0 引　言

在我国能源战略体系结构性调整的宏观图景下，深远海油气资源开发已成为维护国家能源自主可控能力的关键战略节点。《中国制造2025》报告中，将“海洋工程装备及高技术船舶”列为重点发展领域之一，强调提升核心技术创新能力，以满足国家在深远海油气资源开发方面的战略需求^[1]。为响应市场需求，中国远洋海运集团有限公司联合多家国内知名研究院所，共同研制了一种创新的船型——深远海原油转驳船（Crude Transfer Vessel, CTV），实现了将原油从浮式生产储卸油平台（Floating Production Storage and Offloading, FPSO）直接转驳到超大型油轮（Very large crude carrier, VLCC），首次提出三浮体深远海原油转驳的新模式，即“FPSO+CTV+VLCC”原油转驳模式^[2-3]。

“FPSO+CTV+VLCC”原油转驳模式^[4]，首先，CTV与VLCC组成的船队接近FPSO；接着，具备动态定位功能的CTV通过拖缆牵引VLCC，确保原油转驳作业中的系泊安全；最后，利用CTV上的装卸系统，将FPSO处理后的原油直接转移至VLCC。这一全新的深远海多浮体原油转驳模式，为深远海原油的高效、安全转运开辟了全新路径。

与传统的“FPSO+穿梭油轮”模式相比^[5]，“FPSO+CTV+VLCC”新模式不再需要将原油运输至港口，其运行成本得到有效降低。但由于CTV利用自身的动力定位功能（Dynamic Positioning, DP）通过拖缆牵引VLCC进行原油转驳作业，这造成了多浮体耦合动力学的动态不稳定性，使得CTV的原油转驳作业操作难度更复杂，对转运效率和环境适应性提出了更高挑战^{[6 − 7]}。

目前，对于浮体间的运动响应、水动力干扰以及动态定位等问题国内外学者都进行了一定研究。Tannuri等^[7]针对巴西Libra油田海况，CTV转驳作业进行了全面数值分析。HU等^[8]以新型深水CTV为研究对象，对其定位和拖航方式在巴西海况下的运行、风载荷、流载荷、波浪载荷和航行阻力进行了理论和数值分析，并表明了CTV能够在设计海况下正常运行，为CTV的动力定位系统能力需求分析提供了参考。宣威^[9]以常规船舶为对象，研究了其DP系统的推进器分配算法。鲍威尔^[10]对平台的DP系统进行了时域分析。樊红元^[11]以FPSO为研究对象，针对其串靠外输作业的模式，对该模式进行了全耦合非线性时域分析。严扬月等^[12]针对通用型FPSO与穿梭油轮串靠外输模式，对其进行了耦合水动力及运动响应特性分析。李洪仙等^[13]以多浮体海上平台为对象，建立平台的数值仿真模型，基于三维势流理论对平台进行水动力分析。陈勃任^[14]对FPSO组成的多浮体耦合系统进行了研究，包括FPSO系泊系统、连接拖缆、穿梭油轮等，分析了多浮体运动的干扰因素。蒋志勇等^[15]对双船码头并排系泊系统进行了有限元建模与分析，考虑船舶间的水动力干扰效应，研究了在不同环境载荷下的护舷受力、系缆绳张力变化和船体运动响应特征。熊大鹏^[16]通过Ansys-AQWA水动力软件与水池试验，基于三维势流理论分析了动力定位的原油转驳船在巴西海况的作业运动特性以及计算了CTV牵引VLCC拖缆的拉力情况。蔡舒鹏等^[4]针对南海海域，利用Matlab研究了多浮体系统在卸载作业时的稳定性，计算了CTV推进器所需的最小值来保持系统准静态平衡。

在上述工作的基础上，本文基于三维势流理论，采用AQWA水动力软件，以南海海域为背景，建立“FPSO+CTV+VLCC”多浮体有限元模型，通过频域分析，对CTV和VLCC在横摇、纵摇和垂荡运动的耐波性和作业适应性进行评估和预报，同时进行时域分析，对CTV和VLCC的摇荡运动特性及CTV牵引VLCC的拖缆张力进行分析，探讨“FPSO+CTV+VLCC”原油转驳模式在南海海域的适应性与可行性，为深水油气资源开发提供了实践参考和指导意义。

1 环境载荷及动力定位模拟计算 1.1 流载荷

根据OCIMF规范（Oil Companies International Marine Forum）的相关要求，船舶受到纵荡和横荡方向的流力，以及艏摇方向的流力矩。假设水流表面速度场均匀一致且无摇摆旋转，采用Tannuri等^[17]提出的计算公式，则流载荷分别表示为：

$ {F}_{cx}=\frac{1}{2}{\rho }_{c}v_{c}^{2}{C}_{cx}TL，$

(1)

$ {F}_{cy}=\frac{1}{2}{\rho }_{c}v_{c}^{2}{C}_{cy}TL，$

(2)

$ {M}_{c\varphi }=\frac{1}{2}{\rho }_{c}v_{c}^{2}{C}_{cz}T{L}^{2}。$

(3)

式中：$ {v}_{c} $为海流的相对速度；$ {M}_{c\varphi } $、$ {F}_{cx} $和$ {F}_{cy} $分别为流载荷在船的艏摇、纵荡和横荡方向上的力矩与力；$ {\rho }_{c} $为海水密度；$ {C}_{cz} $、$ {C}_{cx} $和$ {C}_{cy} $分别为对应方向上的流载荷系数，可根据不同的吃水情况和不同船型进行选取；Ｔ为船的平均吃水深度；Ｌ为船总长。

1.2 风载荷

根据OCIMF规范的相关要求，船舶同样受到纵荡和横荡方向的风力，以及艏摇方向的风力矩，采用常规的阻力公式来计算风力分别为：

$ {F}_{wx}=\frac{1}{2}{\rho }_{a}v_{w}^{2}{C}_{wx}{A}_{F}，$

(4)

$ {F}_{wy}=\frac{1}{2}{\rho }_{a}v_{w}^{2}{C}_{wy}{A}_{L}，$

(5)

$ {M}_{w\varphi }=\frac{1}{2}{\rho }_{a}v_{w}^{2}{C}_{wz}{A}_{L}L。$

(6)

式中：$ {\rho }_{a} $为空气密度；$ {M}_{w\varphi } $、$ {F}_{wx} $和$ {F}_{wx} $分别为风载荷作用于艏摇、纵荡和横荡方向的力矩和力；$ {C}_{wz} $、$ {C}_{wx} $和$ {C}_{wx} $分别为对应方向上的风载荷系数；$ {v}_{w} $为海平面上10ｍ的风速；可根据不同的吃水情况和不同船型进行选取；$ {A}_{F} $和$ {A}_{L} $分别为船舶的正面和侧面迎风面积，在数值分析中采用API风谱。

1.3 波浪载荷

在纵荡方向，船舶的平均波浪力可表示为：

$ {F}_{wvx}=2\int _{0}^{\infty }S\left(\omega \right){D}_{x}(\omega ,{\beta }_{0}){\mathrm{d}}w。$

(7)

式中：$ S\left(\omega \right) $为频率为$ \omega $的波谱密度函数；$ {\beta }_{0} $为波浪载荷相对于船体的入射角；$ {D}_{x} $为在纵荡方向上的漂移系数。在横荡和艏摇方向上的波浪载荷$ {F}_{wvy} $和$ {M}_{wv\varphi } $，其计算方法与上述表达式类似，通过谱分析法进行数值计算。

采用JONSWAP谱模拟不规则波^[18]，其方程为：

$ S\left(\omega \right)=\alpha {g}^{2}{\omega }^{-5}{\gamma }^{\mathrm{exp} \left[{{-0.5\left(\frac{\omega -{\omega }_{p}}{\sigma {\omega }_{p}}\right)}^{2}}\right]}\mathrm{exp} \left[-\frac{5}{4}{\left(\frac{\omega }{{\omega }_{p}}\right)}^{-4}\right]，$

(8)

$ \alpha =\frac{5}{16}\left(\frac{H_{S}^{2}\omega _{P}^{4}}{{g}^{2}}\right)[1-0.287\ln \gamma ]，$

(9)

$ \sigma =\begin{cases} 0.07，\omega \leqslant {\omega }_{p}，\\ 0.09，\omega \gt {\omega }_{p}。\\ \end{cases} $

(10)

式中：$ {\omega }_{p} $为谱峰频率；$ g $为重力加速度；$ {H}_{S} $为有义波高；$ \sigma $为谱宽参数；$ \gamma $为谱峰值参数；$ \alpha $为广义菲利普常数。

1.4 CTV动力定位系统

动力定位系统是用来确保浮体在海洋的相对位置，保持与其他船舶与海洋结构物的安全作业距离。CTV具备动力定位系统，该系统在原油转驳作业的实际过程中起到至关重要的作用。因为其DP系统不仅用于应对环境负荷和控制CTV作业区域的位置，同时还可能抵消与FPSO纵轴不一致的环境影响，控制CTV在FPSO和VLCC之间的位置防止碰撞，并实现FPSO原油转移到VLCC。为了在仿真过程中实现CTV的动力定位功能，必须通过一定的方式进行边界限制，抵消船舶的慢漂运动。熊大鹏^[16]提出采用弹簧限制系统来模拟船舶的动力定位系统，探索了不同的弹簧刚度选取方法，最终确定了使弹簧刚度对应的振动系统的固有频率等于波浪频率最小值的十分之一即最佳结果，并试验验证了该选取方法的可行性。

在数值分析中，DP对应弹簧振荡系统的固有频率表达为^[16]：

$ f=\frac{1}{2\text{π} }\sqrt{\frac{k}{m+\Delta m}}。$

(11)

式中：$ m $为CTV的排水量；$ k $为弹簧限制系统的刚度；$ \Delta m $为纵荡、横荡等方向上的附加质量，如$ \Delta m $在纵荡方向上则等于船舶排水量的一倍。

2 多浮体原油转驳系统计算模型及环境参数 2.1 多浮体原油转驳系统模型

在实际原油转驳作业过程中，需要CTV、FPSO和VLCC这3条船的相互协调来完成，3艘船舶的尺寸参数^[16]如表1所示。在原油转驳作业时，一方面CTV总是位于FPSO的下风向，同时，多体船舶间存在水动力相互干扰和相互运动，因此在数值模拟中，FPSO、CTV和VLCC3条船都需要进行建模，由于VLCC和FPSO的船体尺寸相对较大，本文在仿真时采用单元局部长度为2 m，全局长度为5 m，网格单元主要以四边形网格为主，以保证计算精度和控制仿真时间。3艘船舶的有限元模型总网格数量为15556，其中每条船的网格单元均控制在法国船级社建议的3000～6000个网格范围内，符合其对水动力计算网格数量的推荐标准，从而确保了数值模拟过程中的计算精度和结果可靠性。CTV通过拖缆对VLCC进行牵引来保持安全的作业距离，拖缆的主要参数^[16]如表2所示。船舶的有限元模型图1所示。

另一方面，在数值模拟中，FPSO的定位根据实际情况通过多点系泊系统来完成，而CTV是利用输油软管实现原油转驳到VLCC上，由于输油软管始终漂浮在海面上，对VLCC和CTV的摇荡运动特性产生的作用可忽略不计，因此在数值模拟时没有考虑输油软管的作用，多浮体原油转驳系统模型如图2所示。

2.2 环境参数

我国南海的深远海水域蕴含着丰富的油气资源储备，其预估探明储量可支撑我国长期能源需求^[19]。因此本文多浮体原油转驳系统进行时域分析时，选取南海东部海域的环境条件，其5级海况和6级海况的环境参数^[20]如表3所示。在实际的作业状态下，FPSO通常采用多点系泊系统进行定位，其位置和方向基本不会受到环境载荷的显著影响。而CTV和VLCC的航向取决于环境载荷方向的影响，由于VLCC的拖曳作用，CTV艏向总处于迎浪工况，因此本文数值模拟以180°迎浪方向计算为主。

3 多浮体原油转驳系统响应特性分析 3.1 多浮体原油转驳系统有限元模型验证

本文所建立的多浮体原油转驳系统的数值模型，以熊大鹏^[16]对于耐波性水池开展的多浮体摇荡运动水池试验予以验证，其水池试验工况参数^[16]见表4。

通过对文献中工况1和工况2的环境条件进行仿真分析，计算CTV在迎浪状态下的纵摇与垂荡有义值，与文献中水池试验的结果进行比较，如图3所示。结果表明，CTV在迎浪状态下的纵摇与垂荡有义值与文献中水池试验的结果基本相符，确保了本文研究的多浮体原油转驳系统计算模型的准确性和可靠性。

3.2 船体摇荡运动特性

在实际作业过程中，CTV受到风、浪、流等多种环境作用力的共同影响，导致其不可避免地发生摇荡运动。尤其是剧烈的横摇、纵摇和垂荡运动，不仅显著影响CTV牵引VLCC执行原油转驳作业时的动态响应性能，还对CTV所搭载的输油软管连接装置产生较大的结构疲劳损伤风险，严重威胁系统的长期稳定性和安全性。因此需要对CTV和VLCC单船的摇荡运动特性进行分析，计算CTV和VLCC在横摇、纵摇和垂荡运动的幅频响应算子（Response amplitude operator, RAO）来评估和预报船舶的耐波性和作业适应性。

如图4所示，CTV的摇荡运动特性有着显著波频特性。对于CTV的横摇运动，即船舶绕纵轴的旋转运动，峰值出现在0.5 rad/s附近，且在横浪下，其幅值最大，需确保船舶能够承受由横摇引起的侧向应力，而在迎浪下则幅值接近0。CTV的摇荡运动特性呈现出符合常规船舶的运动规律，其运动响应幅度明显受到波浪入射方向的影响，随着浪向的变化而产生显著差异。对于CTV的纵摇运动，即船舶绕横轴的旋转运动，峰值出现在0.8～1.1 rad/s间，可知浪向为艏斜浪120°～150°时，其纵摇幅值最大，确保船体前后部满足承受由纵摇引起的应力集中，而横浪时的纵摇幅值最小。对于CTV的垂荡运动，即船舶在垂直方向的上下运动，垂荡RAO在0.8～1.0 rad/s达到峰值，其横浪时幅值最大，而迎浪时幅值相对较小，对船体结构的垂直应力和稳定性产生深远影响。

由于CTV通过拖缆牵引着VLCC实现原油转驳作业，VLCC的运动特性影响着作业的效率与安全，因此也需计算VLCC在横摇、垂荡和纵摇运动的幅频响应算子（RAO）。如图5所示，可知VLCC与CTV的摇荡运动都表现出明显的波浪频率响应特征，显示其运动响应在特定波频范围内具有较强的规律性和显著性。当船首处于迎浪方向时，在横摇、纵摇及垂荡方向上的运动幅度均表现出较小甚至达到最小值的趋势。因此，保持CTV的艏向始终处于迎浪方向，可以有效减小其摇荡运动幅度，进而提升原油转驳作业的稳定性和安全保障，确保作业过程顺利进行。

在原油转驳作业时，FPSO作业采用多点系泊方式对其定位，而CTV总是位于FPSO的下风向，同时由于VLCC的拖曳作用，其艏向总会处于迎浪状态。因此时域分析主要考虑CTV在不同海况下180°迎浪状态时的运动响应和拖缆张力情况。

如图6所示，分别给出了在6级海况下，CTV在横荡、艏摇和纵荡运动的时历曲线。在180°迎浪状态时，CTV纵荡方向的运动幅值较大，且最大值为负方向最大值，这是主要是因为设定风、波浪和流载荷方向为迎浪180°，VLCC本身的尺寸大和载重量大，在该工况下，CTV牵引VLCC会造成较大的运动幅值。通过统计分析在南海6级海况，CTV纵荡运动最大运动为8.56 m。而对于CTV在横荡和艏摇方向的运动幅值变化波动，可能是由于VLCC在横荡方向运动的不稳定性增大，使得VLCC横荡方向的摆幅较大，而VLCC的横向摆幅会影响CTV船舶的横荡及艏摇运动。在实际作业时，VLCC对CTV在横荡、纵荡和艏摇运动会产生较大的影响。CTV在南海5级海况和6级海况的运动最大值如图7所示，在南海6级海况，CTV横荡、纵荡和艏摇的最大运动分别为4.48 m、8.56 m和3.12°，而在南海5级海况，CTV横荡、纵荡和艏摇的最大运动分别为2.13 m、4.21 m和1.31°。因此，在实际原油转驳作业中，需要更加精确调整CTV的动力定位系统来保证与VLCC之间的安全位置。

3.3 拖缆张力

拖缆由于对称布置，因此在迎浪180°方向下，2条拖缆的张力结果曲线几乎相同，南海5级海况和6级海况下拖缆1和拖缆2张力的时历曲线如图8和图9所示。通过对拖缆张力的时历曲线进行统计分析，南海5级海况拖缆1和拖缆2的最大张力分别为1.723×10⁶ N和1.731×10⁶ N，安全因子分别为3.86和3.84，符合作业要求。对于南海6级海况下拖缆1和拖缆2的最大张力分别为4.856×10⁶ N和4.861×10⁶ N，安全因子均为1.37，符合作业要求。相对5级海况而言，拖缆张力值幅值变化大，且变化剧烈，是由于VLCC超大型油轮的载重量和尺寸较大，拖缆张力受到的影响越大，CTV与VLCC的相对纵荡运动，使得拖缆反复绷紧松弛。

4 结　语

本文基于三维势流理论，以南海海域为背景，建立“FPSO+CTV+VLCC”多浮体有限元模型，与已有文献的水池试验数据进行比较，计算了CTV在迎浪状态下的纵摇与垂荡有义值，验证了本文多浮体原油转驳系统计算模型的准确性和可靠性。

为了评估和预报船舶的耐波性和作业适应性，对VLCC和CTV的摇荡运动进行分析，CTV和VLCC的摇荡运动特性呈现出符合常规船舶的运动规律，且运动响应幅值随浪向的影响较为显著。因此，CTV的艏向始终处于迎浪方向，可以有效减小其摇荡运动幅度，进而提升原油转驳作业的稳定性和安全保障，确保作业过程顺利进行。在时域分析中，对其在南海5级和6级海况下，180°迎浪状态时的运动响应和拖缆张力时历变化进行计算。结果显示在不同海况下，CTV横荡、艏摇和纵荡运动都产生较大的幅值变化，在南海6级海况，CTV横荡、纵荡和艏摇的最大运动分别为4.48 m、8.56 m和3.12°。这是由于VLCC本身的尺寸大和载重量大，CTV牵引VLCC会造成较大的运动幅值，因此在实际作业中，需要更加精确调整CTV的DP系统来保证与VLCC之间的安全位置。

最后对拖缆张力进行分析，南海5级海况拖缆1和拖缆2的最大张力分别为1.723×10⁶ N和1.731×10⁶ N，安全因子分别为3.86和3.84，符合作业要求。对于南海6级海况下拖缆1和拖缆2的最大张力分别为4.856×10⁶ N和4.861×10⁶ N，安全因子均为1.37，符合作业要求。虽然本文针对多浮体原油转驳系统的响应特性进行了深入研究，但在未来的工作中应该采用主动的动力定位算法来限制CTV的运动，更完善地实现CTV的动力定位功能，使得仿真结果更加精确。