浅水中安全停泊浮体的方法.pdf

本发明公开了一种浅水中安全停泊浮体的方法，其目的是提供一种有效装载体积大且能够在浅水海域安全停泊浮体的方法。其技术方案为：一种浅水中安全停泊浮体的方法，其特征为：由如下步骤实现：1)测量停泊水域的水深；2)用浮体停泊水域的水深与浮体的允许吃水的比值确定浮体底部至水底之间的最小间隙λ，如果λ值在1.1～1.3之间，所述浮体可以安全停泊。浮体造价低，通过改变浮体的长度、宽度与型深等措施，可以有效地提高浮体装载能力；对工程船舶在浅水停泊作业状态下的最小作业水深进行预报，采用本发明停泊方法的浮体载重量可比传统停泊方法的浮体载重量提高6～9％。

1.  一种浅水中安全停泊浮体的方法，其特征在于：由如下步骤实现：
1)测量停泊水域的水深；
2)用浮体停泊水域的水深除以浮体的最大吃水得出浮体底部与水底之间的最小间隙λ，如果λ值在1.1～1.3之间，所述浮体可以安全停泊。

2.  根据权利要求1所述的安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述λ值为1.1～1.25；

3.  根据权利要求1所述的安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述浮体的允许吃水与所述浮体的载重量成正比，与所述浮体的干舷值成反比。

4.  根据权利要求3所述的安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述载重量设为DWT，由下述公式计算：
   DWT＝L·B·T·C_B·γ-W_L
   其中：DWT为浮体的排水量扣除浮体空载时的自重；
         L为浮体的长度；
         B为浮体的宽度；
         T为吃水度；
         C_B为吃水度为T时的方形系数；
         γ为水的密度；
         W_L为浮体空载时的自重。

5.  根据权利要求4所述的安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述方形系数C_B与所述浮体的长度L、宽度B与吃水度T的乘积确定所述浮体的排水体积，由下述公式计算：
C_B＝V/(L·B·T)
其中：V为吃水度为T时浮体的排水体积；

6.  根据权利要求5所述的安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述方形系数C_B为0.93～0.96。

7.  根据权利要求4所述的安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述干舷值为型深和吃水的差值，其表达方式示为：D-T，其中D为所述浮体的型深。

8.  根据权利要求1或5或7所述安全停泊浮体的方法，其特征在于：所述浮体的长度、宽度与型深的乘积与其首尾尖舱、机舱、双层底舱及双壳货舱区的专用压载水舱容积之差设定所述浮体的货舱容积，所述浮体的货舱容积与所述浮体的长度、宽度、型深成正比关系，如下式表述：
其中：V_C为货舱容积。

9.  根据权利要求8所述的浮体，其特征在于：所述V_C与所述L·B·D的比值为0.5～0.6。

浅水中安全停泊浮体的方法
技术领域
本发明涉及一种浅水中安全停泊浮体的方法。
背景技术
随着海洋石油勘探开发的高速发展，特别是渤海大型油田的不断发现，需要在水深很浅的海域建造多艘浮式生产储油装置(FPSO)，其中包括建造15万吨～30万吨级的FPSO。另外在浅水海域中使用的浮体还包括铺管船、起重船、工程驳船、钻井船等等。浅水海域浮体的安全停泊，以及在停泊状态下进行浅水海域的工程作业，此时的船舶的吃水与水深相当接近，它直接影响到浮体的阻力、总强度及运动特性。
在恶劣的作业海况下，当浅水海域遭遇海浪袭击时，对于大型工程浮体来讲要保持其功能及作业能力，保证不碰撞海底，目前国内外均未有这方面的研究。浮体的设计建造与长期的使用经验已经证实了一个事实，航行的船舶与作业的安全水深不能小于船舶自身吃水的1.3倍，既水深/吃水≥1.3，因此，在浅水中浮体是否能够安全停泊，吃水会受到较大限制；为满足浮体的使用功能，传统的设计思路是尽量减小吃水，及加大浮体长度或浮体宽度的作法，从而形成了一般的“扁平”浮体型或“细长”浮体型。“扁平”型的浮体有效装载体积小，耐波性差，不利于工程作业；“细长”型的浮体由于总纵弯矩增大，为保证一定强度要求，钢材耗费很大，船舶造价高。
发明内容
为了解决海上浮体的安全停泊问题，使现有的浮体即能加大其载重量，又使其底部不会发生触底碰撞；本发明的目的是提供一种有效装载体积大、浮体造价低且能够保证在浅水海域安全停泊浮体的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种浅水中安全停泊浮体的方法，其特征在于：由如下步骤实现：
1)测量停泊水域的水深；
2)用浮体停泊水域的水深与浮体的允许吃水的比值确定浮体底部至水底之间的最小间隙λ，如果λ值在1.1～1.3之间，所述浮体可以安全停泊。
所述λ值最佳设为1.1～1.25；
所述浮体的允许吃水与所述浮体的载重量成正比，与所述浮体的干舷值成反比。
所述载重量设为DWT，由下述公式计算：
DWT＝L·B·T·C_B·γ-W_L
其中：DWT为浮体的排水量扣除浮体空载时的自重；
L为浮体的长度；
B为浮体的宽度；
T为吃水度；
C_B为吃水度为T时的方形系数；
γ为水的密度；
W_L为浮体空载时的自重。
所述方形系数C_B与所述浮体的长度L、宽度B与吃水度T的乘积确定所述浮体的排水体积，由下述公式计算：
 C_B＝V/(L·B·T)
其中：V为吃水度为T时浮体的排水体积；
所述方形系数C_B为0.93～0.96。
所述干舷值为浮体的型深和浮体吃水的差值，其表达方式示为：D-T，其中D为浮体的型深；浮体的型深不变时，干舷值越小，其浮体的吃水越大。
所述浮体的长度、宽度与型深的乘积与其首尾尖舱、机舱、双层底舱及双壳货舱区的专用压载水舱容积之差设定所述浮体的货舱容积，所述浮体的长度、宽度、型深与所述货舱容积为正比，其关系如下所示：
 V_C∝L·B·D
其中：V_C为货舱容积。
所述V_C与所述L·B·D的比值为0.5～0.6。
本发明通过水深与吃水的最小比值设定了浮体底部与水底之间的最小间隙，将此现象定义为“浅水效应”，此概念的应用，为浅水海域作业的浮体找到一个全新的安全停泊方法，其优点如下：
1.可进行浅水浮体的最大吃水设计，浮体主尺度的优化设计，通过改变浮体的长度、宽度与型深等措施，可以有效地提高浮体装载能力；采用本发明停泊方法的浮体载重量可比传统停泊方法的浮体载重量提高6～9％。
2.可对浅水海域停泊系统性能进行优化改善。
3.能够对工程船舶在浅水停泊作业状态下地最小作业水深进行预报，保证浮体能够承受的最大载重量，同时保证其浮体作业的安全性，减少因触底碰撞对浮体造成的损坏。
图1为本发明“浅水效应”的效果示意图
图2为本发明适用的储油船、油轮、化学品船舶、散货船和干货船等载货船舯剖面示意图
图3为本发明适用的驳船、起重船、铺管船和钻井船等工程船舶的舯剖面示意图
图4为本发明实施例一船舶舯剖面示意图
图5为本发明实施例二船舶舯剖面示意图
船舶“浅水效应”优化设计方法是理论研究、数模分析和模型试验的结果。它通过相关的方法，对船舶主尺度、舯剖面结构图和系泊系统性能进行设计、优化和校核。
本发明所述的浅水中安全停泊浮体的方法，采用如下步骤实现：
1)测量停泊水域的水深；
2)用浮体停泊水域的水深除以浮体的最大吃水得出浮体底部与水底之间的最小间隙λ，如果λ值在1.1～1.3之间，浮体可以安全停泊。  λ值最佳取自1.1～1.25；  上述浮体的允许吃水与所述浮体的载重量成正比，与所述浮体的干舷值成反比。  将上述浮体的载重量设为DWT，经过下述公式计算：
   DWT＝L·B·T·C_B·γ-W_L
其中：DWT为浮体的排水量扣除浮体空载时的自重；
L为浮体的长度；
B为浮体的宽度；
T为吃水度；
C_B为吃水度为T时的方形系数；
γ为水的密度；
W_L为浮体空载时的自重。
所述方形系数C_B与所述浮体的长度L、宽度B与吃水度T的乘积确定所述浮体的排水体积，由下述公式计算：
 C_B＝V/(L·B·T)
其中：V为吃水度为T时浮体的排水体积；
方形系数C_B设为0.93～0.96时，确定浮体的最佳长L、宽B的尺度。
所述浮体的干舷值为浮体型深和浮体吃水的差值，其表达方式示为：D-T，其中D为所述浮体的型深，浮体的型深不变时，干舷值越小，其浮体的吃水越大。
所述浮体的长度、宽度与型深的乘积与其首尾尖舱、机舱、双层底舱及双壳货舱区的专用压载水舱容积之差设定所述浮体的货舱容积，所述浮体的货舱容积与所述浮体的长度、宽度、型深成正比关系，如下式表述：
V_C∝L·B·D
其中：V_C为货舱容积。
所述货舱容积V_C与所述L·B·D的比值为0.5～0.6。
依据上述思路，本发明具体实施例如下：
实施例一
在渤海某一油田中的浮式生产储油装置(FPSO)，采用船舶“浅水效应”的理论，引入水深与吃水比值λ的概念，即采用以下方式计算：λ＝H/T；式中：H为水深，T为船舶吃水；当λ值限定时，通过测量测出浮体停泊海域的水深H值，可以通过计算得到浮体的最大吃水。
如图1所示，当λ≤1.3时，“浅水效应”现象产生，在这时船底与海底的距离d值减少时，船舶垂向运动减缓，随着d值的进一步减少，“浅水效应”的效果越来越显著，将d减小到d₁时，船舶的吃水由T增大到T₁；此时，船舶的吃水能力得到充分发挥，使船舶的装载量增加，总纵强度应力水平下降。当λ为某一值(λ_C)时，船舶处于碰底的临界点。临界点λ_C值在1.1～1.25范围内，临界点λ_C值与浮体停泊的环境条件和浮体的几何特征参数有关。
如图2所示，对于舯剖面形状或与图2形状相似的浮式生产储油装置(FPSO)、浮式储油装置(FSO)、油轮、化学品船舶、散货船和干货船等载货船舶，在进行浅海作业时，使用浮体的“浅水效应”优化设计方法的示意图，它们的临界值λ_C取为1.1～1.25。
如图3所示，对于舯剖面形状或与图3形状相似的驳船、起重船、铺管船和钻井船等工程船舶进行浅海作业时，使用浮体“浅水效应”的优化设计方案示意图，它们的临界值λ_C取自1.1～1.25时，浮体的装载量可以提高，同时可安全停泊。
本发明中所述浮体能够安全停泊，除对吃水加以限定外，为使浮体的综合性能得以提高，需要对浮体的各项指标进行优化设计。
将浮体功能及用途、系泊方式、水深、环境条件(包括作业条件与极值条件)、船型已知条件限定，由上述公式计算出浮体的载重量；
当浮体满足功能要求下，其浮体的纵摇、横摇、升沉等运动性能最佳，浮体自身所用钢材最省的主尺度方案，求出浮体底部与海底之间的安全间隙。
实施例二
如图4所示，BZ25-1油田的浮式生产储油装置(FPSO)的舯剖面，其图4中实线为常规思路的方法，虚线为使用了“浅水效应”进行的多方案优化，最后在满足功能的要求下，其船舶的纵摇、横摇、升沉等运动性能最佳，船体钢材最省的船舶主尺度方案。并提供了安全作业条件下的运动参数、船底与海底之间的安全作业间隙、以及船体线型图和舯剖面结构图。具体方案如下：
在渤海BZ25-1油田上，当地海域水深为18米，考虑极端低水位后，水深仅为16.7米。因工程开发要求，需利用一条已有的16万吨级的FPSO，这条FPSO的设计吃水是14.5米，按常规该FPSO只能使用12.33米的吃水，这样会使得FPSO的原油装载量减少近3万吨。在保证遭遇百年一遇环境条件时能够进行安全作业的前提下，使FPSO的吃水由12.33米增加到14.5米，船底至海底的间隙由4.37米减小到2.2米，在FPSO主尺度不变情况下，仅此改善使得FPSO的排水量增加了近3万吨，FPSO的原油装载量多增加了近3万吨，FPSO的16万吨载重量得到了充分发挥。这样使得FPSO每一星期可多向外运送3万吨原油。这条FPSO将在海上工作20年以上，其经济效益非常可观。
实施例三
如图5所示，以30万吨级的FPSO在渤海东部的PL19-3油田中应用为例，渤海东部的PL19-3油田最小水深仅25.75米，如按常规设计FPSO的主尺度，其载重量指标低，使用船舶“浅水效应”优化设计方法进行FPSO的主尺度设计，将FPSO的吃水从20.4米增加到22米，船底至海底的间隙由5.35米减小到3.75米，可使该FPSO原油装载量比国外设计方案增加6％～9％，船体钢料节约2280～3480吨。
使用船舶“浅水效应”优化设计方法，FPSO在百年一遇的环境条件下可以安全生产20年以上。
本发明的工作原理：
处于浅水环境中作业的船舶，包括长度L、宽度B和型深D三个尺度，在保证相同的体积情况下，如果一个尺度减小，势必增加另外两个尺度，以获得等同的体积。
当一艘装载货物船舶的吃水T受到限制时，需要减小吃水尺度，这艘船应增加其船长或船宽的尺度，以获得货物的装载量。增加船长会使船舶变得细长，如同筷子一样，不利于抗弯强度；增加船宽会使船舶变得扁平，其适航性差。本发明改变了传统的设计方案，利用加大吃水和加大型深尺度的方法，提高浮体的装载量以达到安全停泊浮体的目的。
使用浮体“浅水效应”优化设计方法，在H水深范围内将吃水T增加到T₁，将船舶的吃水能力充分发挥出来，使船舶的装载量增加，总纵强度应力水平下降。