石油支持船，可在常规航行及作业 条件下，提供相应可靠的动力及技术冗余，并降低部分 动力设备可能出现的突发性运行故障导致船舶失控的 潜在风险。 由于海洋石油支持船在动力配置方面具备有操纵 所需的相应的横向、纵向推力及回转力矩，因此，海洋 石油支待船在一定的环境载荷下具备有对应的定点定 向及相应的脑向复原、定点回旋、定向位移的特殊操 纵性。 3 厅F京三芝--- 斗14“.......,\ γ仁4二二三二i却 \7飞坪抖护;/Ii\fil午丰产二“ 跺制;;i副ι;王Z;「7，、5到Di摆酶酌盘踹盼盼A当船舶偏离设定脯向的角 度大于许可偏角时，该船不具备精向复原能力，并将继 续偏离设定腊向导致船舶失控偏转。 』图l所示的某一海洋石油支持船的定点定向性 能标绘图上，可查得该船的自首向复原操纵性能参数在 1kn流速下，如风速为40len，则船赠向左或向右的许 可偏离角度约为不超过26;在2kn流速下，如风速 为40len，则船舶向左或向右的许可偏离角度约为不超 5特殊操纵性性能指掠;主i 海洋石油支持船的操纵性指标可分为 基本操纵性能搭标和恃珠操纵性能指标。 基本操纵性性能指标与其他类型船舶 -样，是指旋回旋回性及初始回转性、直 航偏转抑制性能和保向性、后退及停船 ff船性能的性能指标c由于动力配置及 驾驶台位置等恃点，海洋石油支持船具有 转向灵活与停船冲程小的优伍，但要渔意 进车打舵操纵时的甩饵，以及停车淌航时 的舵效变差与偏转等现象。， 对于海洋石油支持船的特殊操纵性性能指标，本 文将对构成特殊操纵性的四项操纵性能指标分别界定 其基本概念，并对相关应用进行探讨和论述。 5.1定点定向操纵性能指标 定点定向性能指标目是指海洋石油支持船在任一 方向」二同时受风和恒定流的影响时，可在原地保持船 位和精向不变时在该方向上所许可的最大风速。该性 能还与船的吃水及纵倾程度有关。 海洋石油支持船的定点定向操纵性能指标通常以 以下方法表示 以f宣定流速分别为Okn、0.5kn、1kn、1.5kn和2kn， 在双主推进器、舵装置及侧向推力器的许可使用范围 内，海洋石油支持船在任一方向恒定受流时，可保持船 蜡向和对地位置能力所对应的该方向上受风的最大风 速，并以风速Okn至501m或至OOkn为半径范围在 所有方向上进行作图标绘，以确定该船所具备的定点 定向性能参数。 具备动力定位系统的海洋石油支持船通常备有不 同流速下的定点定向性能标绘图，并可实时显示当时 环境条件下的定点定向性能参数，有些则可实时显示 推力性能图。但由于技术、成本等原因，目前不具备动 力定位系统的海洋石油支持船多数还不备有本船的定 点定向性能标绘图。定点定向性能标绘图对海洋石油 支持船船长及时掌握各种不同环境载荷下本船的操纵 能力，以及准确地进行作业风险评估，保障海上安全与 有效作业极其重要。因此，建议海洋石油支持船尽可能 备有本船的定点定向性能标绘图。 图l所示为某一船体附加标志为供应船的海洋石 油支持船，在流速分别为1kn、2kn时的定点定向性能 标绘图。该船总长度70.0m、型宽16.0m、满载吃水 5.8m，动力配置为主推进动力2X1952leW、精部侧向 推力器2X400kW、自尾部侧向推力器1X400kW，铲形舵 2个，推力器全部为cpp型式。 图l中任一方向上所许可的最大风速可与该船在 该方向上所能具有的最大动力矢量成对应关系，动力 . 4f航海技术2010年在2期 过210 5.3定点回旋操纵性能指标 定在回旋性能指惊。是指海洋石油支持船在任 方向上同时受风力和恒定流的影响时可在原地围绕 着船的重中作对地回旋运动时所许可的最大风速εi亥 性能还与船的吃水及纵i顷程度有关。 海洋石油支持船如备有定点定向性能标绘图，定 点回旋操纵性能参数可从图中查得d在相应流速参数 的定点定向性能标绘图上，从中心作一圆与该船所有 方向上许可的最大风速所构成的图形边界内切，切点 处的圆半径所对届的风速n为该船的定点回旋操纵性 能参数，n许可的最大风速。在某一恒定流速下，当实 际风速低于该许可的最大风速时，该船具备定点回旋 能力;当实际风速大子该许可的最大风速时，该船不具 备定点回旋能力L 从图I所示的某一海洋石油支持船的定点定向性 能标绘图上可查得该船的定点四旋操纵性能参数. 在Ikn流速下，许可的最大风速约为不超过15kn;在 2kn流速下，许可的最大风速为不超过2阳。 此外-些具备动力定位系统的海洋右油支持船 在执行遥控潜水器支持、海上工程支持等任务时，需要 将船的“国旋中心点“设置在偏离重心的某一特定位置 处，如脯部或娓部，进行回旋操纵以改变设定箱向。为 满足该要求，通常有超过一个的“回旋中心点“程序化 于系统之中，并以“可替代回旋点“APRs方式供选 择。但在该操纵模式下，将需要海洋石油支持船有比围 绕童心回旋所需的更大的功率值以及更加合理分布的 推力器周子操纵，这取决于拟选择的“回旋中心点“偏 离船舶重心的距离;同时，该模式下的操纵能力分析， 涉及到更为复杂的数学计算模型，需要针对不同位置 的“回旋中心点“设置，计算回旋操纵中偏离重心距离 所需不断修正及补偿的推力与转船力矩，结合本船推 力性能，方可得出该操纵模式下许可的环境载荷。因 此，该操纵横式一般只在动力定位系统的自动模式下， 并根据设定的“回旋中心点“和系统给出的许可环境载 荷下进行。该模式下的操纵性能参数，不在本文界定的 定在回旋操纵性能指标的考虑范围。 5.4定向位移操纵性能指标 定向位移性能指标是指海洋石油支持船在任一 方向上同时受风力和恒定流的影响时，保持船腊向不 变，向该环境载荷作用方向进行位移操纵时在该方向 上所许可的最大风速。该性能还与船的吃水及纵倾程 度有关。 海洋石油支持船如备有定点定向性能标绘图，定 向位移操纵性能参数可从图中查得。在相应流速参数 的定点定向性能标绘图上，任-方向，匕许可的最大风 4罪单石袖支持船恃酣操纵性且其性能指标研究一一林立楠 速即为it船在设定流速下的定向位fZ操纵性能参数二 在某一t定流速下，当实际凤速低于1衷方向上许可的 最大风速时，该船具备走向{立移能为，当实际风速等于 1在方向上许可的最大风速时，该船处于II面界的定任定 向状态;当实际风速大于1衷方向上许可的最大风速时‘ 则该船不具备该恃定环境条件下的定向f立移能力，将 在环境载荷的作用下失控漂移。 从图l所示的某一海洋石油支持船的定点定向性 能标绘图上可查得该船的定向{立移操纵性能参数 在1kn流速下，如向右45方向定向位移，则许可的最 大风it约为不超过251m;在2kn流速下，如向右45 方向走向位移，则许可的最大风速为不超过6kn。 通常将海洋石油支持船在相应流速下向正横方向 作定向位移操纵时，正横方向上所许可的最大风速作 为该船在该环境载荷条件下的极限定向位移性能参 数。 根据上述对海洋石油支持船具备的特殊操纵性囚 项性能指标及其应用的探讨和论述，在具体的船舶操 纵实践中，海洋石油支持船操纵人员可根据当时的环 境和膺况，综合利用本船所具备的旋回、直航、后退及 停船的基本操纵能力，以及所具备的定点定向和相应 的精向复原、定点回旋、定向位移的特殊操纵能力。适 时保持对航速余速、脯向方位和距离横距三要 素的最佳操控以及船位状态的控制，使得海洋石油支 持船在设定锺向和位置处保持脯向与船位，或以设定 的航线，或以定点回旋、定向位移方式进行操纵运动。 6结束语 海洋石油支持船作为近代新兴并木断发展的-种 船舶种类，给船舶制造业、海洋石油业及航运业带来深 远影响。对海洋石油支持船的功能特性和特殊操纵性 及其性能指标的研究应用，是一个全新的课题。笔者希 望通过本文的介绍与论述，使读者了解海洋右油支持 船的发展、功能特性、动力配置、特殊操纵性及其性能 指标与应用;也希望本文对促进我国规范该类船舶的 种类归属及其管理、规范该类船舶的设计建造能有所 帮助。本文提出的特殊操纵性性能指标概念及其应用 方法，不仅可为海洋石油支持船船长及有类似动力配 置的舰船操纵人员在操纵时掌握极限环境载荷的判断 提供方法参考，也可为操纵模拟器相关应用研究等方 面提供技术参考。 在此也建议专业人士、同行以及有关管理与技术 机构对海洋石油支持船的管理、操作和相关应用进行 深入研究，共同促进我国对海洋石油支持船的管理、操 作和相关应用的进一步规范。 刷作者。林立锦中海油田All股份有I企司街融事业部错，古作 业公司副经理高姐船长 5 .